半导体聚合物纳米诊疗剂生物成像应用的研究进展

许 煜,邓亚玲,周 端,杨 忠

(1.金陵科技学院智能科学与控制工程学院,江苏 南京 211169;2.有机电子与信息显示国家重点实验室,江苏 南京 210023)

共轭聚合物(conjugated polymer)是近年来兴起的一种新型材料,其主链含有特殊的π-π共轭结构,具有半导体的性质,因此也被称为半导体聚合物(semiconductor polymer)[1-2]。与无机半导体纳米材料相比,半导体聚合物具有结构可调性强、光电性质优异、合成方法简单、生物相容性好等优点,在有机光电子器件、组织细胞成像、生物传感检测等领域得到了广泛应用[3-5]。近年来,生物纳米诊疗剂方面的研究已逐渐成为热点,各种新颖的半导体聚合物纳米诊疗剂已被研制出来,且被应用到疾病诊断、癌症治疗[6-8]、抗菌[9-11]等生物医学领域。

1.1 半导体聚合物纳米粒子的化学结构

图1列举了6种典型的半导体聚合物纳米粒子的化学结构,它们在生物医学领域已得到了广泛的研究。其中聚芴(PFO)、聚对苯撑乙炔(PPE)等聚合物包含芴、噻吩等给体结构,聚芴苯乙炔(PFPV)、聚芴苯并噻二唑(PFBT)、聚芴苯并二噻二唑(PF-BTDBT)等聚合物包含苯并噻二唑、苯并硒二唑等受体结构,

图1 6种典型的半导体聚合物纳米粒子的化学结构

1.2 半导体聚合物纳米粒子的制备方法

为了将半导体聚合物纳米粒子更好地应用于生物医学领域,制备功能多样、性能优良的半导体聚合物纳米粒子已成为关键。目前半导体聚合物纳米粒子的制备方法主要包括纳米沉淀法、微乳液法、自组装法等(图2)。

注：CP表示共轭聚合物，CPNs表示共轭聚合物纳米粒子

1.2.1 纳米沉淀法

纳米沉淀法也称再沉淀法,具体的制备过程为:将溶解在良溶剂(通常是四氢呋喃)中的聚合物,在剧烈超声的条件下，快速加入大量不良溶剂(通常是水)中,从而形成稳定分散在水中的纳米粒子。在制备过程中,聚合物的初始浓度、良溶剂与不良溶剂的比例、温度、超声频率等因素都会影响纳米粒子的形成。纳米沉淀法的制备方法简单、快速,是制备半导体聚合物纳米粒子最常用的方法之一。

1.2.2 微乳液法

微乳液法的具体制备过程为:将聚合物的二氯甲烷或氯仿溶液与添加表面活性剂的水溶液按一定比例混合并作超声处理,随后去除有机溶剂,从而得到分散性良好的纳米粒子。微乳液法制备的纳米粒子尺寸取决于聚合物的初始浓度和水中表面活性剂的浓度。Landfester等首次利用微乳液法制备了荧光半导体聚合物纳米球,并应用到有机光电子器件领域[12]。

1.2.3 自组装法

自组装法的具体制备过程为：将聚合物或其他自组装成分按一定比例溶解在特定的溶剂或水溶液中，搅拌均匀后经简单的离心纯化，得到具有一定功能的聚合物纳米粒子。该制备方法比较简单，被广泛应用于生物医学领域。Yuan等利用自组装法制备了以聚乙二醇(PEG)为亲水基团的聚芴苯并噻二唑(PFVBT)纳米粒子，来负载抗癌药物紫杉醇(PTX)(图3)，对癌症的化疗和光动力治疗起到了明显的作用[13]。

生物成像是利用生物材料的特殊成像性能对生物体形态和结构进行表征观察,进而实现疾病的诊断和治疗[14-16]。传统的生物成像材料包括有机小分子染料[17-18]、荧光蛋白[19]及各类半导体量子点[20]。尽管这些生物成像材料的研制已经取得了一定的进展,但仍存在一些问题,如小分子染料光稳定性问题和半导体量子点潜在的细胞毒性问题等。因此,具有优异的光稳定性和生物相容性的半导体聚合物纳米粒子逐渐成为一类新型的生物成像替代材料[21-24]。根据成像原理,基于半导体聚合物的生物成像方法主要包括荧光成像、磷光成像、光声成像和拉曼成像。

