NIR-II光驱动水凝胶纳米马达用于肿瘤免疫化疗

摘要:南京大学生命分析化学国家重点实验室刘颖教授课题组提出了一种由近红外二区光驱动的水凝胶纳米马达。利用流动聚焦型微流控芯片,通过脂质体前聚体溶液与水凝胶前聚体形成的层流界面上扩散导致的脂质体囊泡自组装制备水凝胶纳米液滴
自驱动的微纳米马达是一种能够将其它形式能量转换为自主运动能力的智能仿生器件,在药物运输、细胞分离和生物传感等领域有着潜在的应用,因此成为研究的热点。作为药物运输载体,微纳米马达的自主运动有助于提高治疗制剂在肿瘤组织处的穿透深度,增强治疗效果。其中光热泳驱动的纳米马达,因其可操控性强,且不依赖于外部化学燃料的消耗与补充,在肿瘤递药领域得到越来越广泛的关注。近年来研究者开发了多种基于Pt、Au等具有808 nm/980 nm(近红外一区光)吸收的纳米粒子不对称修饰的马达基底,并在活体肿瘤模型中取得了较好的治疗效果。然而近红外一区光的组织穿透深度限制了其在生物医学领域进一步的应用推广。随着近红外二区光的概念提出,因其较近红外一区光具有更深的组织穿透深度,由近红外二区光介导的光疗研究在生物医学领域取得了相当的应用进展。基于此开发由近红外二区光照驱动的纳米马达具有重要意义,可以进一步推进光热泳驱动的微纳米马达在生物医学领域的应用。


近日,南京大学生命分析化学国家重点实验室刘颖教授课题组提出了一种由近红外二区光驱动的水凝胶纳米马达。首先利用流动聚焦型微流控芯片,通过脂质体前聚体溶液与水凝胶前聚体形成的层流界面上扩散导致的脂质体囊泡自组装制备水凝胶纳米液滴(图1A)。在磁场作用下,分散在水凝胶前聚体中的Fe3O4@Cu9S8纳米颗粒向一侧迁移得到不对称结构并在紫外光照下该不对称结构被固定,制备得到不对称水凝胶纳米马达。将化疗药物、多巴胺功能化的PEG高分子分散到水凝胶前聚体中,通过上述方法制备得到负载化疗药物的水凝胶纳米马达(图1B)。

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图1. 载药水凝胶纳米马达(AHNMs-DOX)制备

具有电子空穴对的Cu9S8壳在近红外二区光(1064 nm)照射下,发生电子与晶格的局域共振产热,使聚集了Fe3O4@Cu9S8纳米颗粒的水凝胶纳米马达一段温度升高,沿着球体形成温度梯度,产生热泳力,驱动水凝胶纳米马达自主运动。具有主动运动能力的水凝胶纳米马达在肿瘤组织处穿透深度更深,且可显著提高化疗药物的效果。该水凝胶纳米马达进入细胞后释放出化疗药物引起癌细胞免疫原性死亡;水凝胶骨架上共价修饰的多巴胺基团可抓取肿瘤相关抗原,延长其在肿瘤组织局域的保留时间,促进树突细胞成熟,增强机体免疫激活,实现增强免疫化疗的目的(图2)。

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图2. 水凝胶纳米马达用于增强免疫化疗

理论计算预测了在近红外二区光(1064 nm)辐照下,水凝胶纳米马达内部的温度不对称分布(图3A),及对应作用在水凝胶纳米马达上的推动力(图3B)。随着辐照光功率密度增加,纳米马达运动速率加快,MSD分析表现出二次方程规律,确认了水凝胶纳米马达的自主运动(图3C,D)。体外三维细胞球实验表明,在NIR-II光(1064 nm)辐照下,水凝胶纳米马达具有更强的渗透能力,可穿透外层癌细胞到达肿瘤内部(图4)。

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图3.(A)水凝胶纳米马达受热后内部温度梯度及(B)对应作用在马达上的热泳力;(C)不同功率密度NIR-II光辐照下,水凝胶纳米马达运动速度及(D)MSD分析

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图4.(A)三维细胞球模型验证水凝胶纳米马达组织渗透能力示意图;(B)三维细胞球不同平面的共聚焦荧光扫描图像

以阿霉素(DOX)和吉西他滨(GEM)为药物模型,分别制备了AHNMs-DOX和AHNMs-GEM,分别用于小鼠4T1乳腺癌和MB49膀胱癌模型的免疫化疗(图5,6),均取得了突出的治疗效果,证实了水凝胶纳米马达作为主动运输药物载体在生物医药领域的潜在应用价值。

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图5. AHNMs-DOX应用于小鼠4T1乳腺癌治疗效果

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图6. AHNMs-GEM应用于小鼠MB49膀胱癌治疗效果

相关成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition。南京大学化学化工学院博士研究生王莹菲、鼓楼医院泌尿外科陈伟医生、南京大学现代工程与应用科学学院王中博士为该工作的共同第一作者,刘颖教授为文章的通讯作者。研究课题得到了南京大学化学化工学院鞠熀先教授、现代工程与应用科学学院张伟华教授、南京鼓楼医院泌尿外科主任郭宏骞教授、张青副主任医师的大力支持。该工作得到了国家自然科学基金优秀青年基金(22022405)、面上项目(21974064)、江苏省自然科学基金杰出青年基金(BK20200010)与双创人才基金,江苏省特聘教授基金,和生命分析化学国家重点实验室的支持。


NIR-II Light Powered Asymmetric Hydrogel Nanomotors for Enhanced Immunochemotherapy

Yingfei Wang, Wei Chen, Zhong Wang, Yu Zhu, Hongxia Zhao, Kun Wu, Jie Wu, Weihua Zhang, Qing Zhang, Hongqian Guo, Huangxian Ju, Ying Liu
Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202212866


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