可穿透细胞膜的氧化铁纳米颗粒（TIONs）的筛选，用于深层组织成像

《Biomaterials》：Screening of Transcytosable Iron Oxide Nanoparticles (TIONs) for Deep Tissue-Penetrating Imaging

细胞转胞作用增强磁性纳米颗粒深部组织成像能力研究。通过聚赖氨酸树状结构修饰和β-羧酸酯基团功能化，构建具有高效跨细胞转运特性的Fe3O4纳米颗粒（TONs），成功实现4T1肿瘤和GL261脑胶质瘤的深层MRI成像，并在肾脏靶向成像中展现应用潜力

　　这项研究聚焦于开发一种新型的纳米探针，以实现对深部组织的高效成像。纳米粒子探针相较于小分子探针在医学成像领域具有显著优势，例如更长的循环时间、更高的载药能力以及更强的信号强度。然而，纳米粒子探针在深部组织成像中面临的一个主要障碍是其组织穿透能力有限。这通常是因为纳米粒子的尺寸较大，难以穿透复杂的生物组织结构，特别是在肿瘤等实体组织中，其微环境具有高密度的细胞外基质、过度增殖的细胞、压缩且曲折的血管系统以及升高的间质液压力，这些因素都会限制纳米粒子的渗透能力。因此，如何有效增强纳米粒子的组织穿透能力，成为深部组织成像研究中的关键问题。

为了克服这一限制，研究团队提出了一种基于细胞跨膜运输的主动穿透策略。通过在纳米粒子表面进行化学修饰，使其能够被细胞主动摄取、转运并最终释放到组织深处，从而实现对深部组织的高对比度成像。这种策略不仅可以突破传统的被动扩散机制的物理屏障，还能显著提升成像的清晰度和准确性，为临床诊断和治疗监测提供更为可靠的依据。

具体而言，研究者开发了一系列可通过细胞跨膜运输的氧化铁纳米粒子（transcytosable iron oxide nanoparticles, TIONs）。这些纳米粒子首先通过原位生长的方法在氧化铁纳米粒子（iron oxide nanoparticles, IONs）表面修饰了第三代聚赖氨酸（polylysine, PLL）树状分子。树状分子的引入赋予了纳米粒子丰富的氨基基团，从而为后续的表面工程提供了便利。接着，这些修饰后的纳米粒子与不同类型的酰基酐反应，生成具有不同β-羧酸酰胺末端的纳米粒子（G3-X），其中X代表不同的酰基酐种类，如琥珀酸酐（SA）、衣康酸酐（CA）、5-氟异苯并呋喃酮（FiA）、4,5-二氟邻苯二甲酸酐（DpA）等。通过这种方式，研究团队构建了一个具有多样表面化学性质的纳米粒子库，为后续筛选提供了丰富的材料基础。

为了评估这些纳米粒子的细胞摄取、外排和跨膜转运能力，研究者采用了一种基于荧光的高通量筛选（high-throughput screening, HTS）技术。该技术能够快速、高效地检测不同纳米粒子在多种细胞系中的表现，从而筛选出具有优异跨膜转运能力的候选纳米粒子。实验结果表明，某些具有特定表面化学结构的纳米粒子表现出更强的跨膜转运能力。例如，G3-FiA和G3-DiA这两种纳米粒子在多种癌细胞中展现出高效的跨膜转运能力。其中，G3-DiA更是能够穿透血脑肿瘤屏障（blood-brain tumor barrier, BBTB），进入原位的GL261胶质瘤组织，从而实现了对深部组织的成像。这一发现不仅证明了该策略在肿瘤成像中的有效性，也为研究其他深部组织的成像提供了新的思路。

此外，研究团队还发现，这些纳米粒子在肾脏成像中同样表现出良好的性能。某些特定类型的纳米粒子，如G3-CA TIONs，能够在肾脏中实现特异性靶向和持久的积累。这表明，通过调控纳米粒子的表面化学性质，可以使其适用于不同类型的组织成像，而不仅仅是肿瘤组织。这一发现对于早期诊断肾脏疾病具有重要意义，同时也拓展了纳米粒子在非肿瘤组织成像中的应用前景。

为了进一步验证这些纳米粒子的成像性能，研究者通过荧光成像和磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）技术对其进行了系统评估。实验结果表明，这些纳米粒子能够有效穿透深部组织，提供清晰的成像信号。这不仅提高了成像的分辨率，还增强了对疾病特征的识别能力，为精准医疗提供了重要的技术支持。同时，这些纳米粒子在成像过程中表现出良好的生物相容性和稳定性，为后续的临床转化奠定了基础。

研究团队还指出，纳米粒子的表面化学性质对其跨膜转运能力具有重要影响。例如，含有氟或苯环的疏水性结构能够显著增强纳米粒子的细胞摄取和跨膜转运能力，但过度的疏水性则可能抑制其转运效率。因此，如何在纳米粒子的表面设计中平衡疏水性和亲水性，是提升其组织穿透能力的关键。研究团队通过系统的实验设计，探索了不同表面化学结构对纳米粒子性能的影响，为后续的纳米粒子设计提供了重要的理论依据和实验数据支持。

总的来说，这项研究为开发具有高效组织穿透能力的纳米探针提供了新的思路和方法。通过表面化学修饰和主动转运机制的结合，研究团队成功构建了一种适用于深部组织成像的纳米探针系统。这种系统不仅能够突破传统成像技术的局限，还能在肿瘤和非肿瘤组织中实现高对比度的成像，为医学诊断和治疗监测提供了更为精准的工具。此外，该研究还强调了表面化学设计在纳米粒子性能调控中的重要性，为未来纳米粒子在生物医学领域的应用拓展了新的方向。