光声成像材料 | DNA配体显影剂

‍‍‍‍‍基质金属蛋白酶-9（Matrix metalloproteinase-9，MMP-9）是属于锌-金属蛋白酶家族的一种酶，能够促进细胞外基质（Extracellular matrix，ECM）的重构和膜蛋白分解。同时，MMP-9与肿瘤细胞侵入、转移有着很密切的联系，因而可以作为一种优秀的生物标记分子，以检测肿瘤细胞的位置。

光声（Photoacoustic，PA）则作为一种新兴的非侵入性成像方式，通过对材料吸收光后的热塑性膨胀波进行处理并形成可视图像，具有空间分辨率高、成像深度大等特点。有些内源性物质，如血红蛋白，本身就具有光声信号，但为了提高信噪比，首选仍然是一些外源性的化学分子。在该文献中，作者Jinhwan等人开发了一种全新的DNA配体（寡核苷酸）显影剂。该显影剂的主体为15 nm左右的金纳米球（Gold nanospheres，AuNSs），作者在金纳米球表面分别修饰了两种不同的DNA链，称为AuNS-1和AuNS-2。修饰在AuNS-1的表面的是DNA双链，为人类基质金属蛋白酶-9（hMMP-9）的配体链（能够与hMMP-9靶向结合）及其互补链（comp-1）。而在AuNS-2的表面则是comp-1的互补链（comp-2）。这样的搭配能够在缺乏MMP-9时，两种金纳米球稳定地以单体形式存在；而在有MMP-9的环境中，AuNS-1的配体链更倾向于与MMP-9结合，暴露出comp-1单链，使得AuNS-2中的互补链comp-2与其杂交，使纳米球发生聚集（图1a）。聚集的金纳米球由于等离子体耦合效应（Plasmon coupling effect，聚集导致吸收峰红移）提高了近红外一区（NIR-I）吸收（图1b），同时具有较好的选择性（图2），因此可以通过超声指导的光声成像获得聚集有金纳米球的肿瘤微环境（Tumor Microenvironment，TME）成像。‍‍‍‍‍

图1 显影剂作用示意图：a）AuNS-1与AuNS-2作用示意图；2）聚集体的光声波长相较于单体发生了红移

图2 显影剂在三种（无MMP-9、有MMP-9、有BSA）环境下的表征：a）溶液颜色变化；b）吸收波长变化；c）平均粒径（数值）；d）粒径（TEM）

随后，作者分别通过细胞培养和移植乳腺癌小鼠模型从体外和体内两个方面证实了该方法的可行性。在体外，作者使用MDA-MB-231人乳腺癌细胞制作了一个微环境模型，分别在第0、1、4、12、24小时取样检测其光声信号强度，成功实现hMMP-9的量化检测（图3）。而在体内，作者通过Tritom光声系统，成功以三维的方式呈现皮肤、表面血管与聚集的显影剂信号（图4）。

图3 分别用超声（US）、光声（PA）和联合（US/PA）获得的体外信号

图4 利用Tritom小动物光声成像仪获得的三维显影效果

结论：作者利用DNA配体，成功提高了显影剂在肿瘤微环境中的靶向性。这一思路拓宽了光声成像的探针开发道路，相信不久的将来，复合型显影剂将逐渐增多，且被利用与各类器官、肿瘤的可视化中。

参考文献

[1] Jinhwan Kim, Anthony M. Yu, Kelsey P. Kubelick, et al. Gold nanoparticles conjugated with DNA aptamer for photoacoustic detection of human matrix metalloproteinase-9[J]. Photoacoustics 25 (2022) 100307

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