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  由于實體瘤組織的高滲透長滯留（Enhanced permeability and retention effect，EPR）效應(yīng)，納米顆粒/藥物常具有明顯的腫瘤蓄積能力，因此納米顆粒/藥物成為了診斷、治療甚至根除腫瘤的常用手段。開發(fā)具有增強的被動腫瘤靶向作用的納米平臺對癌癥納米醫(yī)學(xué)應(yīng)用至關(guān)重要。各種納米平臺如脂質(zhì)體、樹狀大分子、納米凝膠、膠束等已廣泛應(yīng)用于基于EPR效應(yīng)的癌癥成像和治療。

  在眾多納米平臺體系中，樹狀大分子是一類高度支化的、三維立體結(jié)構(gòu)的單分散大分子，具有從核心以迭代方式向外延伸的樹枝狀楔形物。樹狀大分子獨特的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性為人類健康納米醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供了重要手段。其中，聚酰胺-胺（Poly(amidoamine), PAMAM）樹狀大分子具有與蛋白質(zhì)相似的結(jié)構(gòu)，并且由于其具有良好水溶性、非免疫原性和易官能化等特點，已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。

  一般而言，低代樹狀大分子更容易合成，但具有相對更高分子量和納米尺寸的高代樹狀大分子（G4或更高）卻顯示出更好的基因轉(zhuǎn)染效率、載藥量以及滲透能力。然而，樹狀大分子代數(shù)越高，合成步驟就越繁瑣，純化也相對困難，其價格也相對比較昂貴，從而限制了其有效的腫瘤治療和成像應(yīng)用。為了克服單代樹狀大分子的局限性，研究者開發(fā)了以高代樹狀大分子為核、低代樹狀大分子為殼的核殼結(jié)構(gòu)樹狀大分子（core-shell tecto dendrimers, CSTDs），不僅保持了與高代樹狀大分子相似的特性，而且合成簡單，操作方便。

  在前期的研究中，史向陽教授團隊利用環(huán)糊精（CD）與金剛烷（Ad）的超分子主客體識別作用，以第五代（G5）PAMAM樹狀大分子為核、第三代（G3）PAMAM樹狀大分子為殼構(gòu)建的G5-CD/Ad-G3 CSTDs可用于增強的基因傳遞（J. Mater. Chem. B 2017, 5, 8459），也可作為載體實現(xiàn)基因和藥物的共遞送達到癌細胞的增強的聯(lián)合治療（J. Mater. Chem. B 2020, 8, 2768）。另外，史向陽教授團隊還基于CD與苯并咪唑（BM）的主客體自組裝作用，將BM修飾的乙�；疓3作為殼組分組裝到CD修飾的乙�；疓5表面，并將形成的G5.NHAc-CD/BM-G3.NHAc CSTDs作為載體負載抗癌藥物阿霉素（DOX），利用CD/BM的酸敏感特性，將CSTDs/DOX納米平臺用于增強的體外腫瘤細胞球的滲透和化療（Nanoscale 2019, 11, 22343）。研究團隊近期還綜述了CSTDs和樹狀大分子超結(jié)構(gòu)的合成方法及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用（Bioconjugate Chem. 2021, 32, 225；Coord. Chem. Rev. 2020, 421, 213463）。然而，不足的是，CSTDs目前僅僅局限于體外細胞生物學(xué)應(yīng)用。

  一直以來，MR成像技術(shù)因無創(chuàng)性、高靈敏度、高空間分辨率以及優(yōu)異的3D成像能力而受到研究者的關(guān)注�；诖�，史向陽教授團隊嘗試構(gòu)建了基于CSTDs的MR造影劑，并與具有相同成分的G5樹狀大分子造影劑相比較，探索其基于EPR效應(yīng)的腫瘤MR成像的優(yōu)越性。在本研究中，團隊首先通過CD和Ad的超分子識別制備了G5.NH₂-CD/Ad-G3.NH₂ CSTDs，并共價修飾DOTA配體用于螯合Gd(III)，最后對CSTDs表面剩余氨基乙�；@得G5.NHAc-CD/Ad-G3.NHAc-DOTA(Gd)（CSTD.NHAc-DOTA(Gd)）（圖1a）。同時，為方便后續(xù)比較，研究團隊還合成了單代樹狀大分子釓螯合物G5.NHAc-DOTA(Gd)。研究結(jié)果表明，合成的兩種材料具有均勻的球形形態(tài)、均一的納米尺寸，較好的穩(wěn)定性和細胞相容性。CSTD.NHAc-DOTA(Gd)粒徑約為9 nm，而G5.NHAc-DOTA(Gd) 約為6.2 nm（圖1）。

圖1. （a）CSTD.NHAc-DOTA(Gd)的合成示意圖;（b，c）CSTD.NHAc-DOTA(Gd)和（d，e）G5.NHAc-DOTA(Gd)的AFM圖和相應(yīng)高度圖。

