近红外二区小分子有机探针IR-PEG-FA在肝癌术中导航中的应用
2024-10-30徐钰叶高琴李科王雅飞程梓荷董储瑜王珂欣潘奇
摘要:目的" 探讨近红外二区(NIR-II)小分子有机探针IR-PEG-FA(IPF)在肝癌术中导航的应用潜力,并进行体内近红外荧光(NIRF)成像研究和体内外生物安全性评估。方法" 在课题组的研究基础上,通过化学合成方法构建一种靶向肝癌特异性生物标志物的NIR-II小分子有机探针。用MTT法检测该纳米探针对肝癌细胞株BEL-7402、HepG-2、HuH-7及正常肝细胞HL-7702活性的影响;通过溶血实验、急性毒性实验和血生化检测对纳米探针的体内生物相容性进行评估;建立小鼠原位肝癌模型,分为IPF实验组、IP对照组、生理盐水对照组,实验组尾静脉注射IPF,对照组尾静脉分别注射IP和生理盐水,随后利用NIR-II窗口成像技术检测其纳米探针IPF的特异肿瘤靶向性;最后在NIRF操作窗口下进行实时导航切除肝细胞肿瘤。结果" 纳米探针IPF对BEL-7402、HepG-2、HuH-7及HL-7702细胞无明显毒性,溶血率均低于3 %的安全限度,未引起显著红细胞损伤;急性毒性实验中小鼠无异常行为和死亡情况,且对各重要脏器(心、肝、脾、肺、肾)正常结构和功能未产生明显影响;小鼠肝功和肾功血生化指标均在正常范围内;利用IPF纳米探针进行肝肿瘤细胞标记,在NIRF窗口下观察到肝癌细胞的荧光信号,手术后切除区域的荧光信号消失。结论" NIR-II小分子有机探针IPF具有良好的细胞安全性、优异的生物相容性,能够高效地标记肝癌细胞,具备肝癌术中导航潜力,能够为肝癌治疗的相关研究提供借鉴。
关键词:肝细胞癌;近红外二区荧光成像;肝切除术;术中导航
NIR‑II small molecule organic probe IR‑PEG‑FA for intraoperative navigation in hepatocellular carcinoma
XU Yuye1, GAO Qin2, LI Ke3, WANG Yafei1, CHENG Zihe3, DONG Chuyu1, WANG Kexin1, PAN Qi1, 2
1The Second Clinical Medical College of Xi'an Medical College, Xi'an 710000, China; 2Department of Medical Imaging, The Second Affiliated Hospital, Xi'an Medical University, Xi'an 710038, China; 3Institute of Basic and Translational Medicine, Xi'an Medical College, Xi'an 710021, China
Abstract: Objective To explore the potential of IR-PEG-FA (IPF), a near-infrared two-region (NIR-II) small-molecule organic probe, for intraoperative navigation in hepatocellular carcinoma and to perform in vivo near-infrared fluorescence (NIRF) imaging studies and ex vivo and in vivo biosafety assessments. Methods Based on the research of the group, a NIR-II small molecule organic probe targeting specific biomarkers of hepatocellular carcinoma was constructed by chemical synthesis. The effects of the nanoprobe on the activities of hepatocellular carcinoma cell lines BEL‑7402, HepG‑2, HuH‑7 and normal hepatocytes HL-7702 were detected by MTT assay; the in vivo biocompatibility of the nanoprobe was evaluated by haemolysis assay, acute toxicity assay and blood biochemistry assay; the in situ hepatocellular carcinoma model was established in mice, and divided into IPF experimental group, IP control group and saline control group. The experimental group was injected with IPF in the tail vein, and the control group was injected with IP and saline in the tail vein, and the specific tumour targeting of their nanoprobe IPF was subsequently detected by using NIR-II window imaging; finally, real-time navigational resection of hepatocellular tumours was performed under the NIRF operation window. Results The nanoprobe IPF has no obvious toxicity to BEL-7402, HepG-2, HuH-7 and HL-7702 cells, and the haemolysis rate is below the safety limit of 3%, and it did not cause any significant erythrocyte damage; there is no abnormal behaviour or death of the mice in the acute toxicity test, and there is no obvious effect on the normal structure and function of the important organs (heart, liver, spleen, lungs and kidneys); the liver and kidney functions of mice are all within the normal range. Using IPF nanoprobes for liver tumour cell labelling, the fluorescent signals of hepatocellular carcinoma cells were observed under the NIRF window, and the fluorescent signals in the resected area disappeared after the surgery. Conclusion NIR-II small molecule organic probe IPF has good cell safety, excellent biocompatibility, and can efficiently label hepatocellular carcinoma cells, possessing the potential of intraoperative navigation in hepatocellular carcinoma, which provides an idea and a reference for the research related to hepatocellular carcinoma treatment.
