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  由于實體瘤組織的高滲透長滯留（Enhanced permeability and retention effect，EPR）效應，納米顆粒/藥物常具有明顯的腫瘤蓄積能力，因此納米顆粒/藥物成為了診斷、治療甚至根除腫瘤的常用手段。開發具有增強的被動腫瘤靶向作用的納米平臺對癌癥納米醫學應用至關重要。各種納米平臺如脂質體、樹狀大分子、納米凝膠、膠束等已廣泛應用于基于EPR效應的癌癥成像和治療。

  在眾多納米平臺體系中，樹狀大分子是一類高度支化的、三維立體結構的單分散大分子，具有從核心以迭代方式向外延伸的樹枝狀楔形物。樹狀大分子獨特的物理、化學和生物學特性為人類健康納米醫學的發展提供了重要手段。其中，聚酰胺-胺（Poly(amidoamine), PAMAM）樹狀大分子具有與蛋白質相似的結構，并且由于其具有良好水溶性、非免疫原性和易官能化等特點，已被廣泛應用于生物醫學研究領域。

  一般而言，低代樹狀大分子更容易合成，但具有相對更高分子量和納米尺寸的高代樹狀大分子（G4或更高）卻顯示出更好的基因轉染效率、載藥量以及滲透能力。然而，樹狀大分子代數越高，合成步驟就越繁瑣，純化也相對困難，其價格也相對比較昂貴，從而限制了其有效的腫瘤治療和成像應用。為了克服單代樹狀大分子的局限性，研究者開發了以高代樹狀大分子為核、低代樹狀大分子為殼的核殼結構樹狀大分子（core-shell tecto dendrimers, CSTDs），不僅保持了與高代樹狀大分子相似的特性，而且合成簡單，操作方便。

  在前期的研究中，史向陽教授團隊利用環糊精（CD）與金剛烷（Ad）的超分子主客體識別作用，以第五代（G5）PAMAM樹狀大分子為核、第三代（G3）PAMAM樹狀大分子為殼構建的G5-CD/Ad-G3 CSTDs可用于增強的基因傳遞（J. Mater. Chem. B 2017, 5, 8459），也可作為載體實現基因和藥物的共遞送達到癌細胞的增強的聯合治療（J. Mater. Chem. B 2020, 8, 2768）。另外，史向陽教授團隊還基于CD與苯并咪唑（BM）的主客體自組裝作用，將BM修飾的乙酰化G3作為殼組分組裝到CD修飾的乙酰化G5表面，并將形成的G5.NHAc-CD/BM-G3.NHAc CSTDs作為載體負載抗癌藥物阿霉素（DOX），利用CD/BM的酸敏感特性，將CSTDs/DOX納米平臺用于增強的體外腫瘤細胞球的滲透和化療（Nanoscale 2019, 11, 22343）。研究團隊近期還綜述了CSTDs和樹狀大分子超結構的合成方法及其生物醫學應用（Bioconjugate Chem. 2021, 32, 225；Coord. Chem. Rev. 2020, 421, 213463）。然而，不足的是，CSTDs目前僅僅局限于體外細胞生物學應用。

  一直以來，MR成像技術因無創性、高靈敏度、高空間分辨率以及優異的3D成像能力而受到研究者的關注。基于此，史向陽教授團隊嘗試構建了基于CSTDs的MR造影劑，并與具有相同成分的G5樹狀大分子造影劑相比較，探索其基于EPR效應的腫瘤MR成像的優越性。在本研究中，團隊首先通過CD和Ad的超分子識別制備了G5.NH₂-CD/Ad-G3.NH₂ CSTDs，并共價修飾DOTA配體用于螯合Gd(III)，最后對CSTDs表面剩余氨基乙酰化，獲得G5.NHAc-CD/Ad-G3.NHAc-DOTA(Gd)（CSTD.NHAc-DOTA(Gd)）（圖1a）。同時，為方便后續比較，研究團隊還合成了單代樹狀大分子釓螯合物G5.NHAc-DOTA(Gd)。研究結果表明，合成的兩種材料具有均勻的球形形態、均一的納米尺寸，較好的穩定性和細胞相容性。CSTD.NHAc-DOTA(Gd)粒徑約為9 nm，而G5.NHAc-DOTA(Gd) 約為6.2 nm（圖1）。

圖1. （a）CSTD.NHAc-DOTA(Gd)的合成示意圖;（b，c）CSTD.NHAc-DOTA(Gd)和（d，e）G5.NHAc-DOTA(Gd)的AFM圖和相應高度圖。

