血栓治療領(lǐng)域目前面臨重大挑戰(zhàn),傳統(tǒng)溶栓藥物如組織型纖溶酶原激活劑(tPA)雖然有效,但存在嚴(yán)重的出血風(fēng)險(xiǎn)、半衰期短、靶向性差等問(wèn)題,而機(jī)械取栓等侵入性方法又受限于手術(shù)條件和設(shè)備要求。
近年來(lái),聲動(dòng)力療法(SDT)作為一種新興的非侵入性治療策略備受關(guān)注,它利用超聲波激活聲敏劑產(chǎn)生活性氧(ROS)來(lái)破壞血栓結(jié)構(gòu),具有組織穿透深、時(shí)空可控性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),但現(xiàn)有聲敏劑往往面臨ROS產(chǎn)率低、靶向性不足等瓶頸。與此同時(shí),生物正交化學(xué)的快速發(fā)展為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)提供了新思路,通過(guò)點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)可以在病灶部位特異性激活前藥,從而顯著提高治療的選擇性并降低系統(tǒng)毒性。此外,實(shí)時(shí)成像指導(dǎo)對(duì)精準(zhǔn)血栓治療至關(guān)重要,但傳統(tǒng)熒光成像受限于組織穿透深度和信噪比,而近紅外化學(xué)發(fā)光成像(NIR-chemiluminescence imaging)因其高靈敏度和深層組織穿透能力展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
基于此,香港中文大學(xué)唐本忠教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種基于聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)特性的陽(yáng)離子四核銥(III)配合物納米粒Ir-4@S-R NPs,該材料不僅具有優(yōu)異的聲動(dòng)力和聲催化性能,還能通過(guò)陽(yáng)離子特性增強(qiáng)血栓靶向性,并利用AIE特性實(shí)現(xiàn)高效光學(xué)成像。通過(guò)整合NIR化學(xué)發(fā)光成像引導(dǎo)技術(shù),該研究旨在建立一個(gè)兼具高效溶栓、精準(zhǔn)靶向和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能的診療一體化平臺(tái),為克服當(dāng)前血栓治療的臨床困境提供創(chuàng)新性解決方案。該文章于2025年7月10日以《Sonodynamic and Bioorthogonal Sonocatalytic Thrombotic Therapy Based on AIE Cationic Tetranuclear Ir(III) Complex Nanoplatform Guided by NIR-Chemiluminescence Imaging》為題發(fā)表于《Advanced Materials》(DOI:10.1002/adma.202503599)。
圖1 血栓靶向納米體系Ir-4@S-R NPs用于近紅外化學(xué)發(fā)光成像及超聲觸發(fā)協(xié)同溶栓的示意圖
(1)Ir-4@S-R NPs的構(gòu)建與性能驗(yàn)證