Keywords: hepatocellular carcinoma; near-infrared II fluorescence imaging; hepatectomy; intraoperative navigation
肝细胞癌(HCC)在全球恶性肿瘤中位列第四,也是导致癌症死亡的第3大原因[1, 2] 。我国HCC新发病例和死亡人数均居世界之首[3, 4]。根据《中国原发性肝癌诊疗规范(2022年版)》HCC诊疗指南,根治性切除术是HCC潜在治愈手段[5]。然而如何精准区分肿瘤与正常组织的边界是肝癌手术一大挑战,因其关系到能否彻底切除肿瘤的同时保留足够的肝功能,进而减少术后的不良反应和复发风险[6]。目前,超声、CT和MRI是诊断HCC的首选方法,但仍对3 mm以下的微转移病灶及切缘肝癌细胞残余的检测效果并不理想[7]。微转移病灶和阳性切缘是HCC术后复发的主要因素[8, 9]。因此,提高对这些小病灶的检测能力对于降低HCC复发率至关重要[10]。
随着光学诊疗技术的发展,近红外荧光(NIRF)成像技术凭借其无创、实时、敏感度高的优势,在肝癌导航手术中得到广泛的应用[11, 12]。相较于NIR-I,NIR-II的荧光成像技术展现出显著优势,包括更深的组织穿透力、更低的自然组织自发荧光干扰以及更高的空间分辨率[13]。这些特性使得NIR-II成像在肝癌手术导航切除中能够提供更为精确的肿瘤边界信息,极大促进了肝癌的早期检测和精确切除,展现了其在肿瘤诊断和手术导航方面的巨大潜力[14]。值得注意的是,NIR-II有机小分子荧光探针的发展为手术导航带来了新的机遇[15]。吲哚菁绿(ICG)作为已获临床批准的小分子荧光染料,在NIR-II成像领域的临床研究中受到了广泛关注[16]。研究表明,使用ICG染料进行的NIR-II成像在信噪比和分辨率方面优于NIR-I成像[17];有学者开发的可见光/NIR-I/NIR-II多光谱成像仪,使用ICG成功指导了首例NIR-II荧光成像技术引导下的肝癌切除手术[18]。然而,由于缺乏肿瘤特异性靶向性和较短的瘤内滞留时间,仍存在假阳性的风险[19],这限制了ICG的临床应用。有研究通过ICG标记人源化抗GPC3单克隆抗体,开发NIR-II荧光探针GPC-ICG靶向肝细胞癌[20]。有研究设计了一种含有PDA-CaCO的特定肿瘤微环境刺激激活的NIR-II纳米探针(DSNCs@hPCa)上并在空心表面上偶联叶酸(FA)分子靶向肝癌[21]。但既往开发的探针对检测早期小肝癌的能力、在深部组织中的应用效果、在体内长期毒性和生物相容性等方面未能充分研究。因此,当前迫切需要构建一种高特异靶向性、组织穿透效果强、生物安全性好的肝癌NIRF探针,以实现术中实时定位肿瘤边界和发现微小病灶,从而实时引导手术。
本研究在团队前期开发的“S-D-A-D-S”型NIR-II探针IR-PEG的基础上[22],通过在其表面修饰具有靶向性的叶酸分子,旨在构建一种靶向肝癌特异性生物标志物的NIR-II小分子有机探针IPF,验证IPF探针的细胞安全性和生物相容性,并使用肝癌动物模型进行NIRF成像,以评估其在术中导航切除中的应用效果,以期提高肝癌术前诊断准确性和术中切除精确性,从而为肝癌手术治疗提供一种精准的导航技术。
1" 材料与方法
1.1" 新型探针的制备
采用本研究团队合作单位南华大学衡阳医学院分子影像探针实验室的前期合成技术[22]制备IPF探针。首先,将化合物IR-FE(浓度为0.1 mmol/L)和叠氮化钠按1:10溶解在4.5 mL的DMF中。将溶液于70℃加热搅拌5 h。用乙酸乙酯进行两次萃取并通过旋蒸得到粗产物(IR-FE-N3)。然后将40 mg IR-FE-N3与76 mg DBCO-PEG-FA于4 mL的DMF中反应3 h,离心洗涤。最后将得到的产物通过PD-10柱进行纯化,获得纯净的IR-PEG-FA (IPF)纳米探针,IPF的结构(图1)。
1.2" 细胞毒性研究
