三维荧光成像技术在靶向治疗GIST肿瘤研究中的应用
分子成像方式的进步可以加速对人类疾病的诊断和治疗，基于此，澳大利亚分子成像学会于2021年6月下旬举办了本年度的学术研讨会，旨在邀请全球范围内的顶尖人员与团队，分享和交流有关分子成像技术在医学与生命科学领域的最新成果与进展。
本次会议以线上方式进行，来自哈佛大学医学院与麻省总医院的Homan Kang博士，围绕团队成功研发的一种“用于肿瘤靶向诊断治疗、且可通过肾脏清除的”纳米平台作了精彩汇报。我们很荣幸地收到了第一手资料，特此进行分享。胃肠道间质瘤（GIST）是胃肠道最常见的间充质恶性肿瘤，手术切除是一种标准的治疗方法，然而，由于肿瘤部位难以进行特异性的造影剂/治疗剂靶向递送，尺寸较小的肿瘤难以通过常规方法进行定位。此外，由于主要器官的高非特异性摄取及背景噪声，导致分子成像难以用于术中指导及活体监测。在此种情况下，Kang博士的团队研发了一种非粘性、肾脏可清除的治疗诊断纳米粒子（H-Dots）来靶向和治疗GIST。
H-Dots不仅能够针对GIST进行近红外（NIR；650-900 nm）荧光图像引导手术，还能够靶向递送抗癌药物伊马替尼（IM），从而有效治疗不可切除的GIST。与游离IM相比，搭载于H-Dots的IM表现出更低的免疫系统摄取，从而提高了药物的肿瘤特异性，增强了肿瘤抑制的效果。
H-Dots治疗诊断纳米平台设计图示
图 1. H-Dots由NIR荧光环糊精与聚赖氨酸组成(ZW800-CDPL±)，两性离子（zwitterionic）表面以及小于肾小球滤过阈值的尺寸（<5.5 nm），赋予其非粘性和肾脏可清除性。H-Dots可进一步与抗癌药物IM形成包合物，将IM递送和释放到GIST肿瘤中。
药物递送与生物分布验证
ZW800-1 NIR荧光染料与IM偶联（该偶联不会干扰IM靶向GIST细胞）后，将IM-ZW或IM-ZW/H-Dot包合物（此种情况下，H-Dot未再与任何NIR荧光团结合）分别注射到荷瘤小鼠体内，注射后24 h进行NIR成像，评估肿瘤靶向性和生物分布。
图 2. IM-ZW在肝脏和脾脏中出现NIR荧光信号，但注射后24 h才定位到肿瘤部位；IM-ZW/H-Dot显示出良好的肿瘤积累效果，多余的IM-ZW/H-Dot被排泄到膀胱中，从而在注射后24 h在肾脏中产生信号。（图示所用缩写为：Tu-肿瘤，Bl-膀胱，Du-十二指肠，He-心，In-肠，Ki-肾脏，Li-肝脏，Lu-肺，Mu-肌肉，Pa-胰腺，Sp-脾。）
体外疗效和动力学研究
体外培养GIST-T1细胞，并以剂量依赖的方式分别用10μM至0.1 nM的IM、H-dot和IM/H-dot复合物处理。孵育24 h后评估细胞活力。
图 3. H-Dot单独处理组中未观察到细胞毒性，且GIST-T1细胞形态表现为正常的细长纺锤形，表明纳米载体本身是安全的。IM和IM/H-Dot处理组表现出显著的剂量依赖性细胞毒性作用。经计算得出IM/H-Dot的半数最大有效浓度（EC50）为4.21 nM，而单独的IM为7.82 nM，表明与游离IM相比，IM/H-Dots能够更有效地将药物递送至肿瘤细胞中。
IM/H-Dot对体内肿瘤的治疗效果利用异种移植GIST小鼠对IM/H-Dot的疗效进行研究，并与游离IM、H-Dot和生理盐水进行比较。通过NIR成像监测治疗剂在肿瘤中的积累、生物分布以及对肿瘤生长的抑制情况。
图 4. A）IM/H-Dot在肿瘤中积累，非靶向IM/H-Dot被排泄至膀胱中。
B）通过相对信号强度变化监测IM/H-Dot的药物递送情况。
C）IM/H-Dot组的肿瘤体积显著低于IM、生理盐水及H-Dot组的肿瘤体积。相对于游离IM，IM/H-Dot显著增强了药物的抗癌功效。
D)14天内每组小鼠的标准化体重，未观察到IM/H-Dot组小鼠体重变化。
基于上述研究结果，Kang博士团队证明了H-Dots系统可用于改善抗癌药物的靶标特异性和药效学特点，提高药物系统对肿瘤部位的选择性，增强其肿瘤抑制效果。
在研究过程中，为确认药物递送系统确实避免了非特异性摄取，可以通过NIR荧光成像来跟踪递送载体和抗癌药物在体内的生物分布情况。对此，Kang博士进一步展示了团队目前利用荧光断层扫描技术获得的NIR三维荧光图像。（所使用的三维光学成像系统于2021年3月安装于哈佛医学院与麻省总医院的戈登医学影像中心，相关的临床实验动物研究工作随即密切展开。）
图 5. 利用FLECT/CT成像系统，Kang博士为目标探头制作了校准曲线，并用来识别在2个不同时间点上、给定FOV中的信号强度。Kang博士表示，只有使用该设备才能获得相关的三维近红外荧光图像与定量分析结果（使用传统的二维光学成像设备无法满足精确定位与定量分析的需求）。
综上，基于H-Dots所设计的治疗诊断纳米粒子，具有极大的应用潜力，并有可能减少常规化学疗法的副作用。而以三维荧光断层技术为代表的下一代分子成像技术，可以有效帮助研究人员获得更加丰富直观的图像数据。我们有理由相信，这些研究可以为开发理想的诊断治疗平台以及推进个性化医疗铺平道路。
更多详细内容，您可以通过访问哈佛大学网站进行查看：https://projects.iq.harvard.edu/bioimaging/optical-imaging-core
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