2.1 荧光成像

随着荧光成像技术的快速发展,多通道成像和靶向成像越来越受到人们的青睐。简单的制备方法和多功能的表面修饰赋予了半导体聚合物纳米粒子更多的化学性质和功能,使其更有利于对癌症进行诊断和治疗。Feng等利用具有四种发射波长(蓝、绿、黄、红)的半导体聚合物与聚苯乙烯-马来酸酐(PSMA)共沉降制备了羧基功能化的聚合物纳米粒子;在单一波长(360 nm)激发时,通过多步荧光共振能量的转移,产生了全可见光吸收和发射的多色半导体聚合物纳米粒子，并在半导体聚合物纳米粒子的表面偶联相应抗体,实现了对MCF-7人乳腺癌细胞的特异性靶向荧光成像(图4)[25]。

(a)半导体聚合物纳米粒子荧光探针的制备和功能化

细胞特定的结构如细胞膜、细胞质等通过荧光成像,能够顺利地进行数据可视化和生物分析。Li等将一种小分子药物普乐沙福(PLE)连接到半导体聚合物纳米粒子表面用于细胞膜荧光成像。PLE可以特异性地靶向跨膜CXCR4蛋白以避免被细胞摄取内吞，实验结果表明,设计制备的靶膜半导体聚合物纳米粒子可以有效地对肿瘤细胞膜进行荧光成像和定位[26]。

在特定的生物学或病理学研究过程中,细胞治疗方法的优化对细胞无创标记和追踪检测非常重要。半导体聚合物纳米粒子具有光学性质优异、细胞毒性低及细胞内滞留时间长等优点,因此在不破坏细胞生理活动的条件下,可以对细胞进行长期的荧光成像追踪。Pu等制备了磷酰胆碱包覆的近红外半导体聚合物纳米粒子,用于标记和追踪体内的细胞(图5)[27],其制备的聚合物纳米粒子尺寸大约为35 nm,有利于在细胞内滞留;在近红外区域激发该聚合物纳米粒子,使得荧光信号在体内更容易穿透组织。经验证,制备的聚合物纳米粒子在30 min内可有效标记细胞,并能在细胞内滞留5 d。此外,荧光成像在小鼠体内的应用也取得了非常好的效果。

注：PFODBT表示无规共聚物，DPPC表示二棕榈酰磷脂酰胆碱，SPNG表示PFBT的纳米粒子，SPNR表示PFODBT的纳米粒子，SPNRD表示PFODBT和DPPC共沉淀制备的纳米粒子

近红外二区(1.0～1.7 μm)荧光成像是近年来兴起的荧光成像方法,其发光窗口具有较长的波长,能穿透较深的体内组织,能有效避免自发荧光的干扰。半导体聚合物纳米粒子具有结构多样性特点,能通过调节共轭单元的种类,轻松地将聚合物的发射波长调节至近红外二区。Hong等制备了一种给、受体半导体聚合物纳米粒子,发射波长在1 050～1 350 nm内可调。他们利用磷脂聚乙二醇对纳米粒子进行非共价官能化,使得该纳米粒子具有优异的水溶性和生物相容性,从而首次应用于体内近红外二区荧光成像[28]。随着研究的不断深入,越来越多基于半导体聚合物的近红外二区荧光成像肿瘤治疗技术被研制出来。Dai等利用半导体聚合物纳米粒子,通过饥饿介导的增敏策略,实现了对肿瘤的诊疗(图6)[29]。

注：DSPE-PEG500-FA表示二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇-叶酸，DPQ表示吡咯并吡咯二酮-喹喔啉，2DG表示2-脱氧D-葡萄糖，NIR表示近红外线，PTT表示光热治疗

2.2 磷光成像

尽管荧光成像技术的用途很广,但不能辨别生物体组织的自发荧光,而磷光成像在区分自发荧光方面具有较大的优势。磷光成像的寿命(ms)比生物体自发荧光的寿命(ns)长,可以持续发光几分钟乃至数小时。在实际应用中,磷光成像技术可以不用特殊的仪器就能轻易地区分出生物体的自发荧光[30]。Palner等制备了含有近红外持续发光和荧光发射的半导体聚合物纳米粒子,用于小鼠体内的磷光成像[31],该研究是首次将半导体聚合物纳米粒子应用于磷光成像(图7)。