取对数生长期的3种肝癌细胞株(BEL-7402、HepG-2、HuH-7)和HL-7702正常肝细胞,常规消化处理后制成细胞悬液,并分别接种于96孔板中。随后,将接种好的96孔板置于37 ℃,5% CO2的培养箱中进行培养。待细胞贴壁生长24 h后,弃去孔内的培养液。然后在每孔中加入不同浓度的样品溶液:IPF组(81、27、9、3、1、0 μg/mL)、FA组(9、3、1、0.33、0.11、0 μg/mL)、DOX组(1、0.33、0.11、0.04、0.01、0 μg/mL)。将96孔板置入培养箱中孵育48 h后取出弃去培养液,每孔中加入90 μL完全培养基,然后加入10 μL CCK-8溶液,并再次培养2 h。之后,使用酶标仪测定各孔在450 nm波长下的吸光度值A450 nm,以此评估纳米探针对细胞的潜在毒性。按公式计算各组细胞存活率:细胞存活率(%)=(A实验孔-A空白孔)/(A对照孔-A空白孔)×100%。每组设置3个平行样本。
1.3" 体内生物相容性评估
1.3.1" 溶血测试" "制备2%的红细胞悬液,分为3组:实验组向细胞悬液中分别加入IPF和FA溶液,阳性对照组中分别加入0.1% Triton X-100和蒸馏水,阴性对照组中加入等量生理盐水,将其充分混合后置于放入37 °C恒温培养箱中孵育2 h,置于离心机(10 000 r/min,20℃)离心3 min,然后用等体积的蒸馏水替换上清液,再将其放入恒温保温箱中继续孵育4 h,使用微孔板分光光度计测量各组在540 nm波长处的吸光度OD值,并通过测得吸光度值OD按照以下公式计算溶血率,验证纳米探针是否会引起红细胞溶解反应。
[Hemolysisratio%=ODsample−ODnegative controlODpositive−ODnegative control]
1.3.2" 急性毒性测试" "随机选取12只体质量约为35 g的昆明白雄性小鼠,将其分为IPF实验组和生理盐水对照组,6只/组。IPF实验组将样品IPF浓度稀释至0.75 mg/mL,通过尾静脉注射(200 μL/只)给药,生理盐水对照组通过尾静脉注射生理盐水(200 μL/只)。注射前6 h小鼠禁食禁水,注射后观察2 h。连续14 d观察小鼠有无异常行为,并计算存活率。14 d后对存活小鼠实施安乐死,取各组小鼠的主要器官(心、肝、脾、肺、肾)制备组织切片,并进行HE染色以进行组织学分析。本研究动物实验经西安医学院第二附属医院医学伦理委员会批准(伦理审批号:X2Y202418)。
1.3.3" 血生化分析" "随机选取12只体质量约为35 g的昆明白雄性小鼠,将其分为IPF试验组和生理盐水对照组,6只/组。IPF实验组将样品IPF浓度稀释至0.75 mg/mL,通过尾静脉注射(200 μL/只)给药,生理盐水对照组通过尾静脉注射生理盐水(200 μL/只)。注射48 h后,采集小鼠眼眶血样送至实验室检测其谷丙转氨酶(ALT)、乳酸脱氢酶(LDH)、肌酐(CREA)和尿素(UREA)含量,并对检测结果进行数据分析。
1.4" 原位肝脏肿瘤模型构建
选取2只雄性BALB/c小鼠进行皮下瘤模型的建立,收集已培养的BEL-7402细胞,计数调整为每200 μL里包含1×107个细胞,每只小鼠右侧胯部皮下注射200 μL细胞悬液。待小鼠的皮下瘤生长到直径约为0.7 cm时,用于原位肝癌模型的建立。随机选择20只雄性BALB/c小鼠进行原位肝脏肿瘤模型的建立。无菌条件下提前剖取皮下瘤,用手术刀片将其切割至约1 mm3大小,并浸泡在DEME培养基溶液中,存放在冰盒中备用。异氟烷气体麻醉备皮小鼠,将其仰卧位固定于预先消毒好的手术台上。使用0.2%碘伏充分消毒小鼠腹部, 并铺盖一次性洞巾,上至胸部,下至会阴部。在其剑突右下侧1 cm处行垂直切口,长度为1 cm,依次切开皮下组织及其腹膜,期间观察有无出血并注意及时用棉签压迫止血,用牵开器扩张伤口,打开腹腔、暴露肝。使用无菌棉签将肝左叶轻柔卷出,以10 mL注射器的针头以15 °角刺肝被膜,深度约0.6 cm,无菌棉签压迫8 s止血,取上述一块1 mm3瘤块组织,用5 mL注射器针头经创口植人裸鼠肝左叶被膜下,用电凝刀粘合伤口。将腹膜和皮肤伤口进行消毒缝合后,待小鼠清醒后置于干净的笼子中观察,每日进行伤口消毒并给予高营养饲料。
