内在无序多肽基隐形材料使用原位光纤基穿透激光系统实现增强的光热癌症治疗

《Small Science》：Intrinsically Disordered Polypeptides-Based Stealth Materials Enable Enhanced Photothermal Cancer Therapy Using an In Situ Fiber-Based Penetrating Laser System

　　

光热治疗（PTT）已成为一种微创癌症治疗策略，但纳米颗粒（NP）稳定性差、非特异性积累以及激光向深层肿瘤组织的低效传输严重限制了传统方法。在此，研究人员报告了内在无序多肽（IDPs）作为下一代隐形材料的理性设计，用于光热癌症治疗应用，采用一种新型接触模式激光照射系统。IDP1被计算设计为一种亲水性IDP，灵感来自白蛋白（albumin）的一级序列。IDP1表现出相对于PEG（t_1/2=17.8 min）四倍延长的血液半衰期（t_1/2=150.5 min）。封装碳纳米角（CNH）和吲哚菁绿（ICG）的IDP1缀合脂质纳米颗粒（IDP1-CNH/ICG）通过增强渗透滞留效应（EPR效应）表现出有效的肿瘤积累。研究人员开发了一种具有集成实时荧光成像能力的渐变折射率塑料光纤（GI-POF）内窥镜系统，实现了图像引导的接触模式近红外（NIR）激光照射，并实现了比传统非接触照射更高的光热转换效率，加热效率提高了27%。在Colon26荷瘤小鼠中，单次剂量IDP1-CNH/ICG联合接触模式激光照射后14天内肿瘤完全消退，无复发或全身毒性。总体而言，本研究确立了IDP1作为多功能隐形生物材料，并展示了先进NP设计与创新激光传输系统在有效癌症治疗中的协同潜力。

光热治疗（PTT）作为一种微创癌症治疗策略，利用近红外（NIR）光激发光热剂将光能转化为局部热能，从而杀死肿瘤细胞。碳纳米角（CNH）等纳米材料具有优异的光热转换性能，但其固有的疏水性和聚集倾向严重限制了其生理分散性。传统聚乙二醇（PEG）基隐形材料面临抗PEG抗体加速清除、蛋白冠形成导致巨噬细胞摄取等问题。此外，常规非接触式激光照射受组织穿透深度限制，需高功率且易损伤周围健康组织。为此，研究人员开展了新型隐形材料与激光传输系统的协同设计研究。

研究人员基于人血清白蛋白（HSA）的初级序列，通过计算设计了一种内在无序多肽（IDP）——IDP1，作为下一代隐形材料；将其与磷脂缀合，制备了包载CNH和吲哚菁绿（ICG）的脂质纳米颗粒（IDP1-CNH/ICG）；同时开发了渐变折射率塑料光纤（GI-POF）刚性内窥镜系统，实现图像引导的接触模式NIR激光照射。在Colon26荷瘤小鼠模型中，单次静脉注射IDP1-CNH/ICG联合接触模式激光照射，实现了14天内肿瘤完全消退，无复发或全身毒性。该研究发表在《Small Science》上，证明了IDP1作为多功能隐形生物材料的潜力，以及先进纳米颗粒设计与创新激光传输系统协同治疗癌症的有效性。

主要关键技术方法包括：1）计算设计IDP1：基于溶剂可及表面积（SASA）筛选HSA亲水残基，去除疏水残基后，利用AlphaFold预测结构并提取内在无序区域，选择弱阴离子候选1（IDP1）；2）重组表达与纯化：在大肠杆菌中表达IDP1和对照XTEN，经Ni-NTA纯化，MALDI-TOF/MS确认分子量；3）制备IDP1-CNH/ICG脂质纳米颗粒：将DPPC、DPPC-IDP1与CNH和ICG通过脉冲超声分散，获得稳定纳米颗粒（粒径约200 nm）；4）GI-POF刚性内窥镜系统：由0.5 mm直径梯度折射率透镜、同轴塑料光纤束组成，可经16G针插入组织，实现接触模式808 nm激光照射及实时荧光成像（激发785 nm，发射810–860 nm）。小鼠模型为Colon26荷瘤BALB/cCrSlc雌性小鼠（日本SLC），肿瘤体积约100 mm³时开始治疗。

**2.1 IDP1的理性设计**：通过计算流程从HSA中提取亲水无序区域，选择候选1（IDP1，102个氨基酸，分子量约11,400 Da，总电荷-9，等电点pI=5.41，亲水参数-57.9）。HydraProt深度学习工具预测显示，IDP1的分子链水化数高于XTEN，表明其具有更强的水化能力。SDS-PAGE和MALDI-TOF/MS确认了IDP1的成功合成。

