一种生物矿化的硫化钴纳米探针用于肿瘤的光声成像与光热治疗研究

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近年来,纳米材料因其物理、化学、生物学方面等独特性质,在肿瘤研究领域受到广泛关注。已有多种具有良好近红外光(NIR)吸收特性的纳米材料,在肿瘤光声成像(PAI)和光热治疗(PTT)方面取得一定的成功。然而,毒性低、组织相容性好,光热转换效率和光动力学特性优良的纳米材料的合成尚处于探索阶段。目的:通过蛋白诱导生物矿化的方法合成硫化钴纳米颗粒(Co9S8-NDs),并对合成的Co9S8-NDs进行表征测定评价其光声成像的潜能。通过细胞及活体实验,探究Co9S8-NDs在体内外对于肿瘤的光热治疗效果。方法:(1)通过蛋白诱导生物矿化的方法合成Co9S8-NDs,探索其最佳合成条件,X射线衍射(XRD)光谱,X射线光电子能谱(XPS)及高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)扫描等方法测定表征。并通过体外光热和光热循环实验评价Co9S8-NDs体外光声效果。(2)通过MTT实验探究Co9S8-NDs对4T1(小鼠乳腺癌细胞),Hela(人宫颈癌细胞),3T3(小鼠成纤维细胞)的细胞毒性;经近红外激光照射(808nm,0.75W/cm2,5min)Co9S8-NDs后,观察4T1细胞产生ROS的水平;激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)观察罗丹明B标记的Co9S8-NDs在LysoTracker Green DND-26染色后被何种细胞结构摄取;4T1细胞经过Co9S8-NDs处理后6小时,用波长为808nm,经不同功率的激光照射,对照射后的细胞分别进行吖啶橙(AM,活细胞,产生绿色荧光)和碘化丙啶(PI,死细胞,产生红色荧光)染色,观察不同功率的激光照射细胞后细胞的存活状态。(3)通过小鼠的尾静脉将Co9S8-NDs注射到接种肿瘤的小鼠体内,利用光声断层扫描仪对肿瘤部位进行光声成像并对接种肿瘤的小鼠进行光热治疗,记录肿瘤的生长情况以及小鼠的生存率,观察Co9S8-NDs在活体水平的肿瘤光热治疗效果;取激光照射1天后的各组小鼠肿瘤组织,进行H&E染色,观察不同组小鼠肿瘤组织改变。结果:(1)HRTEM结果显示制备的Co9S8-NDs是一个单分散球状的平均直径在2.1nm的晶体结构,动态光散射(DLS)测得Co9S8-NDs具有表面均一的纳米粒子结构,平均粒径在26.41nm左右,并且具有良好的尺寸稳定性。此外,Co9S8-NDs从可见光到近红外区域表现出较强的吸收;体外光热和光热循环实验证实Co9S8-NDs的体外光声效果明显,且有良好的光热稳定性。(2)MTT结果证实不同浓度的Co9S8-NDs(即使在100ug/mL的高浓度下)处理细胞24小时后,Co9S8-NDs对三种类型的细胞都没有明显的细胞毒性,而光照Co9S8-NDs处理后的4T1细胞,细胞毒性明显增强;相比单纯的Co9S8-NDs组,经近红外激光照射(808nm,0.75W/cm2,10min)Co9S8-NDs-NIR组ROS增加了约43.2%,说明近红外激光作用下Co9S8-NDs参与了光动力学的过程并诱导ROS产生生物反应;细胞摄取实验发现Co9S8-NDs标记产生的红色荧光与溶酶体产生的绿色荧光75%重叠,说明Co9S8-ND通过细胞内吞作用进入溶酶体中;Live-Dead染色实验发现近红外激光照射Co9S8-NDs处理后的细胞,随着激光功率的增加,细胞的死亡率也增加,而经0.75W/cm2的近红外激光照10min后,大部分细胞都死亡。(3)体内动物实验发现Co9S8-NDs组小鼠肿瘤表面温度仅在激光照射5分钟就接近50℃,相反,PBS处理组的小鼠经激光照射后肿瘤表面温度增加不超过5℃。随后的21天监控小鼠的肿瘤体积发现,对照组(PBS)经光照或不光照后分别是原来肿瘤体积的16倍和18倍,意味着光照对小鼠的肿瘤体积无影响。Co9S8-NDs没有光照组小鼠肿瘤体积与对照组相似,而Co9S8-NDs光照后对小鼠肿瘤体积损伤非常大,在光照后2天,小鼠肿瘤体积就迅速消退,随后的21天没有再复发,与体外的细胞毒性实验结果一致。收集激光照射后1天的小鼠肿瘤组织进行H&E染色,结果显示激光照射的Co9S8-NDs组小鼠产生急性细胞坏死和出血性炎症,而光照或不光照仅注射PBS的小鼠组没有看到明显的肿瘤坏死。结论:牛血清蛋白(BSA)稳定的Co9S8-ND展现了良好的近红外光吸收能力,超小体积和良好的生物相容性,尤其是良好的光热转换效率和光动力学特性。而且,Co9S8-NDs具有多种成像特性如PA和MR成像。我们制备的Co9S8-NDs由于其优异的光动力学特性,有望成为有前途的纳米光敏剂,能够同时用于肿瘤的光声诊断与光热治疗。
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