  隨后，研究團隊以鼠源乳腺癌細胞（4T1）為模型，構(gòu)建了3D細胞球用于模擬動物體內(nèi)實體瘤微環(huán)境以探索和比較FITC標記的CSTD.NHAc-DOTA(Gd)或G5.NHAc-DOTA(Gd)的滲透能力。如圖2所示，兩種材料均對細胞球有一定的滲透性，但在相同F(xiàn)ITC濃度下，F(xiàn)ITC-CSTD.NHAc-DOTA(Gd)組在細胞球內(nèi)部的熒光強度顯著高于G5.NHAc-DOTA(Gd)組，這表明CSTD.NHAc-DOTA(Gd)的滲透能力遠遠優(yōu)于G5.NHAc-DOTA(Gd)。

  研究團隊還比較了兩種材料的弛豫性能和在體外MR成像中的應(yīng)用，結(jié)果表明，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)及對照材料G5.NHAc-DOTA(Gd)的MR信號強度均和Gd含量呈正相關(guān)，在相同Gd濃度條件下，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)顯示出比對照材料更強的MR信號強度，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)的r₁弛豫率為7.34 mM^-1s^-1，是對照材料G5.NHAc-DOTA(Gd)（4.92 mM^-1s^-1）的1.5倍，也是臨床Magnevist（4.56 mM^-1s^-1）的1.6倍。此外，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)與對照材料G5.NHAc-DOTA(Gd)相比，能夠大大提升體外癌細胞的MR成像效果。

圖2. 用FITC-CSTD.NHAc-DOTA(Gd)或FITC-G5.NHAc-DOTA(Gd)孵育4T1 3D細胞球6小時（a, b, c）和12小時（d, e, f）后的細胞球熒光成像圖和熒光強度分布統(tǒng)計圖。其中，比例尺為50 μm，a、d代表FITC-CSTD.NHAc-DOTA(Gd)組，b、e代表FITC-G5.NHAc-DOTA(Gd)組。

圖3. 靜脈注射CSTD.NHAc-DOTA(Gd)（a）或G5.NHAc-DOTA(Gd)（b）前后不同時間點的體內(nèi)MR成像圖和SNR統(tǒng)計圖（c）。白色箭頭指向腫瘤部位；注射的材料均溶解在PBS中，[Gd] = 5 mM，用量100 μL/每只。

  進一步地，研究團隊建立了4T1皮下瘤模型并通過靜脈注射（圖3）和瘤周注射（圖4）兩種方式對注射材料前后的荷瘤小鼠進行了MR成像。靜脈注射后，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)及G5.NHAc-DOTA(Gd)組的小鼠腫瘤部位MR信號強度都出現(xiàn)了先增大后減小的現(xiàn)象，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)組的MR信號強度2.5小時達到了最高值，而G5.NHAc-DOTA(Gd)組在1小時就達到了最高值，說明擁有更高分子量的CSTD.NHAc-DOTA(Gd)具有較長的血液循環(huán)時間，從而放大了EPR效應(yīng)，并延長了材料在腫瘤部位的積聚。與注射前的SNR值相比，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)在腫瘤部位的MR SNR值在注射2.5小時后增加了72.4%，遠高于對照組G5.NHAc-DOTA(Gd)的SNR增加情況（增加了57.2%）。瘤周注射兩種納米材料后，腫瘤的MR SNR均在注射后3 h達到峰值，然后隨著時間的延長而逐漸降低，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)組腫瘤部位的MR信號強度和SNR值在同一時間點都高于對照組G5.NHAc-DOTA(Gd)，這也是歸因于CSTD.NHAc-DOTA(Gd)比G5.NHAc-DOTA(Gd)具有更好的滲透性和更高的r1弛豫率。總之， CSTD.NHAc-DOTA(Gd)表現(xiàn)出放大的腫瘤EPR效應(yīng)，達到增強腫瘤MR成像的效果。此外，組織分布以及器官切片H&E染色實驗還表明CSTD.NHAc-DOTA(Gd)對小鼠沒有明顯的體內(nèi)毒性。

圖4. 瘤周注射CSTD.NHAc-DOTA(Gd)（a）或G5.NHAc-DOTA(Gd)（b）前后不同時間點的體內(nèi)MR成像圖和SNR統(tǒng)計圖（c）。白色箭頭指向腫瘤部位；注射的材料均溶解在PBS中，[Gd] = 5 mM，用量100 μL/每只。

  以上研究以“Core-Shell Tecto Dendrimers Enable Enhanced Tumor MR Imaging through an Amplified EPR Effect”為題，發(fā)表在美國化學(xué)會top期刊Biomacromolecules (DOI: 10.1021/acs.biomac.1c00262)上。東華大學(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院博士研究生宋聰為第一作者，東華大學(xué)史向陽教授、沈明武教授為共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、上海市科委和中央高校研究生創(chuàng)新基金等項目的資助。

  文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c00262