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【研之成理】王强斌团队AM:多通道近红外二区荧光成像指导的化疗-免疫治疗联合给药
2018-11-20| 文章来源:| 【

   今天非常荣幸邀请到王强斌研究员课题组来对他们最新发表在Adv. Mater. 上的文章进行解析。本文内容非常翔实,推荐大家细细品味!在此,感谢王强斌研究员课题组的大力支持和无私分享。   

  A.联合治疗之惑 肿瘤随进程动态异质变化特性往往使得单一的治疗方法很难奏效。目前在临床实践中也普遍采用多种联合治疗方案进行肿瘤治疗。由于不同治疗方案在治疗的时机、用药的频次、以及起效时间等方面的差异,以及考虑到不同治疗方案间存在的相互作用,包括协同或者消减,因此,如何实现1+1=2甚至>2,这就需要我们对联合治疗方案进行优化管理。事实上,到目前为止我们对于生物体的认知还十分有限,药物进入体内的行为学特性我们还很难主观预测。 

  B. 实验小鼠之殇 在动物模型上对候选药物进行药代及药效动力学分析是药物开发链条上的重要环节。药物在进入人体前都需进行动物试验,借助动物模型对药物的活性、毒性及代谢动力学进行评估和分析。传统的活体动物药物筛选,其药物分析需在离体下进行,因此需要在不同时间点处死实验动物,动物需求量大,实验周期长;此外,由于实验动物的个体差异性以及复杂操作导致的实验误差,使得数据可靠性差。因此,如何实现活体状态下原位、实时、高效的评估药物活性及其代谢动力学特性等是现行药物研发的一个焦点问题。 

  C. 活体影像之光 荧光成像技术具有检测灵敏度高、经济便捷、无辐射危害等优点,在生物医学领域具有广泛的应用,但受限于低的组织穿透深度。近红外区荧光(1000-1700 nm, NIR-II)极大克服了传统荧光 (400-900 nm) 面临的强的组织吸收、散射及自发荧光干扰,在活体成像中可实现更高的组织穿透深度和空间分辨率,被视为最具潜力的下一代活体荧光影像技术。我们组是在该领域开展工作最早的课题组之一,2010年我们在国际上率先提出Ag2S量子点体系,利用热解单元前驱体方法精确制备了Ag2S量子点,首次报道了其近红外II区荧光性质(J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 1470-1471),并进一步发展了Ag2SeXS1-X体系,实现了荧光发射波长1000-1700 nm近红外二区全覆盖。作为一种新型荧光成像技术,在早前研究过程中,除了探针之外,也面临无商业化可用的活体影像系统的困境。传统的活体影像系统都是具有Si基探测器,其波长探测极限为900 nm,无法实现近红外二区荧光成像,这些都迫使我们必须自力更生。随着短波红外InGaAs相机的出现,我们将其率先引入到近红外二区光路系统中,从无到有自主研制了系列近红外二区荧光成像设备,包括近红外二区荧光倒置显微镜、激光共聚焦显微镜和小动物活体成像系统,为在分子水平、细胞层次和小动物活体模型开展跨层次、多尺度的近红外二区荧光影像研究奠定坚实基础,相关成果获得2017年度江苏省科学技术一等奖,并且目前已实现技术转化。 

  基于肿瘤联合治疗面临的上述科学问题结合我们课题组在近红外二区荧光活体成像领域的长期工作积累,我们提出利用多通道近红外二区荧光活体影像技术实现对化疗及免疫治疗给药方案优化的构想。具体策略如下(Scheme 1):负载了NK细胞趋化因子(SDF-1α)及化疗药物(DOX)的Ag2Se量子点(λEm = 1350 nm)首先通过静脉注射到荷瘤小鼠体内。待药物递送至肿瘤部位(基于Ag2Se近红外荧光信号),将经Ag2SλEm = 1050 nm)标记的NK-92细胞注入到小鼠体内,通过检测Ag2S量子点的信号可实现NK-92细胞体内分布及SDF-1α诱导的肿瘤归巢的实时可视化。该多通道近红外二区成像途径可同时评估药物及移植细胞在体行为,从而为优化联合给药方式提供了可能。 

  Scheme 1. Schematic illustration of multiplexed NIR-II fluorescence imaging strategy to program the chemotherapy and immunotherapy against breast cancer. Under the guidance of the NIR-II fluorescences of Ag2Se QDs and Ag2S QDs, the administrations of chemodrugs and immune cells were programmed to obtain the optimal therapeutical effects. 

  首先我们利用Transwell进行体外趋化实验验证:我们在上室和下室本别接种了NK-92细胞和人乳腺癌肿瘤细胞MDA-MB-231,并在下室底部铺上一层含S&D@Ag2Se的基质胶。NK-92细胞由于受到SDF-1α(来源于S&D@Ag2Se)的趋化效应,实现了高效的由Transwell上室向下室的迁移,并且迁移至下室的NK-92细胞很快粘附到人乳腺癌肿瘤细胞MDA-MB-231 Figure 1)。 

 Figure 1. In vitro chemotactic assays of NK-92 cells. a) Schematic diagram of the in vitro cell migration assay. Matrigel containing S&D@Ag2Se was placed at the bottom of a Transwell chamber and NK-92 cells were plated onto the insert. The migration of these cells through the Transwell insert was assessed. b) Microscopy images of NK-92 cells that transferred crossed the insert, stained with crystal violet. Scale bar: 50 μm. c) Quantification of the NK-92 cells that transferred to the bottom chamber. d) Brightfield and three-dimensional luminescence images of NK-92 cells (red) and MDA-MB-231 breast cancer cells (blue).  

