唐本忠 唐本忠院士团队《ACS Nano》：脑肿瘤“终结者”

众所周知，胶质瘤被认为是最恶性的肿瘤之一，其原本作为保护中枢神经系统的生物屏障的血脑屏障，已经成为阻碍胶质瘤诊断和治疗的主要因素。1959年，理查德·费曼在一篇题为《物质底部有大量空空间》的演讲中提出:未来人类有可能建造一个分子大小的微型机器，它可以用分子甚至单个原子作为建筑构件，在非常小的空之间建造物质，这意味着人类可以在底部制造任何东西空。从分子和原子中改变和组织分子是化学家和生物学家想要实现的目标。这将使生产过程变得非常简单，只有大量获得的分子才能重组形成有用的物体。他率先提出了用微型机器人治病的想法。用他的话说，就是“吞掉外科医生”。科幻或科幻电影中经常描绘纳米机器人在进入人体血液时，可以主动瞄准交通工具，跨越生物屏障，执行细胞手术等生物医学任务的场景。《终结者》是美国著名的科幻电影系列，其中最著名的主角是阿诺德·施瓦辛格的人形仿生机器人T-800，它是通过在机器人的金属骨架上覆盖一层人体皮肤组织，实现正常人体功能的仿生机器人。参考终结者仿生机器人的设计理念，近日，深圳先进技术研究院唐本忠院士、蔡林涛研究员、张鹏飞副研究员、龚平研究员在《ACS纳米导航胶质瘤治疗学》上发表了题为《具有近红外-II荧光响应的聚集诱导发射特性的天然-黑仔-细胞激发纳米机器人》的论文，他们利用天然杀伤细胞膜包裹具有近红外双区荧光特性的聚集诱导发光有机半导体骨材料，制作了NK细胞仿生AIE纳米机器人，并将其应用于胶质瘤的诊断和治疗。通过NK细胞膜与血脑屏障上细胞的特异性相互作用，打开血脑屏障，调节血脑屏障表皮细胞间的紧密连接，导致TJs断裂和细胞骨架重排，导致细胞间隙增大，细胞间形成“绿色通道”，帮助其跨越血脑屏障；同时，利用NK细胞膜和肿瘤细胞膜表面受体的特异性识别，跨越血脑屏障后富集为胶质瘤细胞，从而实现高信噪比的脑肿瘤近红外荧光成像。此外，自然杀伤细胞仿生纳米机器人在近红外光照射下的热效应极大地抑制了肿瘤的生长，因此自然杀伤细胞仿生纳米机器人在活性药物跨BBB传递方面具有巨大的应用潜力。

图解指南

图1。终结者电影中的终结者机器人和我们文章中的自然杀伤细胞仿生纳米终结者机器人示意图

1.NK @ aiedots的合成与表征

图2展示了模仿自然杀伤细胞的AIE纳米粒子的制备和组装过程以及NK@AIEdots“智能”调控细胞间紧密连接跨越血脑屏障及其在脑肿瘤靶向诊断和治疗中的应用。

首先，以联吡啶并噻二唑为受体，烷基取代的-2-乙烯基)-噻吩单元为供体，制备了NIR-II-AIE活性共轭聚合物PBPTV。在808 nm激光的照射下，PBPTV粉末发出非常明亮的NIR-II荧光。PBPTV在400纳米至900纳米范围内具有宽吸收和AIE特性。以IR-26染料为参比，在808 nm激发下测定PBPTV的量子产率为8.6%，比以前报道的NIR-II发光共轭聚合物亮4倍。

图3。3.PBPTV的光学特性. PBPTV的分子结构。插图显示了固体多溴联苯醚的亮场和近红外荧光图像。用密度泛函理论在B3LYP6-31G水平上计算了聚对苯二甲酸丁二醇酯的分子构型和HOMO/LUMO轨道。图中还显示了相应的能级。二氯甲烷的紫外吸收光谱。PBPTV在含有不同正己烷组分的二氯甲烷/正己烷混合物中的光致发光光谱。二氯甲烷/己烷混合物的己烷组分和聚对苯二甲酸丁二醇酯的荧光强度图。

NK@AIEdots通过仿生病毒出芽，将自然杀伤细胞的细胞膜包裹在PBPTV纳米聚集材料的骨架上。NK@AIE量子点在300-900纳米范围内具有宽吸收，最大吸收波长在700纳米左右。量子产率为7.9%。NK膜的复杂性可以很好的保留下来，使得NK@AIEdots保留了原始自然杀伤细胞的活性。

