Nat. Commun.：低毒納米液態金屬材料用于集藥物控釋、光熱治療、光動治療、抑制鈣通量和光聲成像

【引言】

室溫液態金屬(LMs)是低熔點的一類金屬的簡稱，例如水銀。由于具有獨特的物理化學性質，如高導電率和良好的靈活性，最近在微流體、生物材料等領域具有較廣泛的應用，但是幾乎所有的液態金屬在生物體內都具有較大的毒性，因此急需開發新型的納米載體可以在繼承其優良性質的同時也能克服毒性較大等缺點。

【成果簡介】

近日，日本國家先進工業科學技術研究所Eijiro Miyako教授（通訊作者）設計制備了一種新型的光聚合的液態金屬納米囊，該材料具有較好的水分散性和無毒等性質，并以題為“Light-driven liquid metal nanotransformers for biomedical theranostics”于期刊Nature communications發表研究論文。在生理條件下近紅外光（NIR）照射時，液態金屬納米囊能產生熱量（轉換效率高達52%）和活性氧物質，同時還觀察到納米囊發生變形直至破裂，為藥物非接觸可控釋放提供了新的方法，微流體血管模型和時空靶向的光學操作有助于生物器官和活體小鼠的X射線增強成像。通過利用LMs的物理化學性質，可以有效地消除癌癥細胞和控制細胞間鈣離子通量。此外，在近紅外激光治療的同時，LMs納米囊顯示出活體動物光聲效應，使該系統成為生物成像的有力工具。

【圖文導讀】

圖一：構成LM納米囊的材料及其聚合示意圖

(a) LM納米囊的交聯示意圖

(b) 負載LM納米粒子的兩親性分子結構式及示意圖

圖二：LM納米囊的表征

(a) LM納米囊的懸浮液（LM濃度：115 μg ml^-1）

(b) LM納米囊的TEM圖像，標尺：200 nm

(c) LM納米囊的紫外-可見-近紅外吸收光譜（LM濃度：500 μg ml^-1）

(d) 不同材料不同濃度處理的細胞存活率

(e) 老鼠的存活率變化

(f) 老鼠的體重變化

圖三：激光誘導LM納米囊的形態變化

(a) 785 nm近紅外激光照射5 min前后的LM液滴明場和溫度變化圖

(b) DSPE-PEG₂₀₀₀-Amine-DC和PC-LM溶液在785 nm激光照射下的溫度響應

(c) DSPE-PEG₂₀₀₀-Amine-DC和PC-LM在808 nm激光照射前后光促降解（紅圈表示激光照射的位置）

(d) LM納米囊的TEM圖像

(e) 785 nm激光照射1 min后的LM納米囊的TEM圖像

(f) 785 nm激光照射3 min后的LM納米囊的TEM圖像

圖四：激光誘導LM納米囊的光學變化和藥物控制釋放

(a) 空氣中激光誘導的LM液滴熱膨脹

(b) 1M NaOH中激光誘導的LM液滴熱膨脹

(c) 激光照射前后LM懸浮液的形態學變化

(d) DSPE-PEG₂₀₀₀-Amine-DC和PC-LM溶液在785 nm激光照射30 min前后的ROS產量

(e) 激光誘導包載卡莫夫的LM納米囊的控制釋放

圖五：微流體裝置中LM納米囊的光控轉化

(a) 基于直線微通道的微型設備的實驗系統和設計圖的示意圖

(b) LM納米膠囊在微型設備中的激光誘導轉化的控制力學

(c) 微通道中快速溫度變化

(d) 不同功率激光照射下LM納米囊的溫度變化曲線

(e) 激光持續開-關切換下高精度的溫度循環

(f) 可視化的超快低溫控制

圖六：激光誘導的LM納米囊轉化導致X射線增強成像

(a) 含有不同濃度LM納米囊小瓶的X射線成像

(b) 注射LM納米囊后不同器官的圖像

(c) 注射LM納米囊后不同器官的3D-X射線圖和剖視圖

(d) 注射LM納米囊后的小鼠圖像

(e) 注射LM納米囊后小鼠的3D-X射線圖

圖七：LM納米囊激光照射引起的腫瘤消除

(a) LM納米囊在808激光照射前后的Hela細胞消除實時成像

(b) 不同處理方法下的細胞存活實驗

圖八：腫瘤處的光動治療和光熱治療

(a) 用于靶向腫瘤消除的抗體功能化LM納米膠囊的示意圖

(b) 在腫瘤細胞移植后7天，其左側和右側具有較大腫瘤的小鼠

(c) 用抗EGFR-生物素-抗生物素蛋白-DSEE-PEG₂₀₀₀-Amine-DC (8,9)PC-LM處理3天后（第10天）的小鼠，其左側背部的腫瘤激光照射

(d) 激光照射下相對腫瘤體積大小

(e) 無激光照射下相對腫瘤體積大小

圖九：LM納米囊在激光照射下對細胞的刺激作用

(a) 當暴露于激光源（808nm，133mW，~86μWμm^-2）時，鈣流入ND7/23和HeLa細胞變化

(b) 熒光強度隨時間的變化

(c) 對多個激光照射的響應

圖十：LM納米囊的活體PA成像

(a) 不同波長下LM納米囊的PA信號強度

(b) 激光照射前后活體PA成像的設備圖

(c) LM納米囊在小鼠皮下的PA成像信號圖

(d) 較寬波長范圍內通過抗體表面修飾增強的PA成像信號

(e) 抗體功能化的LM納米囊靶向活體小鼠的腫瘤成像圖

(f) 抗體功能化的LM納米囊在小鼠的腫瘤3D成像圖

【小結】

本文作者設計合成了一種可近紅外刺激響應的LM納米囊，通過引入修飾的脂質體單體，可以將LM納米囊交聯使之穩定。包封的LM納米囊具有較好的水溶性和生物相容性，在近紅外干激光照射下可以發生形態變化，達到藥物控釋的目的，產生熱量和ROS可以殺死腫瘤細胞，還有X射線增強的器官成像作用和PA成像的作用。研究還發現，LM納米囊可以控制細胞間的鈣離子通量。

文獻鏈接：Light-driven liquid metal nanotransformers for biomedical theranostics (Nat. Comm., 2017, DOI: 10.1038/ncomms15432)

本文由材料人編輯部李兵編譯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

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