Ir-4與Ir-1在THF中分別于662 nm及656 nm處呈強(qiáng)紅光發(fā)射,于720 nm處呈弱近紅外發(fā)射(圖 2B);Ir-4在THF中熒光弱,水含量升至70%時(shí)呈現(xiàn)典型AIE增強(qiáng)(圖 2C、D)。超聲(1.0 W cm–2,1 MHz, 50% duty cycle)激發(fā)下,Ir-4聚集態(tài)(fw 90%)的ROS產(chǎn)量為游離態(tài)(fw 0%)的約 4.7 倍。Ir-4在5 μM濃度、2 mM NaAsc存在、超聲輻照30 min內(nèi)即可將40 μM羅丹明雙疊氮1還原95%以上,熒光顯著增強(qiáng),而Ir-1或缺任一條件則無(wú)反應(yīng)(圖 2E–G)。4 mm雞胸組織下,635 nm激光幾乎無(wú)法穿透,而超聲仍能激發(fā)Ir-4反應(yīng)。Ir-4@S-R NPs與Ir-1@S-R NPs粒徑分別為113 nm與90 nm(DLS),TEM測(cè)得粒徑為95 nm與78 nm(圖 2I)。H2S-N3包封效率分別為29.1%與42.2%(圖 2H)。超聲30 min后,Ir-4@S-R NPs的H2S釋放量為Ir-1@S-R NPs的4倍,且呈劑量依賴關(guān)系(圖 2K)。
圖2 Ir-1與Ir-4的光學(xué)性質(zhì)及Ir-4@S-R NPs性能表征。(a)Ir-1、Ir-4在THF中的UV-vis與熒光光譜(1.0×10–5 M);(b)Ir-4在THF/H2O不同含水量(0–90% v/v)中的發(fā)射光譜及強(qiáng)度變化;(c)超聲(1.0 W cm–2, 1 MHz, 50% duty cycle)催化Rhodamine bisazide 1還原的熒光時(shí)程與產(chǎn)率(Ir-4 5 μM,1 40 μM,NaAsc 2 mM);(d)Ir-4@R與Ir-4@S-R NPs的吸收光譜;(e)Ir-4@S-R NPs的DLS與TEM(標(biāo)尺200 μm)及Ir-1/4@S-R NPs的ζ電位;(f)超聲下PBS、Ir-1@S-R與Ir-4@S-R NPs(200 μg mL–1)的H?S釋放量(n=3)
(2)Ir-4@S-R NPs的活性氧生成表征
為評(píng)估Ir-4@S-R NPs在血栓治療中的ROS生成能力,本研究以DCFH為指示劑,于水相超聲輻照條件下(1.0 W cm?2,1 MHz,50%占空比)進(jìn)行系統(tǒng)考察。如圖3A所示,在Ir-1@S-R NPs與Ir-4@S-R NPs存在下,DCFH于525 nm處的發(fā)射峰強(qiáng)度隨時(shí)間遞增。經(jīng)15 min超聲處理后,Ir-4@S-R NPs組的熒光強(qiáng)度約為Ir-1@S-R NPs組的三倍(圖3B),提示Ir-4@S-R NPs具有更優(yōu)的超聲驅(qū)動(dòng)ROS生成性能。進(jìn)一步采用DPBF與HPF鑒別ROS類型。圖3C、D顯示,在15 min超聲輻照下,含Ir-4@S-R NPs的體系中DPBF于410 nm處的吸收峰下降幅度超過(guò)70%,而Ir-1@S-R NPs組僅下降約40%,表明Ir-4@S-R NPs具備出色的1O2生成能力。無(wú)超聲條件下,兩組DPBF吸收幾乎無(wú)衰減,確證Ir-4@S-R NPs為高效的聲敏化平臺(tái)。動(dòng)力學(xué)分析(圖3E)表明,Ir-1@S-R NPs與Ir-4@S-R NPs的1O2生成均符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),其斜率分別為0.03022與0.0866;斜率越大,1O2生成速率越高。該趨勢(shì)與聲敏劑中金屬中心數(shù)目呈正相關(guān),符合預(yù)期。如圖3F所示,以HPF為探針,Ir-4@S-R NPs組在超聲作用下于525 nm處的熒光強(qiáng)度隨時(shí)間顯著增強(qiáng),表明其較對(duì)照組及Ir-1@S-R NPs組能生成更多羥基自由基(?OH)(圖3G)。EPR光譜進(jìn)一步驗(yàn)證?OH的生成。以DMPO為自旋捕獲劑,定量分析I型ROS。