近红外发光纳米颗粒实现奥拉帕利递送用于放射增敏的图像引导诊疗一体化

《ACS Applied Nano Materials》：Near-Infrared Luminescent Nanoparticles Enable Olaparib Delivery for Radiosensitized Image-Guided Theranostics

　　

这项研究介绍了近红外（NIR）发光纳米颗粒的设计，这些纳米颗粒共掺杂稀土和过渡金属离子，作为多功能的材料平台，用于成像引导的癌症治疗和放射治疗辅助。基于氧化锗的纳米颗粒共掺杂La³⁺和Cr³⁺（GeO₂:La³⁺, Cr³⁺；GOLC）被设计为通过稳定的氧化物宿主晶格和Cr³⁺介导的电荷陷阱态产生长持续NIR发射。所得的NIR发光实现了高对比度、背景抑制的光学成像，无需连续外部激发，解决了生物环境中与组织自发荧光和光漂白相关的关键挑战。为了整合治疗功能，GOLC纳米颗粒负载了聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）抑制剂奥拉帕利，得到GOLC@OLA纳米结构。这些纳米结构有效抑制口腔癌细胞增殖并诱导凋亡，在单一材料系统中结合了光学追踪能力和药物递送。除了化学递送，高原子序数（high-Z）的GOLC载体赋予了固有的放射增敏效应，通过增加局部光电吸收显著增强了放射治疗（RT）的疗效。从放射学角度来看，La³⁺主要作为结构和电子调节剂而非传统的高Z放射增敏剂被引入。尽管La³⁺不会强烈增强光电吸收，但其掺入可能通过晶格缺陷调制、缺陷辅助电荷动力学和辐射诱导的凋亡间接影响辐射反应。这种整合使得纳米颗粒定位、成像读出和治疗有效载荷递送之间能够实现精确的空间关联，从而支持口腔癌模型中的图像引导化学-放射治疗策略。总体而言，这项研究建立了一个多功能NIR发光纳米颗粒框架，桥接了光学成像、药物递送系统和图像引导的放射治疗，为先进的肿瘤纳米医学研究提供了以材料为中心的基础。

**论文解读：基于GOLC纳米颗粒的NIR持续发光平台用于图像引导的口腔癌放射增敏治疗**

**研究背景与问题**

口腔鳞状细胞癌（OSCC）是全球重大健康负担，尤其在亚洲地区，其发病率与嚼槟榔、吸烟和饮酒等区域特异性风险因素密切相关。OSCC常在晚期被诊断，具有高局部侵袭和复发率。放射治疗（RT）是OSCC治疗的基石，但其疗效常因内在或获得性放射抵抗以及放射对周围健康组织的损伤而受限。因此，亟需开发能够实现精准肿瘤定位、治疗监测和增强治疗反应的策略。图像引导的放射治疗（IGRT）通过整合实时肿瘤可视化与放射递送，成为有前景的方法。尽管高原子序数（high-Z）纳米材料如金或氧化铪已被广泛研究作为放射增敏剂，但通过晶格缺陷工程、载流子动力学和辐射诱导氧化应激调节等间接途径增强辐射的材料策略相对未被充分探索。与此同时，将RT与分子靶向药物（如PARP抑制剂奥拉帕利）结合在临床中已获得关注，奥拉帕利通过破坏DNA修复途径可增强放射诱导的DNA损伤。然而，将PARP抑制剂整合到NIR发光纳米平台中，以实现光学成像、药物递送和放射治疗在单一系统中的空间关联，仍是一个挑战。

**研究目的与内容**

研究人员设计了基于氧化锗（GeO₂）的NIR持续发光纳米颗粒，共掺杂La³⁺和Cr³⁺（GOLC），并负载PARP抑制剂奥拉帕利，形成多功能诊疗一体化系统（GOLC@OLA）。该系统旨在通过Cr³⁺介导的NIR持续发光实现背景抑制的高对比度成像，同时利用GOLC载体的high-Z特性增强放射治疗，并结合奥拉帕利抑制DNA修复，实现图像引导的化学-放射治疗。该研究发表在《ACS Applied Nano Materials》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用介孔二氧化硅纳米球（MSNs）作为模板，通过溶胶-凝胶法及高温退火（1000 °C）合成GOLC纳米颗粒，随后用酸蚀刻去除模板以引入孔隙。通过将奥拉帕利与GOLC@SiO₂混合（40 °C，6–8 h）实现药物负载，再用鱼精蛋白（protamine）进行表面修饰获得正电荷（GOLC@OLA-PRM）。表征手段包括透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、能量色散X射线光谱（EDS）、动态光散射（DLS）、Zeta电位、光致发光（PL）光谱、氮气吸附（BET）、热重分析（TGA）及紫外-可见（UV-vis）光谱。细胞实验使用人OSCC细胞系SAS、OECM-1和小鼠OSCC细胞系Moc1（购自KERAFAST, INC.，波士顿，美国），以及正常口腔黏膜成纤维细胞（OMF）和正常角质形成细胞CCL0201。动物实验采用SAS原位口腔癌小鼠模型（具体来源未注明，但为台湾地区实验室构建），通过静脉注射GOLC-PRM NPs进行活体NIR-II成像和组织分布分析。治疗效果评估包括MTT法、集落形成实验、流式细胞术检测凋亡（Annexin V/PI染色）及DNA修复标志物（p-ATM、p-CHK2、cleaved caspase-3/8/9）。