注：MEH-PPV表示2-甲氧基-5-(2′-乙基己氧基)-1，4-苯撑乙烯撑，PS-PEG-COOH表示聚苯乙烯-聚乙二醇-羧基

2.3 光声成像

光声成像是生物成像领域近年来刚兴起的一种非侵入性成像方式。其成像原理为:聚合物纳米粒子吸收光能并转换成热能,导致周围温度上升出现组织膨胀,进而产生超声波,通过检测超声波的分布,来构建组织体内材料吸收的图像[32-34]。与传统的荧光成像和磷光成像相比,光声成像结合了光学成像和超声成像技术,检测的对象为超声信号而非光子,因而具有较高的空间分辨率和较深的组织穿透能力。

用于光声成像的材料主要包括内源性和外源性材料。在生物体中,血红蛋白和黑色素等内源性分子因具有一定的光声成像能力,常被用作光声成像的造影剂[35-37],但是,这些内源性分子会吸收可见光区的光,造成较强的光散射,进而影响成像的精确度。为了避免这些问题,进一步提高光声成像的性能,研究者们研制出了一些外源性光声成像材料,如金属纳米粒子[38]、碳纳米粒子[39]、卟啉衍生物[40]、小分子有机染料等[41]。半导体聚合物纳米粒子因具有光学性能优异、光谱可调性强、生物相容性好等优点,已成为新一代光声成像造影剂的最佳选择。Liu等设计合成了半导体聚合物聚芴并二噻吩噻唑喹喔啉(PFTTQ),并将其封装到二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇2000(DSPE-PEG2000)中,该合成聚合物纳米粒子在近红外区显示出优异的光声信号和良好的光稳定性,从而实现了在裸鼠模型脑血管的光声成像(图8)[23]。

注：THF表示四氢呋喃,PA表示光声成像

近红外二区的荧光成像由于减少了光子散射,从而有效避免了生物组织中自发荧光背景的干扰。目前用于光声成像的半导体聚合物纳米粒子主要集中在近红外一区,为了进一步提高光声成像的性能,近红外二区光声成像也开始进入人们的视野。Jiang等设计制备了一种宽吸收的半导体聚合物,经过聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌共聚物(PEG-b-PPG-b-PEG)表面修饰后用于近红外一区和二区光声成像。该纳米粒子从可见光区到近红外二区都有较长的吸收波长,最长的吸收波长为1 253 nm,因而在可见光区、近红外一区和二区都有较强的光声信号(图9)[42]。小鼠脑血管的光声成像比较结果表明，半导体聚合物纳米粒子在近红外二区(1 064 nm)的光声信号要强于近红外一区(750 nm),说明该聚合物纳米粒子在近红外二区光声成像的潜力巨大。Ding等设计制备了一种用于体内深层组织光声成像的半导体聚合物纳米胶束,进一步推动了半导体聚合物在光声成像领域的发展[43]。

注：SPN表示半导体聚合物纳米粒子,SP表示半导体聚合物

2.4 拉曼成像

拉曼成像作为另一种具有较高对比度的成像技术也开始被人们关注。拉曼成像速度快、分辨率高,被认为是最有前途的细胞成像方法之一。据报道,包含炔基基团的聚对苯撑乙炔(PPE)半导体聚合物及其衍生物显示出较强的拉曼信号[44]。为了进一步探索半导体聚合物的拉曼成像能力,Li等研究了几种具有不同骨架结构的聚合物拉曼光谱,然后制备了相应功能的纳米粒子,并应用于活细胞的拉曼成像,该研究首次实现了半导体聚合物在细胞层面的拉曼成像(图10)[45]。

注：DSPE-PEG-MAL表示二棕榈酰磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇-马来酰亚胺

综上所述,半导体聚合物纳米粒子具有结构可调性强、光学性能优异和生物相容性好等优点,逐渐成为纳米生物医学、生物成像领域的研究热点之一。综合考量纳米诊疗剂的安全性和治疗效果,表明半导体聚合物纳米诊疗剂的设计与开发对推动纳米诊疗剂的发展具有重要意义。

近年来,尽管半导体聚合物纳米成像材料不断推陈出新,但应用于临床的研究却相对较少,这主要是由于半导体聚合物纳米粒子在人体内的代谢机理尚不明确,其稳定性和生物安全性还有待研究。因此,在半导体聚合物纳米诊疗剂生物成像的后续研究中,应将多种成像诊疗手段整合到一个纳米平台,制备出功能多样、尺寸可控、结构稳定、安全可靠的半导体聚合物纳米诊疗剂,并对其在生物医学领域的多样化应用进行研究。

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