圖3H結(jié)果顯示,在1.0 W cm?2、1 MHz、50%占空比超聲輻照下,Ir-4@S-R NPs組的DMPO-?OH信號(hào)顯著高于對(duì)照及Ir-1@S-R NPs組,確證其卓越的?OH生成能力。綜上,Ir-4@S-R NPs優(yōu)異的ROS生成性能表明,AIE特性與四核Ir(III)配合物結(jié)構(gòu)是構(gòu)建高效聲敏劑的關(guān)鍵前提。為考察Ir-4@S-R NPs的成像深度與靈敏度,實(shí)驗(yàn)以遞增厚度的雞胸組織覆蓋樣品,并通過(guò)外源加入ONOO?誘發(fā)化學(xué)發(fā)光。無(wú)組織覆蓋時(shí),CL圖像背景極低,信背比(SBR)高達(dá)230.97,為熒光成像(SBR=16.95)的13倍以上。隨著雞胸厚度增加,CL與熒光信號(hào)均呈下降趨勢(shì)(圖3I),但CL在4 mm厚度時(shí)仍可清晰檢出,而熒光因激發(fā)光穿透受限及背景干擾已無(wú)法分辨。得益于CL極低背景噪聲,其在12 mm厚度下的SBR仍保持12.15,而熒光信號(hào)已與組織自發(fā)熒光背景相當(dāng)。上述結(jié)果證實(shí),Ir-4@S-R NPs具備優(yōu)異的ONOO?觸發(fā)近紅外CL深部組織成像能力。
圖3 Ir-4@S-R NPs的活性氧生成表征。(a)DCFH熒光隨超聲輻照時(shí)間變化曲線;(b)不同條件下DCFH熒光強(qiáng)度隨時(shí)間變化(I0為初始525 nm強(qiáng)度,I為實(shí)時(shí)強(qiáng)度);(c)DPBF吸收光譜隨超聲輻照時(shí)間變化;(d)不同條件下DPBF吸收衰減比較(I?為無(wú)輻照吸收,I為實(shí)時(shí)吸收);(e)1O2生成動(dòng)力學(xué)曲線(A0為無(wú)輻照吸收,A為實(shí)時(shí)吸收);(f)HPF熒光隨超聲輻照時(shí)間變化;(g)不同條件下HPF熒光強(qiáng)度隨時(shí)間變化(I0為515 nm初始強(qiáng)度,I為實(shí)時(shí)強(qiáng)度);(h)PBS、Ir-1@S-R NPs與Ir-4@S-R NPs在超聲下的DMPO-EPR信號(hào)對(duì)比
(3)Ir-4@S-R NPs的化學(xué)發(fā)光性能分析
CL可消除組織自發(fā)熒光噪聲并規(guī)避激發(fā)光的光子散射,從而提升深部組織成像的信背比(SBR)。以Ir-4@S-R NPs考察其對(duì)PBS及典型活性氧/氮(RONS:NO2?、TBHP、OH?、O2?、1O2、H2O2、ClO?、ONOO?)的CL選擇性。結(jié)果表明,ONOO?是最有效的觸發(fā)劑,其誘導(dǎo)的CL強(qiáng)度較PBS及其他RONS高300倍,較ClO?高4倍(圖4A)。圖4B–C顯示,在PBS體系中Ir-4@S-R NPs的熒光顯著強(qiáng)于Ir-1@S-R NPs,與圖1B中Ir-1/Ir-4溶液態(tài)熒光趨勢(shì)相反,歸因于NPs內(nèi)AIE增強(qiáng);超聲激活的Ir-4@S-R NPs熒光與PBS組相當(dāng),提示其主要以超聲驅(qū)動(dòng)ROS產(chǎn)生進(jìn)而誘發(fā)CL;而超聲激活的Ir-1@S-R NPs熒光顯著增強(qiáng),表明該體系主要將超聲能量轉(zhuǎn)化為熒光發(fā)射,ROS產(chǎn)率降低,與前述ROS實(shí)驗(yàn)一致。ONOO?處理的Ir-4@S-R NPs熒光顯著衰減,而Ir-1@S-R NPs幾乎不變,證實(shí)Ir-4@S-R NPs對(duì)ONOO?的反應(yīng)活性更高。圖4B、D表明,經(jīng)超聲預(yù)輻照后并以O(shè)NOO?