**研究结果**

**3.1 结构组成与光学特性**
通过TEM和SEM表征，研究人员确认GOLC纳米颗粒继承MSNs模板的均匀形貌，经高温退火和酸蚀刻后仍保持完整晶体结构，无明显聚集。EDS元素映射显示Ge、O、La、Cr均匀分布，XRD图谱证实GeO₂基宿主晶格形成，无杂质相。DLS显示水分散液中粒径约220 nm，在PBS中3天内保持稳定，Zeta电位从?25 mV（SiO₂包覆）反转为+20 mV（鱼精蛋白修饰）。PL光谱显示GOLC在约800 nm和1000 nm处有两个主要发射带，分别对应NIR-I和NIR-II窗口，且具有持续发光特性（激发后长时间发光），归因于La³⁺引入的电子陷阱态和Cr³⁺发光中心。重复激发和不同浓度下发光强度稳定，表明优异的光稳定性。

**3.2 生物分布与生物安全性**
在SAS原位瘤小鼠模型中，GOLC-PRM NPs静脉注射后1–6小时在OSCC区域显著积累，荧光信号强度约为肌肉组织的2.46倍，且在肝脏和脾脏也有分布。离体器官成像进一步证实肿瘤、肝脏和脾脏的荧光信号。H&E染色显示主要器官（心、肝、肺、脾、肾、肠）无显著病理毒性，血清生化指标（AST、ALT、CREA）正常，表明GOLC-PRM NPs具有良好的生物安全性。

**3.3 表面工程、药物负载与释放行为**
通过BET分析，酸蚀刻后GOLC的比表面积显著增加，证实孔隙形成。UV-vis光谱确认奥拉帕利负载，TGA定量药物负载容量（DLC）约为16.0 wt%，包封效率（EE）约95%。体外释放实验显示在生理条件下（pH 7.4，37 °C）奥拉帕利呈持续缓慢释放，表明扩散控制释放机制。共聚焦荧光显微镜显示GOLC@SiO₂纳米颗粒被SAS和Moc1细胞有效内吞，信号主要位于细胞质，DAPI核染色验证了细胞内定位。

**3.4 GOLC@OLA增强OSCC体外放射增敏效应**
Western blot检测显示BRCA1在SAS和OECM-1细胞中高表达，Moc1中表达较低。MTT实验表明游离奥拉帕利和GOLC@OLA均对OMF、Moc1和SAS细胞呈剂量依赖性细胞毒性，且IC₅₀值相近，表明纳米封装未降低药物效力。集落形成实验中，与单独RT、GOLC或GOLC@OLA相比，GOLC@OLA联合RT（GOLC@OLA+RT）组在Moc1和SAS细胞中存活分数显著降低（p<0.05或p<0.01），且在4–10 Gy剂量下呈现协同效应（存活分数低于预期加和值），表明GOLC载体通过high-Z效应增强局部放射剂量，同时奥拉帕利抑制DNA修复，实现协同放射增敏。

**3.5 GOLC@OLA通过激活内源性和外源性凋亡途径增强放射增敏**
流式细胞术Annexin V/PI染色显示，GOLC@OLA+RT组晚期凋亡细胞比例显著增加。cleaved caspase-3（凋亡执行蛋白）在Moc1和SAS细胞中分别诱导至53.96%和79.7%。此外，cleaved caspase-9（内源性线粒体途径）和cleaved caspase-8（外源性死亡受体途径）均显著上调，表明双途径凋亡激活。同时，DNA修复标志物p-ATM（Ser1981）和p-CHK2（Thr68）的表达在GOLC@OLA+RT组中显著降低，p-H2AX免疫荧光染色进一步证实DNA损伤反应通路受损，说明奥拉帕利通过抑制PARP介导的DNA修复，增强了RT诱导的DNA损伤积累。

**总结与讨论**

研究人员开发的GOLC@OLA纳米平台整合了持久NIR成像、药物递送和放射治疗增强功能。该系统通过Cr³⁺和La³⁺共掺杂的GeO₂宿主晶格实现稳定的NIR持续发光，克服了组织自发荧光和光漂白问题；通过鱼精蛋白修饰实现正电荷表面，促进肿瘤积累和细胞摄取；通过high-Z载体增强局部光电吸收，同时释放奥拉帕利抑制PARP介导的DNA修复，从而协同激活内源性和外源性凋亡途径，显著增强放射治疗疗效。该研究为图像引导的化学-放射治疗提供了以材料为中心的策略，特别适用于口腔癌等高发区域。

**结论部分翻译**：总之，研究人员开发了一种基于La³⁺/Cr³⁺共掺杂GeO₂纳米颗粒的多功能持久近红外（NIR）发光纳米平台（GOLC@OLA），用于成像引导的口腔癌治疗和放射治疗增强。GOLC纳米颗粒表现出稳定的持久NIR发光，源于Cr³⁺介导的发射和La³⁺调控的陷阱态调制，实现了高对比度光学成像，减少了组织自发荧光和光漂白。在负载奥拉帕利和鱼精蛋白表面修饰后，所得纳米结构展现出高效细胞摄取、良好的肿瘤积累和持续的药物释放行为。生物学研究表明，GOLC@OLA显著抑制口腔癌细胞增殖并增强辐射诱导的细胞毒性。重要的是，包含GOLC+RT和游离奥拉帕利+RT的对照组显示，纳米制剂奥拉帕利比游离药物治疗取得了更优的治疗效果，而GOLC载体本身也参与了放射治疗增强。机制研究进一步证实了联合治疗后DNA损伤积累和凋亡激活的增加，支持了该平台通过PARP抑制介导的DNA修复抑制而实现的放射增敏效应。总之，这些发现确立了GOLC@OLA作为一个多功能纳米诊疗平台，在单一系统中整合了持久NIR成像、药物递送和放射治疗增强。这项工作为图像引导的化学-放射治疗提供了基于材料的策略，并突出了其在未来精准肿瘤学应用中的潜力。