  隨后，研究團隊以鼠源乳腺癌細胞（4T1）為模型，構建了3D細胞球用于模擬動物體內實體瘤微環境以探索和比較FITC標記的CSTD.NHAc-DOTA(Gd)或G5.NHAc-DOTA(Gd)的滲透能力。如圖2所示，兩種材料均對細胞球有一定的滲透性，但在相同FITC濃度下，FITC-CSTD.NHAc-DOTA(Gd)組在細胞球內部的熒光強度顯著高于G5.NHAc-DOTA(Gd)組，這表明CSTD.NHAc-DOTA(Gd)的滲透能力遠遠優于G5.NHAc-DOTA(Gd)。

  研究團隊還比較了兩種材料的弛豫性能和在體外MR成像中的應用，結果表明，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)及對照材料G5.NHAc-DOTA(Gd)的MR信號強度均和Gd含量呈正相關，在相同Gd濃度條件下，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)顯示出比對照材料更強的MR信號強度，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)的r₁弛豫率為7.34 mM^-1s^-1，是對照材料G5.NHAc-DOTA(Gd)（4.92 mM^-1s^-1）的1.5倍，也是臨床Magnevist（4.56 mM^-1s^-1）的1.6倍。此外，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)與對照材料G5.NHAc-DOTA(Gd)相比，能夠大大提升體外癌細胞的MR成像效果。

圖2. 用FITC-CSTD.NHAc-DOTA(Gd)或FITC-G5.NHAc-DOTA(Gd)孵育4T1 3D細胞球6小時（a, b, c）和12小時（d, e, f）后的細胞球熒光成像圖和熒光強度分布統計圖。其中，比例尺為50 μm，a、d代表FITC-CSTD.NHAc-DOTA(Gd)組，b、e代表FITC-G5.NHAc-DOTA(Gd)組。

圖3. 靜脈注射CSTD.NHAc-DOTA(Gd)（a）或G5.NHAc-DOTA(Gd)（b）前后不同時間點的體內MR成像圖和SNR統計圖（c）。白色箭頭指向腫瘤部位；注射的材料均溶解在PBS中，[Gd] = 5 mM，用量100 μL/每只。

  進一步地，研究團隊建立了4T1皮下瘤模型并通過靜脈注射（圖3）和瘤周注射（圖4）兩種方式對注射材料前后的荷瘤小鼠進行了MR成像。靜脈注射后，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)及G5.NHAc-DOTA(Gd)組的小鼠腫瘤部位MR信號強度都出現了先增大后減小的現象，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)組的MR信號強度2.5小時達到了最高值，而G5.NHAc-DOTA(Gd)組在1小時就達到了最高值，說明擁有更高分子量的CSTD.NHAc-DOTA(Gd)具有較長的血液循環時間，從而放大了EPR效應，并延長了材料在腫瘤部位的積聚。與注射前的SNR值相比，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)在腫瘤部位的MR SNR值在注射2.5小時后增加了72.4%，遠高于對照組G5.NHAc-DOTA(Gd)的SNR增加情況（增加了57.2%）。瘤周注射兩種納米材料后，腫瘤的MR SNR均在注射后3 h達到峰值，然后隨著時間的延長而逐漸降低，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)組腫瘤部位的MR信號強度和SNR值在同一時間點都高于對照組G5.NHAc-DOTA(Gd)，這也是歸因于CSTD.NHAc-DOTA(Gd)比G5.NHAc-DOTA(Gd)具有更好的滲透性和更高的r1弛豫率。總之， CSTD.NHAc-DOTA(Gd)表現出放大的腫瘤EPR效應，達到增強腫瘤MR成像的效果。此外，組織分布以及器官切片H&E染色實驗還表明CSTD.NHAc-DOTA(Gd)對小鼠沒有明顯的體內毒性。

圖4. 瘤周注射CSTD.NHAc-DOTA(Gd)（a）或G5.NHAc-DOTA(Gd)（b）前后不同時間點的體內MR成像圖和SNR統計圖（c）。白色箭頭指向腫瘤部位；注射的材料均溶解在PBS中，[Gd] = 5 mM，用量100 μL/每只。

  以上研究以“Core-Shell Tecto Dendrimers Enable Enhanced Tumor MR Imaging through an Amplified EPR Effect”為題，發表在美國化學會top期刊Biomacromolecules (DOI: 10.1021/acs.biomac.1c00262)上。東華大學化學化工與生物工程學院博士研究生宋聰為第一作者，東華大學史向陽教授、沈明武教授為共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、上海市科委和中央高校研究生創新基金等項目的資助。

  文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c00262