激活,Ir-1@S-R NPs與Ir-4@S-R NPs均產(chǎn)生CL信號(hào),但后者強(qiáng)度為前者4倍,說(shuō)明配位后卟啉衍生物更易與電負(fù)性差異大的ONOO?反應(yīng),且Ir-4@S-R NPs電荷(+4)遠(yuǎn)高于Ir-1@S-R NPs(+1)。Ir-4@S-R NPs的CL強(qiáng)度與ONOO?濃度呈良好線性(LOD = 87.4 nM,3σ/k)(圖4E),并隨超聲照射時(shí)間延長(zhǎng)先增后降,峰值出現(xiàn)于3 min(圖4F)。CL發(fā)射峰位于≈660 nm,呈明亮近紅外發(fā)光(圖4G),且信號(hào)可持續(xù)>10 min,適于活體成像(圖4H)。
圖4 Ir-4@S-R NPs的化學(xué)發(fā)光性能。(a)不同濃度Ir-4@S-R NPs的溶血率及紅細(xì)胞溶液照片(n=3);(b)人工血栓與PBS、Ir-4@S NPs或Ir-4@S-R NPs共孵育后的CL成像;(c)圖(b)中CL強(qiáng)度定量(n=3);(d)-(e)不同處理后的血栓外觀照片(從左至右:超聲、游離UK、Ir-1@S-R NPs+超聲、Ir-4@S-R NPs+超聲);(f)FITC-纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)熒光圖像,標(biāo)尺100 μm;(g)各組血栓質(zhì)量減少百分比(n=3);(h)不同濃度Ir-4@S-R NPs對(duì)HUVEC的細(xì)胞毒性(n=3);(i)不同超聲強(qiáng)度對(duì)HUVEC的細(xì)胞毒性(n=3);(j)各組細(xì)胞內(nèi)H2S釋放熒光成像,標(biāo)尺50 μm;(k)TNF-α與(l)IL-6水平(a PBS;b LPS;c LPS+Ir-1@S-R NPs;d LPS+Ir-4@S-R NPs;e LPS+PAG+Ir-1@S-R NPs;f LPS+PAG+Ir-4@S-R NPs;n=3)
(4)體外溶栓與抗炎性能
0–200 μg mL?1 Ir-1@S-R NPs及Ir-4@S-R NPs溶血率<5%,HUVEC存活>90%,1.0 W cm?2超聲對(duì)細(xì)胞無(wú)顯著影響(圖5A、H–I)。靶向?qū)嶒?yàn)顯示c(RGDfC)修飾的Ir-4@S-R NPs在血栓切片上的CL信號(hào)始終高于Ir-4@S NPs與PBS(圖5B–C)。溶栓40 min后,血栓質(zhì)量減少率依次:超聲8.7%、UK17.1%、Ir-1@S-R NPs+超聲50.3%、Ir-4@S-R NPs+超聲76.9%;FITC-纖維蛋白骨架在Ir-4@S-R NPs+超聲組顯著崩解,其余組基本完整(圖5D–G)。細(xì)胞內(nèi)WSP-1探針顯示僅Ir-4@S-R NPs+超聲組產(chǎn)生綠色H2S熒光(圖5J)。LPS誘導(dǎo)RAW264.7炎癥模型中,Ir-4@S-R NPs顯著下調(diào)IL-6與TNF-α,加入PAG后抑制效應(yīng)消失(圖5K–L)。綜上,Ir-4@S-R NPs憑借高效ROS產(chǎn)率與H2S遞送,實(shí)現(xiàn)靶向溶栓并抑制炎癥。
優(yōu)異的H2S釋放與ROS生成能力是體外溶栓的基石。溶血實(shí)驗(yàn)(圖5A)顯示,0–200 μg mL?1濃度范圍內(nèi)的Ir-1@S-R NPs與Ir-4@S-R NPs溶血率均<5%,血液相容性良好。隨后,以含c(RGDfC)的Ir-4@S-R NPs靶向人工鼠血凝塊,IVIS成像表明其化學(xué)發(fā)光信號(hào)在各時(shí)間點(diǎn)均顯著高于非靶向Ir-4@S NPs與PBS組(圖5B、C)。溶栓實(shí)驗(yàn)中,凝塊分別接受超聲、UK、Ir-1@S-R NPs+超聲及Ir-4@S-R NPs+超聲處理(1.0 W cm?2, 1 MHz, 50%占空比, 40 min)。