iRGD介导纳米载体靶向渗透小鼠乳腺癌组织的SERS成像分析

Optimal design of nanocarrier-based drug delivery system for transtumoral targeting is of pivotal importance in nanomedicine-based cancer treatment. Conjugating to or coadministration with tumor-penetrating peptide iRGD promote accumulation and penetration of nanocarriers into murine tumors. However, there is a request of accurate characterization to evaluate the effect of different experimental design/parameters. In our previous study, we have synthesized surface-enhanced Raman scattering (SERS) labels with high signal intensity for imaging of tumor markers on cultured cells and tissue sections. In this proposal, we plan to fabricate a series of SERS-encoded mesoporous silica nanocarriers, and based on their multiplexing capacity, single-particle detection sensitivity as well as structural/signal stability, we will develop a multi-color tissue imaging method, and systematically study the accumulation/penetration behaviors of nanocarriers while varying parameters such as surface densities/conjugation strategies of iRGD, and ratio/time intervals between iRGD and nanocarriers during coadministration. We will also investigate the mechanism of iRGD-mediated transcytosis by correlative SERS-electron microscope imaging. Based on these studies, we aim to optimize the iRGD-mediated nanocarrier accumulation/penetration and provide guidance for future design of nanocarrier-based drug delivery system with high efficacy.

优化设计纳米药物载体将其靶向递送到肿瘤组织内部是纳米医学领域的重要研究方向。肿瘤穿膜肽iRGD能够促进与其偶联或同时注射的纳米载体在小鼠肿瘤组织聚集并向内部渗透，但目前尚未建立起准确的成像分析方法来对该体系进行系统地考察和优化。我们在前期研究中制备了高信号强度的表面增强拉曼散射（SERS）标签应用于细胞和组织切片上肿瘤标志物的多色成像分析；在本项目中，我们拟采用SERS标签来对介孔硅纳米载体进行编码，利用其多元分析能力、单粒子检测灵敏度及结构和信号的稳定性建立起一种准确的组织多色成像分析方法，系统考察偶联给药体系中iRGD的接枝密度/方式、协同给药体系中iRGD与纳米载体的比例/给药时间间隔等参数对纳米载体在小鼠乳腺癌组织聚集渗透行为的影响，并通过关联SERS-电镜高分辨成像来探讨iRGD介导纳米载体在细胞间进行快速转运的机制，以期为高效纳米靶向药物递送体系的优化设计提供理论指导和依据。

肿瘤渗透肽iRGD能够促进纳米载体在小鼠肿瘤组织聚集并向内部渗透，但目前尚未建立起准确的成像分析方法来对该体系进行系统地考察和优化。表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman spectrum, SERS）成像是近年发展起来的一种振动光谱显微成像技术，可利用金属纳米粒子在激光照射下形成增强的电磁场，对其表面所吸附分子的拉曼信号进行放大。相比于传统的光学成像手段，SERS具有超强的多元编码分析能力、灵敏度高、稳定性好、不易被光漂白、避免组织自发荧光干扰等独特优点。本项目制备了不同尺寸（34 nm、60 nm、108 nm、147 nm）、不同表面修饰（肿瘤渗透肽iRGD、核酸适配体APTMUC1、PEG）的纳米粒子，采用4-mercapto benzoic acid (MBA)、4-mercapto nitrobenzoic acid (MNBA)、2,3,5,6-tetra fluoro-4-mercaptobenzoic acid (TFMBA)、mercaptopyridine (MPY)等分子进行SERS编码，在二维培养乳腺癌细胞、三维培养细胞球、小鼠体内肿瘤组织三个水平考察了纳米粒子尺寸、靶向基团接枝密度和接枝方式等对其在肿瘤组织积聚行为的影响。基于本项目的研究，我们建立起了通过多色SERS成像来准确评价纳米载体在肿瘤组织聚集和渗透程度的光学成像分析方法，考察了尺寸、表面修饰对纳米载体在乳腺癌细胞和组织积聚行为的调控。在体内实验过程中，由于纳米粒子在小鼠肝脏、脾脏大量积聚，造成肿瘤组织中粒子量极少、多色SERS信号检测非常困难，使实际的工作进度比原计划减慢；目前，关于尺寸影响的研究已全部完成，关于表面修饰影响的研究体外实验部分已完成，体内实验还需获取更多数据以进行统计学分析。本项目研究提供了在同一生物样本中对不同实验条件（如尺寸、表面修饰、不同注射时间，纳米载体在不同种类细胞中的分布等）直接进行对比分析的方法，所获得的实验结果对于主动靶向、肿瘤微环境响应靶向纳米载药系统的优化设计具有广泛的指导意义。