图4。4的制备和表征。NK@AIEdots。NK@AIE点在水中的吸收光谱和荧光光谱。插图显示了水分散体中NK@AIEdots的亮场照片和近红外-ⅱ荧光图像。自然杀伤细胞的DLS测量结果和透射电镜图像。用SDS-PAGE电泳测定NK@AIEdots蛋白谱。与自然杀伤细胞膜和AIEdots相比。

2.自然杀伤细胞穿透血脑屏障的机制

NK@AIEdots通过与BBB上细胞的特异性相互作用激活细胞内信号通路，从而调节细胞间TJs紧密度，增加BBB通透性，形成“绿色通道”，帮助NK@AIEdots成功穿越BBB。

图5。NK @ aiedots跨越血脑屏障。自然杀伤细胞穿透血脑屏障的方案和原理。蛋白质印迹结果显示NK@AIEdots上存在VLA-4和LFA-1，并以自然杀伤细胞、自然杀伤细胞膜和AIEdots为对照。将NK@AIEdots在体外穿越BBB的效率与阻断VLA-4和LFA-1的AIEdots和NK@AIEdots进行了比较。经NK@AIEdots处理后，免疫荧光染色检测弯曲3细胞肌动蛋白应激纤维和TJs相关蛋白ZO-1

3.体内成像和治疗

自然杀伤细胞的肿瘤识别能力与其固有的膜蛋白密切相关。NKG2D和DNAM-1都存在于NK@AIEdots上，这表明它们具有潜在的肿瘤靶向能力。研究人员利用自建的近红外双区共焦成像和流式细胞术系统，在细胞水平上研究纳米机器人的靶向能力。结果表明，经NK@AIEdots处理的U-87MG胶质瘤细胞的荧光强度比AIEdots组高75倍。

采用原位胶质瘤模型进行体内近红外双区荧光成像，连续监测注射NK@AIEdots和AIEdots小鼠的荧光信号。注射后24小时，NK@AIEdots和AIEdots在除肝脏和脾脏外的主要器官中迅速代谢。NK@AIEdots在胶质瘤中有较强的NIR-II荧光信号，而在AIEdots组则没有，这表明NK@AIEdots由于NK细胞靶向肿瘤和穿透血脑屏障的能力而表现出较高的肿瘤靶向性。

图6。脑肿瘤靶向6。NK@AIEdots。自然杀伤细胞的肿瘤靶向方案。NK@AIEdots蛋白质印迹结果证明了DNAM-1和NKG2D的存在。铀-87MG胶质瘤细胞与自然杀伤细胞共聚焦图像。用近红外-ⅱ型流式细胞仪分析靶向87MG细胞的NK@AIEdots的结果。808 nm光照下完整头皮和颅骨的无创NIR-II荧光成像结果。808 nm光照下离体无颅骨小鼠的NIR-II荧光成像结果。

PBPTV具有较强的近红外吸收能力，因此NK@AIEdots也可作为光热剂用于胶质瘤治疗。NK@AIEdots的光热转换效率为45.3%。通过原位胶质瘤模型进一步评估了体内靶向光热治疗胶质瘤的疗效。NK@AIEdots注射后24小时，在808 nm激光照射下，胶质瘤温度升高。然而，对于对照组来说，胶质瘤的温度似乎没有明显升高。在808nm激光照射下，NK@AIEdots治疗组小鼠的体重减轻明显少于其他治疗组。此外，血液生化指标和H&E染色显示无明显的器官损伤，表明小鼠可以耐受这种处理和NK @ aiedots的生物相容性。

图7。7 .光热疗法。NK@AIEdots体内胶质瘤。NK@AIEdots治疗胶质瘤全过程示意图。胶质瘤原位光热治疗后不同时间的生物发光成像。胶质瘤不同时间点生物发光信号的半定量分析。测量各组小鼠的体重。

亮点总结

综上所述，作者研制了一种具有高NIR-II荧光亮度的仿生AIE纳米机器人。在制备的仿生自然杀伤细胞AIE纳米机器人中，移植了自然杀伤细胞的功能，可以高效穿越BBB，以“自助”方式特异性靶向胶质瘤。PBPTV具有较高的NIR-II发射特性，因此可以在活体颅骨成像中以较高的对比度诊断胶质瘤，并通过光热治疗有效抑制胶质瘤的生长。模仿自然杀伤细胞的纳米机器人为脑相关疾病的治疗提供了一种高效的穿透血脑屏障的工具。

特别感谢作者修改了这篇文章。

全文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c03824

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