国家纳米科学中心陈春英、胡志远、钟业腾最新Nature Nanotechnology！

肿瘤细胞的代谢活动对于维持肿瘤生长和恶性肿瘤至关重要。新兴研究强调了不同肿瘤的异质代谢景观，但其内在和外在决定因素尚未完全阐明。肿瘤微环境中这些独特的代谢程序和改变的代谢水平不仅影响癌症行为，还影响针对癌症代谢的药物的功效。因此，体内代谢通量和肿瘤变化的定量评估对于了解参与肿瘤增殖和侵袭的癌细胞的代谢特征具有重要意义。对肿瘤相关血管中氧合血红蛋白饱和度(sO2)状态的体内定量评估可以提供对癌症代谢和行为的深入了解。

鉴于此，国家纳米科学中心钟业腾教授、胡志远教授、陈春英教授联合开发了一种非侵入性体内sO2成像技术，基于近红外IIb（NIR-IIb；1500-1700nm）窗口的光致发光生物成像技术来观察健康组织和肿瘤组织的sO2水平。高帧率（33 Hz）的实时动态sO2成像可通过完整的小鼠头皮/颅骨显示脑动脉和静脉，该成像与血液动力学分析结果一致。利用该无创sO2成像技术，对各种癌症模型的肿瘤相关血管sO2水平进行了评估。在肿瘤发生的早期阶段，肿瘤相关血管的sO2水平与相应癌细胞的基础耗氧率呈正相关，这表明癌细胞会调节肿瘤代谢微环境。研究人员还发现，对检查点阻断癌症免疫疗法的积极治疗反应可导致肿瘤相关血管的sO2水平急剧下降。二重动态近红外-IIb成像可用于同时观察肿瘤血管sO2和PD-L1，从而更准确地预测免疫疗法的反应。相关研究成果以题为“Oxyhaemoglobin saturation NIR-IIb imaging for assessing cancer metabolism and predicting the response to immunotherapy”发表在最新一期《Nature Nanotechnology》上。

【评估血液氧饱和度的幻影成像技术】

作者合成了尺寸约为28 nm的六方相pEr纳米颗粒，具有核壳NaErF4@NaYF4结构。纯NaErF4内核（无额外掺杂剂）被惰性NaYF4外壳包围，以保护NaErF4核免受表面淬火的扰动（图1a）。内部Er3+离子既充当激活剂又充当敏化剂，能够产生近红外-IIb发光，在650 nm、808 nm和980 nm的多个激发波长下，在1550 nm处达到峰值（图1b）。特别是，与脱氧血红蛋白(HbR)相比，氧合血红蛋白(HbO2)在600～800 nm之间的消光系数相对较低，而在800 nm以上则较高，这就是脉搏血氧定量法的基本原理。接下来，作者在650 nm（650-Ex通道）和980 nm（980-Ex通道）激发下对分散在磷酸盐缓冲液（PBS）、小鼠静脉血和动脉血中的pEr纳米探针进行了幻影成像。如图1c所示，静脉和动脉血样的NIR-IIb发光在这两个通道中变化不同。650-Ex/980-Ex（比率650:980）的比率可用于评估sO2值（图1d）。为了提供比率650:980和sO2之间的准确关系，对一系列提取的小鼠血液样本进行了这两个值的体外测量（图1e），实验证实了测量的sO2值的定量可靠性。

用于评估血氧饱和度的NIR-IIb发光pEr纳米探针

【小鼠脑血管系统体内动态sO2成像】

体内动态NIR-IIb sO2成像是通过检测静脉注射的pEr纳米探针在650nm和980nm激光的激发下发出的1550nm荧光（图2a），以高频率（每个通道15毫秒；图2b）交替获取650-Ex和980-Ex通道。每两个相邻的650-Ex和980-Ex图像帧被重组为一个sO2图像帧，形成帧频为33Hz的动态sO2成像片。然后，他们使用这种非侵入性实时动态血管造影来量化和绘制通过完整头皮和头骨的小鼠脑血管的sO2景观（图2c）。原始视频速率NIR-IIb成像还可用于通过绘制图2d中区域1和区域2的NIR-IIb发光强度作为时间的函数来进行血液动力学分析（图2e）。与区域2（绿色曲线）相比，区域1显示出更快的信号增加和更短的到达峰值时间（红色曲线，图2e），表明区域1主要包含动脉，区域2主要包含静脉。相应地，通过NIR-IIbsO2成像测量，1号区域的平均sO2水平为94.8%，远高于2号区域87.9%的平均sO2水平，与血流动力学结果一致。

