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東華大學(xué)沈明武研究員/史向陽教授課題組在樹狀大分子納米凝膠用于腫瘤增強(qiáng)CT/MR雙模態(tài)成像上取得新進(jìn)展
2023-01-20  來源:高分子科技

  作為常用的臨床成像技術(shù),計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)成像具有優(yōu)異的空間和密度分辨率,而磁共振(MR)成像能提供高靈敏度和卓越的軟組織對(duì)比度。然而,因?yàn)閱我荒B(tài)成像具有內(nèi)在的優(yōu)點(diǎn)和不足,仍然難以獲取全面準(zhǔn)確的腫瘤診斷信息。為解決這一問題,CT/MR雙模態(tài)成像技術(shù)引起人們的重視。然而,基于小分子的常規(guī)造影劑缺乏腫瘤特異性,代謝快,高濃度時(shí)產(chǎn)生腎毒性。因此,開發(fā)具有特異性腫瘤靶向能力的CT/MR雙模態(tài)成像納米探針至關(guān)重要。


  由于納米級(jí)的顆;蛘咚幬锲毡樵趯(shí)體瘤組織具備高滲透長滯留EPR效應(yīng),因此構(gòu)建合適的納米探針材料通過放大其EPR效應(yīng),可大大提高其成像診斷靈敏度和準(zhǔn)確度。聚酰胺-胺(PAMAM)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。由于其具有良好水溶性、非免疫原性和易官能化等優(yōu)點(diǎn),沈明武研究員/史向陽教授課題組在前期研究中,利用第5代(G5)或第2代(G2PAMAM樹狀大分子負(fù)載雙模態(tài)造影劑,用于腫瘤的CT/MRSPECT/CT成像(ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 15212?15221;ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 19883?19891)。然而基于單個(gè)樹狀大分子的納米探針材料尺寸相對(duì)較小,使得其EPR效應(yīng)受到限制。該團(tuán)隊(duì)最近的研究證實(shí)幾何尺寸大于單代樹狀大分子的核殼結(jié)構(gòu)樹狀大分子顯示出比單個(gè)樹狀大分子納米顆粒更高的腫瘤穿透能力和放大的腫瘤EPR效應(yīng)(Biomacromolecules 2021, 22, 2181?2188)。


  納米水凝膠作為一種由高分子鏈通過物理或化學(xué)交聯(lián)形成的高度親水的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),同時(shí)展現(xiàn)出了納米顆粒及水凝膠所具有的特性:(1)高流動(dòng)性和柔韌性,能夠更好地穿過血管上皮細(xì)胞間間隙,進(jìn)入腫瘤區(qū)域,從而被腫瘤細(xì)胞吞噬;(2)高親水性,在體內(nèi)可以保持相對(duì)較長的循環(huán)時(shí)間;(3)通過設(shè)計(jì)環(huán)境響應(yīng)性的交聯(lián)劑或高分子鏈,可實(shí)現(xiàn)納米體系在體內(nèi)特定區(qū)域的響應(yīng)性釋放,減少藥物副作用。此外,已證明具有兩性離子表面修飾的納米粒子顯示出優(yōu)異的抗污性能,延長的血液循環(huán)時(shí)間,從而使納米藥物更容易被腫瘤細(xì)胞吞噬;谇捌诘难芯砍晒,該團(tuán)隊(duì)考慮結(jié)合樹狀大分子與納米凝膠的優(yōu)點(diǎn)及納米凝膠的放大的EPR效應(yīng),合成了功能化樹狀大分子納米凝膠用于增強(qiáng)腫瘤CT/MR雙模態(tài)成像


  在本研究中,該團(tuán)隊(duì)首先通過反相微乳液法,通過氨基封端的第三代樹狀大分子(G3·NH2)與NN-雙(丙烯;╇装罚BAC)的Michael加成交聯(lián)反應(yīng),制備納米凝膠。之后,通過金酸鹽快速還原,將金納米顆粒包裹在納米凝膠中。進(jìn)一步對(duì)納米凝膠表面修飾DTPA/GdIII)螯合物、聚乙二醇化RGD1,3-丙烷磺酸內(nèi)酯(圖1)。形成RGD-Gd@Au-DNGs-PS(簡稱R-G@ADP)具有均勻的球形形態(tài)、均一的納米尺寸(平均粒徑為122 nm)、較好的穩(wěn)定性和細(xì)胞相容性。為便于對(duì)照,團(tuán)隊(duì)還使用mPEG代替PEG-RGD制備了非靶向?qū)φ詹牧?/span>Gd@Au-DNGs-PS(簡稱G@ADP,合成了包裹納米金和螯合Gd(III)單代樹狀大分子納米顆粒G3@Au-Gd-PS(簡稱G3@AGP)。 


