在前期的研究中，史向陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)利用環(huán)糊精（CD）與金剛烷（Ad）的超分子主客體識(shí)別作用，以第五代（G5）PAMAM樹(shù)狀大分子為核、第三代（G3）PAMAM樹(shù)狀大分子為殼構(gòu)建的G5-CD/Ad-G3 CSTDs可用于增強(qiáng)的基因傳遞（J. Mater. Chem. B 2017, 5, 8459），也可作為載體實(shí)現(xiàn)基因和藥物的共遞送達(dá)到癌細(xì)胞的增強(qiáng)的聯(lián)合治療（J. Mater. Chem. B 2020, 8, 2768）。另外，史向陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)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(fù)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(tái)用于增強(qiáng)的體外腫瘤細(xì)胞球的滲透和化療（Nanoscale 2019, 11, 22343）。研究團(tuán)隊(duì)近期還綜述了CSTDs和樹(shù)狀大分子超結(jié)構(gòu)的合成方法及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)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(xì)胞生物學(xué)應(yīng)用。

一直以來(lái)，MR成像技術(shù)因無(wú)創(chuàng)性、高靈敏度、高空間分辨率以及優(yōu)異的3D成像能力而受到研究者的關(guān)注。基于此，史向陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)嘗試構(gòu)建了基于CSTDs的MR造影劑，并與具有相同成分的G5樹(shù)狀大分子造影劑相比較，探索其基于EPR效應(yīng)的腫瘤MR成像的優(yōu)越性。在本研究中，團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)CD和Ad的超分子識(shí)別制備了G5.NH₂-CD/Ad-G3.NH₂ CSTDs，并共價(jià)修飾DOTA配體用于螯合Gd(III)，最后對(duì)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(shí)，為方便后續(xù)比較，研究團(tuán)隊(duì)還合成了單代樹(shù)狀大分子釓螯合物G5.NHAc-DOTA(Gd)。研究結(jié)果表明，合成的兩種材料具有均勻的球形形態(tài)、均一的納米尺寸，較好的穩(wěn)定性和細(xì)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(yīng)高度圖。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)以鼠源乳腺癌細(xì)胞（4T1）為模型，構(gòu)建了3D細(xì)胞球用于模擬動(dòng)物體內(nèi)實(shí)體瘤微環(huán)境以探索和比較FITC標(biāo)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(duì)細(xì)胞球有一定的滲透性，但在相同F(xiàn)ITC濃度下，F(xiàn)ITC-CSTD.NHAc-DOTA(Gd)組在細(xì)胞球內(nèi)部的熒光強(qiáng)度顯著高于G5.NHAc-DOTA(Gd)組，這表明CSTD.NHAc-DOTA(Gd)的滲透能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于G5.NHAc-DOTA(Gd)。

研究團(tuán)隊(duì)還比較了兩種材料的弛豫性能和在體外MR成像中的應(yīng)用，結(jié)果表明，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)及對(duì)照材料G5.NHAc-DOTA(Gd)的MR信號(hào)強(qiáng)度均和Gd含量呈正相關(guān)，在相同Gd濃度條件下，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)顯示出比對(duì)照材料更強(qiáng)的MR信號(hào)強(qiáng)度，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)的r₁弛豫率為7.34 mM^-1s^-1，是對(duì)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(duì)照材料G5.NHAc-DOTA(Gd)相比，能夠大大提升體外癌細(xì)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(xì)胞球6小時(shí)（a, b, c）和12小時(shí)（d, e, f）后的細(xì)胞球熒光成像圖和熒光強(qiáng)度分布統(tǒng)計(jì)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(shí)間點(diǎn)的體內(nèi)MR成像圖和SNR統(tǒng)計(jì)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(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)建立了4T1皮下瘤模型并通過(guò)靜脈注射（圖3）和瘤周注射（圖4）兩種方式對(duì)注射材料前后的荷瘤小鼠進(jìn)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(hào)強(qiáng)度都出現(xiàn)了先增大后減小的現(xiàn)象，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)組的MR信號(hào)強(qiáng)度2.5小時(shí)達(dá)到了最高值，而G5.NHAc-DOTA(Gd)組在1小時(shí)就達(dá)到了最高值，說(shuō)明擁有更高分子量的CSTD.NHAc-DOTA(Gd)具有較長(zhǎng)的血液循環(huán)時(shí)間，從而放大了EPR效應(yīng)，并延長(zhǎng)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(shí)后增加了72.4%，遠(yuǎn)高于對(duì)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(dá)到峰值，然后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低，CSTD.NHAc-DOTA(Gd)組腫瘤部位的MR信號(hào)強(qiáng)度和SNR值在同一時(shí)間點(diǎn)都高于對(duì)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(xiàn)出放大的腫瘤EPR效應(yīng)，達(dá)到增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)還表明CSTD.NHAc-DOTA(Gd)對(duì)小鼠沒(méi)有明顯的體內(nèi)毒性。

圖4. 瘤周注射CSTD.NHAc-DOTA(Gd)（a）或G5.NHAc-DOTA(Gd)（b）前后不同時(shí)間點(diǎn)的體內(nèi)MR成像圖和SNR統(tǒng)計(jì)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(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)top期刊Biomacromolecules (DOI: 10.1021/acs.biomac.1c00262)上。東華大學(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院博士研究生宋聰為第一作者，東華大學(xué)史向陽(yáng)教授、沈明武教授為共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市科委和中央高校研究生創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。

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

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