1.5" 原位肝脏肿瘤荧光成像
随机选取2只建模成功的原位肝癌小鼠尾静脉注射纳米探针IPF(200 μL/只),分别在0、6、12、24、36、48 h进行NIR-II荧光成像(异氟烷吸入麻醉),监测肝脏肿瘤部位的荧光信号变化。
1.6" 原位肝脏肿瘤外科切除
将18只成功建模的原位肝癌小鼠随机分为3组:IPF实验组、IP对照组、生理盐水对照组,6只/组。分别于术前3 d、术前1 d、手术当天、术后10 d对小鼠进行NIR-II荧光成像(异氟烷吸入麻醉),每次成像前约1 d分别进行尾静脉注射纳米探针IPF、IP和生理盐水(200 μL/只),以定位肝脏肿瘤的荧光信号。
在建模后第6天,将各组建模小鼠用异氟烷气体进行持续麻醉,固定在预先消毒好的手术台上,仰卧位固定小鼠四肢。使用0.2%碘伏对小鼠腹部进行充分消毒,并铺盖一次性洞巾,覆盖范围从胸部到会阴部。沿原先的建模伤口依次切开皮肤、皮下组织和腹膜,注意观察有无出血并用棉签及时压迫止血,使用牵开器扩张伤口。使用无菌棉签轻柔地将肝脏肿瘤组织卷出,并用挂线悬吊其尖端。在NIRF操作窗口导航下,使用电凝刀切除荧光信号部分的组织。最后对腹膜和皮肤伤口进行消毒缝合,待小鼠清醒后置于干净的笼子中观察,每日进行伤口消毒并给予高营养饲料。
1.7" 统计学分析
采用SPSS23.0软件进行统计学分析,所有实验至少重复3次,所有符合正态分布的计量资料以均数±标准差表示,两两比较采用t检验。以Plt;0.05为差异有统计学意义。
2" "结果
2.1" 细胞毒性测试结果
MTT检测结果显示BEL-7402(图2A)、HepG-2(图2B)、HuH-7(图2C)、HL-7702(图2D)在所测试的浓度范围内,均未表现出显著的细胞毒性作用。在人正常肝细胞HL-7702中,以DOX作为阳性对照,即使IPF处理组浓度为其81倍时,仍保持了70%以上的细胞存活率,差异有统计学意义(Plt;0.001),对正常肝细胞活力无显著影响。在各个处理组别内(IPF、FA、DOX)对肝细胞的毒性略均随浓度的增加而增大,表现出一定的浓度依赖性增强,但IPF整体呈现较低的细胞毒性。
2.2" 生物相容性测试结果
溶血实验结果显示,阳性对照组的溶血率约为96%,阴性对照组的溶血率为1.09%,纳米探针IPF及其主要成分FA均未引起显著的红细胞损伤,溶血率均低于3%的安全限度(图3A)。急性毒性实验14 d中实验小鼠无异常行为和死亡情况(图3D),且HE染色切片显示对小鼠各重要脏器心肝脾肺肾的正常结构和功能未产生明显影响,无明显毒性迹象(图3C);检测小鼠部分肝功肾功血生化指标,可以发现肝功能(ALT、LDH)和肾功能(CREA、UREA)指标均在正常范围内(图3B)。
2.3" 肝脏肿瘤荧光成像效果
在NIRF窗口下,小鼠尾静脉注射纳米探针IPF后,肝脏肿瘤中的荧光信号强度显著高于周围的健康肝组织。注射后的24 h内,肝脏肿瘤组织内荧光信号强度呈现出时间依赖性的增强趋势,注射纳米探针约24 h后,荧光信号强度达到峰值,随着时间的推移,纳米探针经肾脏和肝脏的代谢排出体外,荧光信号强度进行性下降。注射后探针在肝脏肿瘤中的停留时间长达约48 h(图4A)。
2.4" 近红外窗口下实时引导手术切除
在NIRF成像窗口下,切除肝脏中显示明亮荧光信号的区域,可以观察到切除后组织的荧光信号强度显著降低(图4B)。比较IPF实验组和IP对照组,发现IPF实验组的荧光信号更为明显,且肿瘤边界更加清晰。
3" 讨论