Ir-4@S-R NPs+超聲組凝塊顯著收縮、上清血紅,其余組僅輕度溶解(圖5D、E)。FITC-纖維蛋白骨架示蹤表明,Ir-4@S-R NPs+超聲組出現(xiàn)明顯骨架塌陷與碎片,超聲或UK單獨(dú)處理幾無(wú)破壞(圖5F),證實(shí)AIE與多核Ir中心協(xié)同產(chǎn)生的ROS高效瓦解纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)。定量測(cè)定凝塊質(zhì)量損失率依次為8.7%、17.1%、50.3%、76.9%(圖5G),且Ir-4@S-R NPs+超聲組上清450/540 nm吸光度顯著升高,提示纖維蛋白與血紅蛋白大量解離。安全性評(píng)估顯示,0–200 μg mL?1的兩種NPs與HUVECs共培養(yǎng)24 h后,MTT測(cè)定細(xì)胞存活率>90%(圖5H);超聲強(qiáng)度≤1.0 W cm?2作用10 min對(duì)細(xì)胞活性無(wú)顯著影響,1.5 W cm?2則導(dǎo)致明顯死亡(圖5I),故后續(xù)實(shí)驗(yàn)均采用1.0 W cm?2。胞內(nèi)H2S釋放以WSP-1探針監(jiān)測(cè),僅Ir-4@S-R NPs組呈現(xiàn)強(qiáng)綠色熒光(圖5J),證實(shí)Ir-4作為生物正交聲催化劑可原位遞送H?S??寡讓?shí)驗(yàn)中,LPS誘導(dǎo)RAW 264.7細(xì)胞后,Ir-4@S-R NPs顯著降低IL-6與TNF-α表達(dá);加入100 μM H?S抑制劑PAG后,炎癥因子下調(diào)受阻(圖5K、L),表明H?S而非ROS或納米材料本身發(fā)揮關(guān)鍵抗炎作用。轉(zhuǎn)錄組GO、Reactome、KEGG富集分析及Western blot進(jìn)一步證實(shí),該H?S通過(guò)抑制NF-κB通路實(shí)現(xiàn)抗炎效應(yīng)。
圖5 體外溶栓與抗炎性能。(a)不同濃度Ir-4@S-R NPs的溶血率及紅細(xì)胞溶液照片;(b)人工血栓與PBS、Ir-4@S NPs或Ir-4@S-R NPs共孵育后的CL成像;(c)圖(b)中CL強(qiáng)度定量(n=3);(d)-(e)不同處理后的血栓外觀照片(從左至右:超聲、游離UK、Ir-1@S-R NPs+超聲、Ir-4@S-R NPs+超聲);(f)FITC-纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)熒光圖像,標(biāo)尺100 μm;(g)各組血栓質(zhì)量減少百分比(n=3);(h)不同濃度Ir-4@S-R NPs對(duì)HUVEC的細(xì)胞毒性(n=3);(i)不同超聲強(qiáng)度對(duì)HUVEC的細(xì)胞毒性(n=3);(j)各組細(xì)胞內(nèi)H?S釋放熒光成像;(k)TNF-α與(l)IL-6水平
(5)體內(nèi)血栓診療
尾靜脈注射5 mg kg–1 Ir-4@S-R NPs后,血栓部位CL信號(hào)1 h達(dá)峰值并顯著高于正常血管(圖6A-B);5 mg kg–1劑量2 h內(nèi)血流恢復(fù)至77%,優(yōu)于Ir-1@S-R NPs的58%與UK的短暫再通(圖6C-G)。H&E顯示Ir-4@S-R NPs血栓溶解率91%,顯著高于Ir-1@S-R NPs的56%(圖6E-F)。出血時(shí)間(≈5.6–6.7 min)及出血量與PBS相當(dāng),明顯短于UK組20.9 min(圖6H)。Evans藍(lán)實(shí)驗(yàn)證實(shí)1.0 W cm–2超聲未引起血管內(nèi)皮損傷紅外及Evans藍(lán)證實(shí)1.0 W cm–2超聲無(wú)熱/機(jī)械損傷。因此,Ir-4@S-R NPs兼具高效溶栓與良好生物安全性。