**2.2 IDP1隐形性能的综合评估**：小鼠静脉注射ICG标记的IDP1后，其消除半衰期（t_1/2=150.5 min）是PEG（t_1/2=17.8 min）的4倍，是XTEN（t_1/2=35.7 min）的4倍以上。离体荧光成像显示，IDP1在肝脏和肾脏的滞留时间延长，表明其抵抗蛋白水解和清除的能力增强，这是由于高链柔性和亲水性降低了血浆蛋白吸附。

**2.3 基于IDP1的含CNH脂质纳米颗粒**：DPPC-IDP1脂质与CNH/ICG通过超声形成的纳米颗粒（IDP1-CNH/ICG）粒径约200 nm，TEM显示分散的球形颗粒，而DPPC单独形成约800 nm的聚集体。流式细胞术表明，IDP1-CNH/ICG在Colon26癌细胞和RAW264.7巨噬细胞中的摄取显著低于对照组，说明IDP1的隐形特性有效抑制了细胞摄取，特别是巨噬细胞摄取，有利于延长血液循环并通过EPR效应被动积累于肿瘤。

**2.4 接触模式NIR激光照射的光热转换分析**：开发了GI-POF刚性内窥镜系统，可通过16G针插入组织实现接触模式激光照射。溶液中IDP1-CNH/ICG在300 mW激光下浓度依赖性升温，在500 mW下接触模式比非接触模式加热效率高27%（ΔT=36.3°C vs 28.5°C）。经过5次加热-冷却循环，温度升高可重复，吸收光谱不变，表明优异的光热稳定性。接触模式消除了组织层的光衰减，可在更低的激光功率下实现等效加热。

**2.5 IDP1-CNH/ICG的体外和体内抗肿瘤疗效**：体外，IDP1-CNH/ICG联合接触模式激光（300 mW，2 min）对Colon26细胞呈浓度依赖性细胞毒性，而对正常MRC5成纤维细胞影响较小。体内，静脉注射IDP1-CNH/ICG 24 h后，肿瘤部位荧光强度显著高于主要器官，证实EPR效应介导的肿瘤积累。接触模式激光照射（300 mW，5 min）使肿瘤表面温度升至约67.7°C，内部温度约80°C，而非接触模式无明显升温。单次治疗14天内，IDP1-CNH/ICG联合接触模式激光组肿瘤完全消退，40天无复发，且体重稳定。H&E和TUNEL/cleaved caspase-3免疫组化染色显示肿瘤组织广泛坏死和凋亡。血液学和组织学检查表明IDP1和IDP1-CNH/ICG无显著毒性。

讨论部分：研究人员指出，IDP1的优越隐形性能源于其高链柔性和亲水性形成的强水化层，可能减少了血浆蛋白吸附。虽然重复给药后的加速血液清除（ABC）现象尚未研究，但未来需评估抗IDP1免疫反应。接触模式激光系统通过直接插入肿瘤，克服了组织光衰减，实现了高效光热转换，且集成实时荧光成像可验证纳米颗粒积累并优化光纤定位。该策略建立了基于IDP1的多功能隐形生物材料平台，适用于生物制药半衰期延长和药物递送等更广泛领域。

结论部分翻译：本研究报道了IDP1作为下一代隐形材料的理性设计，用于光热癌症治疗，结合创新的接触模式激光传输系统。对HSA的计算重建产生了亲水性IDP1（约100个残基，由11种氨基酸组成），具有优越的隐形性能。IDP1的血液半衰期是传统PEG的四倍。IDP1促进了稳定的含CNH脂质纳米颗粒的形成，这些颗粒通过EPR效应有效积累于肿瘤组织。研究人员还开发了具有集成实时荧光成像能力的GI-POF刚性内窥镜系统，通过微创针插入实现图像引导的接触模式NIR激光照射。这一技术创新克服了传统非接触激光系统的根本限制，在同等激光功率下实现了27%更高的光热转换效率，同时最小化了对健康组织的损伤。集成的成像能力实时验证了纳米颗粒的肿瘤积累，并优化了光纤定位，弥合了临床前研究向临床转化的重要差距。在Colon26荷瘤小鼠中，单次剂量IDP1-CNH/ICG联合接触模式激光照射在14天内实现了肿瘤完全消退，无复发或全身毒性，展示了先进纳米颗粒设计与创新激光传输技术的协同潜力。除PTT应用外，本研究确立了IDP1作为多种生物医学应用的多功能生物材料。其设计策略——从天然蛋白中提取亲水无序区域——可应用于任何蛋白骨架，提供了优化特定生物功能的巨大组成多样性。潜在应用包括为生物制药赋予隐形特性以延长半衰期、药物递送载体和组织工程支架。综上，计算引导的生物材料设计、精准纳米颗粒工程与微创设备创新的融合，为更有效、更安全的光热癌症治疗开辟了一条可转化的路径。更广泛地说，从内源性蛋白中提取亲水无序域的计算策略为下一代隐形纳米材料引入了一种可推广的设计原则，其意义远超PTT。