1. 樹狀大分子納米凝膠(A)和R-G@ADPB)的合成示意圖。


  隨后,團(tuán)隊(duì)使用Cy5.5對(duì)三種材料進(jìn)行了熒光標(biāo)記,并以鼠源胰腺癌細(xì)胞(Panc-2)為模型,在體外構(gòu)建了3D細(xì)胞球模擬體內(nèi)實(shí)體瘤微環(huán)境,比較三種材料的腫瘤滲透能力。如圖2所示,三種材料均對(duì)細(xì)胞球有一定的滲透性,但在相同Cy5.5濃度下,R-G@ADP組和G@ADP在細(xì)胞球內(nèi)部的熒光強(qiáng)度顯著高于G3@AGP組,這表明納米凝膠組由于具有增強(qiáng)的EPR效應(yīng),使得對(duì)細(xì)胞球的滲透能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于納米顆粒組。 


2. A)使用R-G@ADPG@ADP在不同Au濃度下孵育24小時(shí)后Panc-2細(xì)胞的活力。(B)在不同Au濃度下,將R-G@ADP、G@ADP以及G3@AGPPanc-2細(xì)胞孵育4小時(shí)后細(xì)胞內(nèi)金元素的吞噬量。(CCy5.5-R-G@ADP、Cy5.5-G@ADP以及Cy5.5-G3@AGP2mg/mL)分散在水中的熒光光譜圖。(D)使用Cy5.5-R-G@ADP、Cy5.5-G@ADP以及Cy5.5-G3@AGP[Au]2000 nM)孵育Panc-2細(xì)胞4 h后的流式細(xì)胞術(shù)分析圖和(E)相應(yīng)的平均熒光強(qiáng)度。(F)用Cy5.5-R-G@ADP、Cy5.5-G@ADP以及Cy5.5-G3@AGP孵育Panc-2 3D細(xì)胞球后的激光共焦顯微鏡圖片和(G)熒光強(qiáng)度分布統(tǒng)計(jì)圖其中,比例尺為50 μm,(1)、(2)以及(3)代表Cy5.5-R-G@ADP,Cy5.5-G@ADP以及Cy5.5-G3@AGP組。


  接下來,團(tuán)隊(duì)在小鼠皮下建立了Panc-2移植瘤模型,通過靜脈注射的方式對(duì)注射材料前后的荷瘤小鼠進(jìn)行了CT/MR成像。結(jié)果如圖3所示,R-G@ADP、G@ADP以及G3@AGP組的小鼠腫瘤部位CT/MR信號(hào)強(qiáng)度均顯示先增大后減小的現(xiàn)象R-G@ADPG@ADP組的CT/MR信號(hào)強(qiáng)度90 min達(dá)到了最高值,而G3@AGP60 min就達(dá)到了最高值。納米凝膠組的CT/MR信號(hào)強(qiáng)度均高于G3@AGP組,主要應(yīng)歸因于其延長的血液循環(huán)時(shí)間,放大的被動(dòng)EPR效應(yīng),使其更容易在腫瘤部位保留和積聚。此外,靶向納米凝膠組R-G@ADPSNRHU值均高于非靶向納米凝膠組G@ADP,這主要是靶向組R-G@ADP連接RGD配體結(jié)合Panc-2細(xì)胞表面過表達(dá)的整合素αvβ3,使其產(chǎn)生特異性靶向效應(yīng)。總之,納米凝膠R-G@ADP表現(xiàn)出放大的腫瘤EPR效應(yīng),達(dá)到增強(qiáng)腫瘤CT/MR成像的效果。 


3. A)靜脈注射R-G@ADP、G@ADP以及G3@AGP前后不同時(shí)間點(diǎn)的體內(nèi)腫瘤MR成像圖和(BSNR統(tǒng)計(jì)圖。(C)靜脈注射R-G@ADP、G@ADP以及G3@AGP前后不同時(shí)間點(diǎn)的體內(nèi)CT成像圖和(DCT值(HU)統(tǒng)計(jì)圖。(1)、(2)以及(3)代表R-G@ADP、G@ADP以及G3@AGP[Au] = 0.1 M,[Gd] = 0.01 M,100 μL PBS)。


  以上研究以“Multifunctional Low-Generation Dendrimer Nanogels as an Emerging Probe for a Tumor-Specific CT/MR Dual-Modal Imaging”為題,發(fā)表在美國化學(xué)會(huì)期刊Biomacromolecules (DOI: 10.1021/acs.biomac.2c01403)上。東華大學(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院碩士研究生徐旭為第一作者,東華大學(xué)史向陽教授、沈明武研究員為共同通訊作者。該工作得得到了國家自然科學(xué)基金、上海市科委等項(xiàng)目的資助。


  論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.biomac.2c01403

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