  初步论证了体外趋化的可行性之后,我们对NK-92细胞与MDA-MB-231肿瘤的相互作用及杀伤机理进行了研究。通过将不同比例的效应细胞(NK-92)与靶细胞(MDA-MB-231)共孵育,利用RTCA我们优化了它们之间的比例(10:1)。进一步,通过Western bolt分析表明当NK-92细胞与肿瘤细胞接触后,颗粒酶表达水平显著增高,显示其肿瘤细胞杀伤途径被激活。我们也观察到了肿瘤细胞凋亡的典型性形态学特征 Figure 2)。 

  Figure 2. Real-time impedance traces (a) and quantitative analysis (b) of NK-92 cell-mediated cytolysis of MDA-MB-231 breast cancer cells by real-time cellular analysis (RTCA). (c) Scanning electron microscopy (SEM) images of interactions between MDA-MB-231 and NK-92 cells. Representative images show NK-92 cell adhesion (left), membrane blebbing (middle), and apoptotic bodies (right). Scale bar: 10 μm. (d) Time-dependent expression of granzyme B (GB) determined by western blot analysis of NK-92 cells that were incubated with MDA-MB-231 cells. (e) Cell viability of MDA-MB-231 cells treated with S&D@Ag2Se with the concentration of DOX at 1, 2, 4, 6, and 12 μg/mL, respectively, and further incubated with NK-92 cells, and Ag2Se, DOX, and S@Ag2Se+NK-92 groups served as controls. 

  进一步,我们对S&D@Ag2Se诱导的体内趋化效果进行了评估。基于纳米药物递送系统长的血液循环时间及肿瘤EPR效应,通过静脉注射我们实现了药物分子在肿瘤区域的高效富集,并且整个过程可通过Ag2Se近红外荧光信号进行实时动态监控。要实现有效的NK-92细胞肿瘤招募则需要满足1)肿瘤区域高富集的SDF-1α2)血液中有足够的NK-92细胞实现趋化介导的肿瘤归巢。通过对NK-92细胞进行Ag2S近红外量子点标记,我们可对细胞在体内的分布、代谢动力学实现实时监控,从而获得优化的NK-92细胞注射时间窗口(S&D@Ag2Se注射后6小时)。与同时将纳米药物S&D@Ag2SeNK-92细胞注射相比,我们这种近红外二区荧光指导的程序化给药方案显著提升了NK-92细胞在体内肿瘤部位的富集效果(Figure 3)。值得一提的是,在我们的纳米药物递送系统的设计中,化疗药物DOX可基于肿瘤微酸环境的质子化效应实现快速药物释放,而基于肝素与SDF-1α间强的静电吸附,可实现持久的NK-92肿瘤招募。 

  Figure 3. a) Time-course of NIR-II fluorescence of MDA-MB-231 tumor-bearing nude mice in which S&D@Ag2Se and Ag2S-labelled NK-92 cells were administrated in different way. b) Blood circulation curve (red) of NK-92 cells after being labelled with Tat-Ag2S QDs determined by the NIR-II fluorescence of the blood samples and time-dependent tumor-to-background ratio (TBR) after injection of S&D@Ag2Se (blue) and acquisition of NIR-II fluorescence images at different time point. c) Time-dependent tumor-to-background ratio (TBR) after injection of Tat-Ag2S-labeled NK-92 cells at the different time point determined by the NIR-II fluorescence imaging of mice (n=3). TBR = [(mean fluorescence intensity of 1) - (mean fluorescence intensity of 3)]/[(mean fluorescence intensity of 2) - (mean fluorescence intensity of 3)]. 

  最终的活体抗肿瘤实验结果表明,我们这种双通道优化的化疗、免疫联合给药策略实现了更好的体内肿瘤抑制效果,并且当我们将化疗药物剂量降低一半,其效果也优于其它对照组。 

  我们发展了一种多通道近红外二区荧光活体影像策略,其可实现化疗及过继性细胞免疫治疗双事件的活体实时、动态监控,从而为肿瘤联合治疗方案的优化提供了影像学指导。尽管在这个工作中我们只是提供了一个案例,事实上该策略也可进一步推广到其它联合治疗体系中,通过明晰药物的药代动力性、药效动力性、药物与生物体的主客体相互作用以及药物与药物之间的相互作用,从而为重大疾病的精准治疗提供科学依据。 

  王强斌 博士,中科院百人计划研究员、国家杰出青年基金获得者。2002年在华东理工大学获得博士学位,在上海交通大学短暂工作后,2004-2008年在Arizona State University从事博士后研究和担任助理研究教授工作,2008年加入中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所担任研究员、课题组长,主要从事新型近红外荧光影像技术及其转化医学研究,研究成果获2017年江苏省科学技术一等奖。获中科院百人计划结题优秀、国家自然科学基金委杰出青年基金、日本化学会“Distinguished Lectureship Award”、科技部中青年科技创新领军人才、英国皇家化学会会士等荣誉。目前,担任苏州纳米所所长助理、中科院纳米-生物界面重点实验室主任、Nano Research杂志编委。 

    

  课题组网址:http://www.wang-lab.com/ 

  原文网址:https://mp.weixin.qq.com/s/awY0LUj2n7vOQ5tTWNIzZQ 

 
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