圖6 體內(nèi)血栓診療。(a)血栓與正常小鼠頸動(dòng)脈注射Ir-4@S-R NPs(5 mg kg–1)后的IVIS成像;(b)對(duì)應(yīng)CL強(qiáng)度-時(shí)間曲線(n=3);(c)模型建立、治療及評(píng)估流程示意;(d)FeCl?誘導(dǎo)后PBS、超聲、游離UK、Ir-1@S-R NPs+超聲及Ir-4@S-R NPs+超聲處理的LSBFMS血流圖;(e)各組頸動(dòng)脈H&E染色,標(biāo)尺300 μm;(f)血栓面積定量(n=3);(g)各組相對(duì)血流灌注(n=3);(h)尾出血量(n=3)
(6)體內(nèi)安全性評(píng)估
給藥7天內(nèi),血液學(xué)指標(biāo)持續(xù)位于正常區(qū)間(圖7A–H),血清BUN、CREA、ALT、AST與PBS對(duì)照無(wú)顯著差異,提示肝腎損傷可忽略。ICP-MS顯示納米粒主要經(jīng)肝、肺、腎代謝,器官沉積量隨時(shí)間遞減,7天已顯著清除。各主要臟器HE切片未見(jiàn)炎癥或壞死(圖7I)。因此,Ir-4@S-R NPs在體內(nèi)呈現(xiàn)良好生物安全性,為后續(xù)臨床轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。
圖7 體內(nèi)安全性評(píng)估。(a)-(h)不同處理后小鼠第3天的血液學(xué)指標(biāo)(MCHC、MCH、MCV、HCT、HGB、RBC、WBC、PLT),n=3;(i)各組小鼠腦、心、肝、脾、肺、腎H&E染色,標(biāo)尺100 μm,n=3
(7)大鼠股靜脈血栓診療
尾靜脈注射5 mg kg–1 Ir-4@S-R NPs后,大鼠股靜脈血栓部位CL信號(hào)1 h達(dá)峰值,顯著高于正常血管(圖8A、B)。FeCl3誘導(dǎo)后血流阻斷,Ir-4@S-R NPs+超聲2 h血流恢復(fù)79%,優(yōu)于Ir-1@S-R NPs的67%(圖8C、D)。血液學(xué)及肝腎指標(biāo)與PBS組無(wú)差異,7 d內(nèi)肝肺腎蓄積顯著下降(圖8E–L)。
圖8 大鼠股靜脈血栓診療。(a)正常與血栓大鼠尾靜脈注射Ir-4@S-R NPs(5 mg kg–1)后的IVIS成像;(b)對(duì)應(yīng)CL強(qiáng)度-時(shí)間曲線(n=3);(c)FeCl?誘導(dǎo)后PBS、Ir-1@S-R NPs+超聲、Ir-4@S-R NPs+超聲處理的LSBFMS血流圖;(d)各組相對(duì)血流灌注(n=3);(e)-(l)不同處理后第3天的血液學(xué)指標(biāo)(MCHC、MCH、HGB、HCT、PLT、MCV、RBC、WBC)(n=3)
本研究構(gòu)建的Ir-4@S-R納米平臺(tái)將內(nèi)源性過(guò)氧亞硝酸鹽觸發(fā)的近紅外化學(xué)發(fā)光成像、聲動(dòng)力溶栓與超聲按需釋放硫化氫三者集于一體,實(shí)現(xiàn)了“一次注射、診斷-溶栓-抗炎”一體化。該體系憑借AIE-四核Ir(Ⅲ)聲敏核的高效ROS產(chǎn)率和聲催化能力,在體外12 mm雞胸組織中仍可被ONOO?激活并發(fā)出深穿透CL;體內(nèi)FeCl?誘導(dǎo)的小鼠頸動(dòng)脈血栓模型中血流恢復(fù)率顯著優(yōu)于游離UK,大鼠股靜脈血栓幾乎完全消融,且溶栓率高達(dá)76.9%。血液學(xué)、肝腎功能及組織病理學(xué)均證實(shí)其優(yōu)異的生物相容性和極低的出血風(fēng)險(xiǎn),為血栓性疾病的精準(zhǔn)、安全治療提供了新范式。
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