目前临床上公认的HCC潜在治愈治疗手段为手术切除,但术中仅凭外科医生的视觉和触诊,往往不能准确切除微小病灶或者过度切除肝实质,而造成HCC患者术后早期复发或肝功能下降甚至衰竭[23, 24]。NIR-II荧光成像作为一种简便、准确、安全的工具,在术前筛查诊断和术中实时导航展现出极大的优势[25, 26],例如实时、操作简便、敏感度高等。本研究基于此构建的NIR-II小分子有机纳米探针IPF,通过体外实验与体内实验系统评估了其对肝细胞毒性、生物相容性和肿瘤靶向性,细胞毒性实验中纳米探针IPF在4种肝细胞系均表现出较低的毒性,溶血实验中IPF及其主要成分FA均未引起显著的红细胞损伤,溶血率均低于3%的安全限度,急性毒性实验中实验小鼠无异常行为和死亡情况,且HE染色切片显示对小鼠各重要脏器心肝脾肺肾无明显毒性迹象,检测部分肝肾功指标均在正常范围内,影响可忽略。以上实验结果证实IPF具有优异的生物相容性和细胞安全性,而在NIRF窗口下IPF不仅能够特异靶向积聚于肝脏表面病灶,同时也能检测到切缘残留小病灶,具有特异的肿瘤靶向性,有望实现肝癌病灶或切缘的精准定位。
通过荧光来检测病灶是基于肿瘤周围荧光组织与其他非荧光肝组织之间的对比,这意味着探针需要具备特异的肿瘤靶向性,从而实现对肝癌病灶或切缘的精准定位。ICG作为已经通过美国食品药品监督管理局批准的小分子荧光染料,研究表明,其在肿瘤组织中积聚主要是由于肝癌细胞的生物学特性,如高血流量、高代谢活性以及增强的血管生成能力等因素,而ICG本身并不特异靶向肿瘤[27]。而本研究构建的NIR-II小分子有机纳米探针IPF,在肝脏肿瘤内产生强烈的NIR-II荧光信号,在注射24 h达到最大积累水平,随后在肾脏和肝脏的代谢作用下被排出体外,荧光信号下降,这一结果表明纳米探针IPF具有精准的肿瘤靶向性。此外,为了实现使用近红外荧光进行术中精准成像的可行性,关键是要确保探针在体内的富集和滞留,保证在较长时间内可以对肿瘤进行实时成像,这对于需要长时间进行的复杂手术尤为重要。有研究构建的靶向小分子荧光探针SeCF3-IRD800的肝脏肿瘤荧光信号在注射后8 h时达到峰值。随后因探针代谢清除而下降,注射后约24 h完全消失[7]。而本研究中纳米探针IPF在应用于原位肝癌模型时,注射后探针在肝脏肿瘤中停留长达约48 h,这一特性为进行准确的图像引导肿瘤切除手术提供了一个较宽的时间窗,为肝癌手术导航和切除提供了有力的技术支持。
本研究也存在局限性:本研究缺乏术后肿瘤标本病理结果,检测手术切缘肝癌细胞是否残余,可进一步评估纳米探针IPF的肿瘤靶向和术中导航效果。组织穿透深度一直是光学成像中的一个挑战[28],深度增加常导致图像分辨率下降、对比度减弱及信号强度减弱,影响深部肿瘤的成像质量和应用范围。而使用NIR-II荧光成像技术结合其他成像方法(如光声成像和MRI)的一些临床前结果可以补偿穿透深度和改善图像分辨率[29, 31],下一步可尝试采用NIR成像结合MRI、光声成像等多模态成像方法,有望提高临床前期的肿瘤诊断准确性,实现肝癌切除术中实时导航,为未来肝癌诊疗技术发展带来新的突破与进展。
综上,本研究成功制备了一种靶向肝癌特异性生物标志物的NIR-II小分子有机探针IPF,探讨了其在肝癌术中导航领域的应用潜力。IPF凭借其优异的生物相容性和肿瘤靶向成像效果,为术中实时导航提供了更精准的成像手段,这一研究成果有望提高诊断准确性和手术精确性,也为肝癌治疗的相关研究提供借鉴。
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(编辑: 林" 萍)
收稿日期:2024-04-26
基金项目:陕西省科技厅重点研发项目(2021SF-271);陕西省教育厅服务地方专项(22JC056);西安市科技局医学研究一般项目(24YXYJ0188);西安医学院第二附属医院院级课题(24KY0102,24KY0106,24KY0121);大学生创新创业计划训练项目(S202311840014,121524099)
作者简介:徐钰叶,在读本科生,E-mail: 2268176652@qq.com
通信作者:潘" 奇,博士,副主任医师,E-mail: 1287346579@qq.com