A Near-Infrared Phosphorescent Nanoprobe Enables Quantitative, Longitudinal Imaging of Tumor Hypoxia Dynamics during Radiotherapy

近紅外磷光納米探針實(shí)現(xiàn)放療期間腫瘤缺氧動(dòng)態(tài)的定量縱向成像

來(lái)源：Cancer Research, Volume 79, Issue 18, September 15, 2019, Pages 4787-4797

《癌癥研究》第79卷第18期，2019年9月15日，第4787-4797頁(yè)

 

摘要

這篇論文摘要闡述了缺氧在腫瘤對(duì)放療抵抗中的關(guān)鍵作用，研究放療期間缺氧動(dòng)態(tài)對(duì)改善治療計(jì)劃和預(yù)后很重要。作者開(kāi)發(fā)了一種發(fā)光納米探針（RHyLI），由熒光半導(dǎo)體聚合物和鈀復(fù)合物組成，能在狹窄氧范圍（0-30 mmHg O2）內(nèi)對(duì)缺氧細(xì)微變化提供高靈敏度和可逆響應(yīng)。靜脈注射后，探針有效積累并分布在腫瘤中，包括缺氧區(qū)域。通過(guò)700和800 nm發(fā)射比率進(jìn)行定量成像，用于分次放療期間7天內(nèi)的腫瘤缺氧動(dòng)態(tài)成像。結(jié)果顯示，高分次劑量（10 Gy）比低劑量（2 Gy）更有效改善腫瘤再氧合，且效果在較小或更放射敏感腫瘤中持續(xù)更久。第一次分次的再氧合效率對(duì)預(yù)測(cè)放療結(jié)果很重要。

 

研究目的

本研究旨在開(kāi)發(fā)一種新型近紅外比率成像納米探針（RHyLI），用于非侵入性、定量、縱向成像腫瘤缺氧動(dòng)態(tài)，特別是在放療期間，以評(píng)估放療效果、優(yōu)化分次劑量策略，并揭示缺氧動(dòng)態(tài)與腫瘤特征（如大小、放射敏感性）的關(guān)系，從而改善放療計(jì)劃和預(yù)后。

 

研究思路

研究思路首先合成RHyLI納米探針，通過(guò)納米沉淀法將鈀復(fù)合物（氧敏感磷光體）和半導(dǎo)體聚合物（氧不敏感熒光參考）封裝，表征其光物理性質(zhì)和穩(wěn)定性。然后，在體外測(cè)試探針的氧響應(yīng)、可逆性和生物相容性。在動(dòng)物模型中，使用裸鼠移植不同腫瘤細(xì)胞系（如HeLa、H460），通過(guò)靜脈注射探針，利用近紅外成像系統(tǒng)進(jìn)行比率成像（700 nm和800 nm通道）。為驗(yàn)證成像準(zhǔn)確性，使用丹麥Unisense氧微電極直接測(cè)量腫瘤組織氧分壓（PO2），并進(jìn)行相關(guān)性分析。最后，在分次放療場(chǎng)景中，應(yīng)用探針縱向成像缺氧動(dòng)態(tài)，分析劑量、腫瘤大小和類型的影響，并結(jié)合腫瘤生長(zhǎng)數(shù)據(jù)評(píng)估預(yù)測(cè)價(jià)值。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. 納米探針的光物理性質(zhì)和氧響應(yīng)：探針在630 nm激發(fā)下顯示685 nm（參考）和795 nm（氧敏感）雙發(fā)射，氧水平從21%降至0%時(shí)，795 nm發(fā)射增強(qiáng)13.5倍，比率（R795/685）在低氧范圍（0%-4% O2）響應(yīng)顯著（圖1F、G）。意義在于驗(yàn)證探針的高靈敏度和可逆性，使其適合成像腫瘤放療相關(guān)缺氧范圍（<3.9% O2），為定量成像提供基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)來(lái)自圖1。

 

2. 腫瘤內(nèi)探針?lè)植己蜐B透：免疫熒光顯示探針能從腫瘤外周（血管豐富區(qū)）滲透到半外周和中心（缺氧區(qū)），探針濃度在中心降至外周的41%-45%，但相對(duì)于血管密度更高（圖2C-E）。意義在于證實(shí)探針有效到達(dá)缺氧區(qū)域，克服腫瘤異質(zhì)性，確保成像能反映真實(shí)缺氧水平，而非僅血管氧合。數(shù)據(jù)來(lái)自圖2。