小鼠脑血管系统体内非侵入性动态SO2成像

【肿瘤相关血管的NIR-IIb sO2成像】

利用体内动态sO2成像技术，作者展示了肿瘤血管中血液灌注的视频速率成像，实时帧率为30 Hz。图3a时程动态 SO 2 成像（650:980 模型）显示 pEr 灌注到 4T1 肿瘤中。TAV-sO2水平在不同癌症中会有所不同吗？为了检验这一假设，作者随机选择另外四个肿瘤模型进行NIR-IIb sO2成像的比较分析（图3b-e）。有趣的是，测得的TAV-sO2水平在每组中分布较窄，但在不同肿瘤类型之间存在差异（图3f）。这些肿瘤模型之间发现TAV-sO2水平存在显着差异（P<0.01），但肿瘤大小没有显着差异，表明TAV-sO2水平可能反映了肿瘤代谢微环境的异质性。作者假设癌细胞的高耗氧率（OCR）可能导致瘤内血管的低血氧饱和度。如图3g所示，癌细胞基础OCR的体外测量显示了一个违反直觉的结果：TAV-sO2水平较高的肿瘤也被发现具有较高的OCR。尽管TAV-sO2水平也受其他宿主基质细胞（如成纤维细胞、巨噬细胞和内皮细胞）线粒体和细胞呼吸的影响，但研究结果表明TAV-sO2水平与癌细胞基础OCR之间存在正相关，这可能表明癌细胞可以模拟肿瘤微环境（例如通过肿瘤血管的血液氧合）以获得自身的偏好和益处，而不是被动地适应周围的生物环境。

不同肿瘤模型的体内sO2成像和TAV-sO2评估

【用于预测免疫治疗反应的二次成像】

NIR-IIb sO2成像技术显示异常的肿瘤相关脉管系统及其氧合条件，与其他肿瘤成像方式相结合，可以促进更准确的癌症诊断和预后。为此，作者利用最近开发的基于铒的NIR-IIb纳米颗粒(ErNPs)设计了一种动态双重NIR-IIb共定位成像策略。基于pEr的sO2成像可以通过使用650:808模型进行，而不受ErNP的干扰（图4a）。同时，基于ErNP的NIR-IIb肿瘤分子成像可以通过940 nm激发实现，无需任何pEr发光（图4b）。接下来，作者将抗PD-L1抗体与ErNPs（ErNPs-aPDL1）偶联，研究PD-L1免疫检查点阻断疗法对肿瘤血管血氧的影响（图4c,d）。对于PD-L1低表达且对PD-L1检查点阻断没有免疫反应的BNL肿瘤，抗PD-L1治疗后测得TAV-sO2值约为91.00%，与未经抗PD-L1治疗的BNL小鼠的91.02%TAV-sO2相比，几乎保持不变（图4e）。动态双重NIR-IIb共定位成像清楚地显示瘤内血管TAV-sO2水平降低，这是一种阳性免疫治疗反应。

使用pEr和ErNP在同一NIR-IIb窗口中进行体内双重肿瘤成像

【总结】

比率成像在肿瘤诊断和治疗的图像引导干预中发挥着重要作用。本文开发了1500-1700 nm NIR-IIb窗口内的活体动态sO2比率成像技术，可正确评估小鼠头部和皮肤完整头皮/颅骨以及肿瘤组织的血红蛋白饱和度，帧频≥30Hz。TAV-sO2水平评估结果表明，癌细胞调节的肿瘤微环境与癌细胞的代谢需求和特性以及肿瘤血管的血液和氧气供应之间的相互作用有关。基于对TAV-sO2水平的精确评估，作者发现，对检查点阻断癌症免疫疗法的有利治疗反应可导致TAV-sO2水平急剧下降。作者还进行了二重动态近红外-IIb共定位成像，以同时获得肿瘤血管sO2成像和PD-L1分子成像。TAV-sO2水平变化的病理生理机制是复杂和多因素的，有待进一步研究。不过，对癌症代谢相关的TAV-sO2水平进行无创动态监测，并结合体内肿瘤PD-L1表达状态评估，有助于更准确地预测免疫疗法的反应和结果。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！