浙大黃飛鶴等人 Angew.：氧氣響應的雙功能Pt(II)金屬籠用于乏氧成像和圖像引導化學治療

【背景介紹】

眾所周知，細胞內氧氣（O₂）是有氧呼吸所必需的，為生命系統提供代謝能量。通常，具有快速增殖和新陳代謝的組織（實體瘤等）可以攝入更多的O₂，從而導致缺氧。因此，檢測和成像活細胞中的乏氧不僅對于準確的癌癥診斷很重要，而且對評估治療效果也非常有用。然而，由于生物還原，檢測還原酶探針的發射是不可逆的，限制了其在可逆監測細胞內O₂水平中的進一步應用。同時，大多數磷光探針基于單磷光染料，單發射強度易被探針的濃度和其它生物條件改變，而相對缺乏準確性和可靠性。因此，開發具有多重發射和磷光特性的新型低氧探針非常重要。超分子配位化合物（SCCs）是一種依賴于金屬受體和路易斯堿性有機配體的自發自組裝的化合物，在模擬和研究天然超分子組裝方面被廣泛關注。目前，精確組裝的各種Pt(II)金屬雜環和金屬載物，被廣泛用于細胞成像等領域。因此，在低氧成像中應用Pt(II) SCCs是有希望的。

【成果簡介】

近日，美國猶他大學的Peter J. Stang教授、浙江大學的黃飛鶴教授和喻國燦、天津大學的王生教授（共同通訊作者）等人報道了一種具有雙重發射和磷光性質的Pt(II)-金屬籠（1），及其在乏氧環境下的成像應用。作者選擇Pt(II)-對-四（4-羧基苯基）卟啉鈉鹽（2）作為磷光配體，因為其在真空氣氛中具有長壽命三重態的強紅色磷光，其強度高度依賴于O₂濃度，是一種敏感的O₂探針。同時，作者利用蒽（3）作為藍色熒光團。兩個配體的組合賦予1敏感的O₂響應紅色磷光和穩定的藍色熒光。該金屬籠還用于體外和體內的低氧成像。對比傳統的單發射式乏氧探針，該金屬籠不僅顯示出可逆和敏感的O₂響應磷光，而且還通過計算紅色和藍色發射之間的比率為乏氧成像和檢測提供了更可靠的標準。此外，作者還利用兩親性二嵌段共聚物包封該金屬籠，以制備出穩定的納米顆粒制劑。該納米制劑的循環時間和腫瘤積累得到顯著改善，有利于成像和治療。體內實驗表明，該材料可作為優異的腫瘤治療劑，用于腫瘤低氧成像和化療，可有效的抑制腫瘤生長，而副作用可忽略不計。總之，本文中的治療性金屬療法可以為增強分子診斷和圖像指導的治療應用提供前景。研究成果以題為“Dual-Emissive Pt(II) Metallacage with Sensitive Oxygen Response for Imaging of Hypoxia and Imaging-Guided Chemotherapy”發布在國際著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文解析】

圖一、金屬籠和納米制劑的制備示意圖
（a）該金屬籠的制備示意圖；

（b）聚合物包裹金屬籠帶形成納米顆粒的示意圖；

（c）乏氧響應發射的化學結構和示意圖。

圖二、單體化合物的化學結構表征
（a-b）化合物2、1和3的部分¹H NMR譜圖；

（d）化合物1的³¹P{¹H}NMR譜圖；

（e）ESI-TOF-MS的計算（紅色）和實驗（黑色）的化合物1光譜。

圖三、單體化合物的光學表征
（a）化合物1、2和3的歸一化UV-vis光譜圖；

（b-c）當用氮氣吹掃時，390 nm和510 nm激發化合物1的熒光光譜；

（d）在吹掃前后，測定丙酮溶液中化合物1的發射波長。

圖四、納米制劑（MNPs）的TEM圖和粒徑尺寸
（a）MNPs的TEM圖像；

（b）MNPs的DLS結果。

圖五、MNPs的細胞實驗
（a）與MNPs或順Pt孵育不同時間后，ICP-MS測定4T1細胞中Pt含量；

（b-c）在不同給藥方式處理后，4T1和A549細胞的細胞存活率；

（d）正常氧或乏氧條件下，Syto 9和MNPs染色4T1細胞的CLSM圖像;

（e）在正常氧或乏氧條件下，4T1細胞中紅色磷光和藍色熒光的定量發射強度。

圖六、MNPs的動物實驗
（a）注射MNPs和順Pt后，血液中Pt含量與時間的關系；

（b-c）注射后,順Pt和MNPs在體內的組織分布；

（d）注射MNPs后，不同大小的荷瘤小鼠的體內熒光圖像；

（e）靜脈注射MNPs 24 h后，不同大小腫瘤的瘤內Pt含量；

（f）針對HIF-1α的抗體，對不同大小腫瘤的切片進行免疫熒光染色。

圖七、不同治療方法對4T1腫瘤小鼠的效果
（a）不同治療方法后，帶有4T1腫瘤的小鼠的腫瘤體積變化；

（b）不同治療方法對帶有4T1腫瘤的小鼠的腫瘤切片進行H＆E染色；

（c-g）用不同配方處理的小鼠的ALT、AST、BUN、CREA和ALP的血液生化測試；

（h）不同治療方法的小鼠體重變化。

【小結】

綜上所述，作者制備了具有藍色熒光和紅色磷光的雙發射金屬籠（1）。通過NMR和MS光譜學研究了金屬籠的化學結構。通過將不同的配體雜化配位在一起，使得該金屬籠具有雙重發射性能。在乏氧條件下，該金屬籠的紅色磷光增強了48倍，而真空時藍色熒光幾乎保持不變。當利用兩親性聚合物包封后，自組裝形成的納米制劑（MNPs）。此外，通過體外實驗表明，利用紅色磷光與穩定藍色熒光之間的比率可以實現更準確的乏氧檢測。同時，MNPs在進行腫瘤乏氧成像和化療時，其循環時間和腫瘤積累都得到改善。總之，該金屬籠作為低氧探針與化學治療相結合，具有高靈敏度、可靠性和抗腫瘤能力。

文獻鏈接：Dual-Emissive Pt(II) Metallacage with Sensitive Oxygen Response for Imaging of Hypoxia and Imaging-Guided Chemotherapy（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202009442）

本文由CQR編譯。

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