 

3. 缺氧成像與氧電極的相關(guān)性：比率成像的均值比率（mean ratio）與Unisense電極測(cè)量的PO2呈線性相關(guān)（ reciprocal of mean ratio vs. PO2），例如在HeLa腫瘤中，PO2范圍1-27 mmHg對(duì)應(yīng)比率變化（圖3L）。意義在于提供定量校準(zhǔn)，將成像信號(hào)轉(zhuǎn)化為實(shí)際氧分壓，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性和臨床轉(zhuǎn)化潛力。數(shù)據(jù)來(lái)自圖3L。

 

4. 放療期間缺氧動(dòng)態(tài)變化：高分次劑量（10 Gy）引起缺氧短暫增加（0.5小時(shí)）后顯著再氧合（24小時(shí)），而低劑量（2 Gy）再氧合效率低；長(zhǎng)期演化顯示高劑量在小型或放射敏感腫瘤中效果持久（圖4C-E）。意義在于揭示放療劑量和腫瘤特性對(duì)再氧合的影響，為優(yōu)化分次方案提供依據(jù)，如高劑量首次分次可改善預(yù)后。數(shù)據(jù)來(lái)自圖4。

 

5. 再氧合效率與治療結(jié)果關(guān)聯(lián)：首次分次的再氧合效率（缺氧減少與增加的比率）高劑量組（1.82）優(yōu)于低劑量組（0.56），且與腫瘤體積增長(zhǎng)負(fù)相關(guān)（圖4G、5G-H）。意義在于強(qiáng)調(diào)首次分次的重要性，為預(yù)測(cè)放療結(jié)局提供新指標(biāo)。數(shù)據(jù)來(lái)自圖4、5。

 

 

結(jié)論

1. RHyLI納米探針能實(shí)現(xiàn)腫瘤缺氧的定量、縱向、可逆成像，覆蓋0-30 mmHg氧范圍，特別適合監(jiān)測(cè)放療動(dòng)態(tài)。

2. 高分次劑量（10 Gy）比低劑量（2 Gy）更有效促進(jìn)腫瘤再氧合，且效果在小型或放射敏感腫瘤中持續(xù)更久。

3. 首次放療分次的再氧合效率是預(yù)測(cè)治療結(jié)果的關(guān)鍵因素，高分次首次劑量可降低長(zhǎng)期缺氧水平，改善腫瘤控制。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense氧微電極（型號(hào)OX-100）測(cè)量腫瘤組織氧分壓（PO2）的數(shù)據(jù)在本研究中具有關(guān)鍵的研究意義。首先，它作為缺氧測(cè)量的金標(biāo)準(zhǔn)，提供了直接、定量的氧分壓值，用于校準(zhǔn)RHyLI納米探針的比率成像信號(hào)。通過(guò)將電極測(cè)量的PO2與成像均值比率進(jìn)行線性關(guān)聯(lián)（圖3L），研究驗(yàn)證了納米探針的準(zhǔn)確性，確保了成像數(shù)據(jù)的可靠性，從而將非侵入性光學(xué)成像轉(zhuǎn)化為可量化的生理參數(shù)。其次，Unisense電極的高空間分辨率（針尖尺寸100 μm）允許在腫瘤不同區(qū)域（如表面到核心）進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量，揭示了腫瘤缺氧的異質(zhì)性，這有助于解釋納米探針成像中觀察到的空間變化。此外，電極數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證探針在體內(nèi)的可逆性，例如在血流阻斷和恢復(fù)實(shí)驗(yàn)中，電極測(cè)量與成像變化一致，證實(shí)了探針動(dòng)態(tài)響應(yīng)真實(shí)缺氧變化的能力。在實(shí)際應(yīng)用中，Unisense電極的測(cè)量彌補(bǔ)了光學(xué)成像可能受組織吸收和散射影響的局限，為研究提供了堅(jiān)實(shí)的基準(zhǔn)，使結(jié)論更具說(shuō)服力。總之，Unisense電極的應(yīng)用不僅強(qiáng)化了納米探針的驗(yàn)證鏈條，還推動(dòng)了缺氧成像向臨床轉(zhuǎn)化，為放療計(jì)劃中的個(gè)性化劑量調(diào)整提供了可靠工具。