第一作者：岳仁叶

通讯作者：宋国胜

通讯单位：湖南大学

论文DOI：10.1038/s41467-024-50688-0.

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该论文设计了一种可激活的余辉/MRI探针，将其作为伴随诊断工具，用于在体内放射治疗期间动态评估生物标志物脱嘌呤/脱嘧啶内切酶1（APE1）的水平变化，进而实现放射治疗疗效的早期预测以及对放疗引发的相关毒性进行有效评估。

背景介绍

放疗广泛用于癌症治疗，但因肿瘤异质性与个体差异，需个性化方案以增强疗效并减少副作用。伴随诊断是一项依据个体对生物标志物的反应定制诊疗策略的新兴技术。然而，基于活检的伴随技术无法解释靶反应和肿瘤异质性的实时变化。成像引导的伴随诊断提供了实时、非侵入性和动态的体内生物标志物状态，超越了体外或离体分析技术的能力。将基于成像的伴随诊断与放射治疗相结合，有可能根据实时生物标志物活性制定个性化剂量处方，解决肿瘤异质性和个体差异带来的挑战。然而，很少有使用分子成像技术进行外束放射治疗伴随诊断的报道。

研究内容

为了实现高灵敏度的余辉成像，作者使用使用富电子的三蒽分子（TA）、半导体聚合物（PFODBT）、PSMA和F127，通过纳米沉淀法合成了余辉纳米粒子（TA NPs）（图1a.b）。观察到，TA纳米颗粒被白光照射后，余晖发光持续时间超过60分钟，延长的半衰期约为15分钟（图1c.d）。通过10个周期的间歇的光照射充电，观测到TANPs的最大余辉强度几乎没有明显衰变（图1e.f），这将有利于长时间和重复的分子成像以及精确量化余辉信号。为合成MRI造影剂，通过芥酸铁和油酸锰热分解制备了超小型 FeMnOx（图1g）。FeMnOx通过进一步修饰转化为亲水性FeMnOx@BHQ-N3。两种纳米颗粒通过点击反应修饰相应的DNA。基于DNA1和DNA2的杂交，作者将TA NPs1与FeMnOx 组装在一起，形成卫星状的纳米探针（图1h）。由于 FeMnOx@BHQ3 的吸收与TA纳米颗粒的余辉发光（图2m）之间存在着光谱重叠，邻近的BHQ3分子通过余辉共振能转移（ARET）来淬灭TA纳米粒的余光信号（图1i.j）。可观察到，随着 FeMnOx-DNA2 和TA NPs-DNA1 之间的组装比的增加，余辉信号降低（图1k.l）。

图1. 纳米探针的装备和表征

由于存在ARET效应，当APE1-probe中双链遇到APE1酶时，DNA1中的AP位点被APE1迅速切割，导致FeMnOx@BHQ3的释放，余辉信号会快速恢复。与此同时，解聚集的，FeMnOx有助于增强t1和t2 的MRI成像对比度（图2a）。进一步研究APE1依赖性的余辉信号恢复，我们用不同浓度的APE1孵育APE1探针，结果显示随着APE1浓度的增加（图2b），余辉发光逐渐增强，说明APE1可以通过切割AP位点，逐步激活APE1探针恢复余辉信号。在0 ~ 4 U/mL范围内，余辉信号的增加与APE1浓度呈近似线性关系。利用公式(3σ/k)计算出APE1酶的检出限为0.0092 U/mL（图2c），该值明显低于大多数用于APE1检测的荧光探针。进一步测试FeMnOx的T1和T2 MRI成像能力，随着APE1浓度的增加，在T1和T2 MRI模型中都表现出双重对比能力。基于此，作者利用差减增强信号的方法，将ΔT1值与ΔT2值之间的MRI信号强度相减，计算出ΔT1 - ΔT2值。与单个T1或T2 MRI信号~104相比，ape1探针的ΔT1 - ΔT2值被显著放大至~105。这种放大的反应信号大大增强了MRI的灵敏度，将APE1的检出限降低为0.16 U/mL。相比之下，使用单个ΔT1值或ΔT2值与APE1相关，其检出限分别为0.36 U/mL和0.27 U/mL。

图2.探针对APE1响应测试

进一步将APE1响应性余辉/MRI探针被设计为一套智能诊断工具，用于在活体雌性小鼠接受放疗期间，对肿瘤的早期反应及毒性进行动态监测。该探针专门针对肿瘤，通过余辉发光和MRI成像实时捕捉APE1的活性状态。值得注意的是，研究表明，该探针所显示的余辉与MRI信号变化与辐射剂量诱导的APE1表达水平、肿瘤内部ROS（活性氧）的产生量、DNA损伤程度以及治疗效果之间均呈现出显著的相关性（图3a）。这一发现使得该探针成为了一种极具价值的伴随诊断工具，能够实时监测肿瘤组织中的APE1水平，为放射治疗结果的早期预测提供重要依据。令人惊喜的是，该探针在检测辐射剂量诱导的APE1表达方面展现出了极高的灵敏度，能够在放疗后仅3小时便迅速捕捉到APE1表达的变化，这一时间点远早于肿瘤体积的明显缩小（需要6天）。此外，APE1响应性余辉/MRI探针还展现出了在评估辐射所致肝器官损伤方面的巨大潜力，它提供了更为灵敏、及时且动态的损伤评估，有效缩短了检测的时间窗口（图3b）。此外，通过MRI成像技术，研究人员还能够进一步探索辐射诱导的远端效应中APE1的水平变化，从而更深入地理解其潜在机制，并据此优化治疗方案（图3c）。这一系列发现不仅拓宽了APE1探针在肿瘤诊疗领域的应用前景，也为提高放疗的精准性与有效性提供了新的思路。

图3. 成像预测个性化放射治疗和评估放疗毒性

总结与展望

综上所述，本研究成功研制了一种APE1激活型余晖/MRI探针，该探针作为伴随诊断工具，能够实时成像放射治疗过程中生物标志物APE1的活性变化。通过将余晖发光与MRI成像技术巧妙结合，实现了成像优势的互补，使得APE1活性的检测既精确又灵敏。与当前方法相比，该探针显著拓宽了信号范围，提升了检测极限，并增强了检测灵敏度。利用双模光成像技术，探针能够直观展现辐射剂量依赖下APE1在癌细胞中的表达情况。成像信号强度的变化与辐射剂量及细胞内APE1水平紧密正相关，为放射治疗结果的早期预测提供了有力依据。此外，该探针还展现出评估辐射诱导肝脏器官损伤及远端效应的潜力，为深入研究放疗增敏效应及其可能的协同治疗策略提供了宝贵见解，进一步推动了肿瘤治疗领域的发展。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50688-0.

作者介绍

岳仁叶，安徽医科大学生物医学工程学院校聘副教授 (原湖南大学博士后)，硕士生导师。研究主要围绕疾病标志物开发纳米探针平台用于分析检测、活体影像和疾病诊疗等。近5年在化学、生物医学、材料领域的国际权威期刊上发表SCI论文21篇，其中以第一作者和通讯作者在Chem、Nat. Commun.、ACS Nano、Nano Today、Coord. Chem.  Rev.、Exploration、ACS Sensors、ACS Appl. Mater.等期刊上发表8篇论文。

宋国胜，湖南大学化学化工学院二级教授。入选教育部“长江学者奖励计划”- 青年项目，湖南省“芙蓉学者奖励计划”特聘教授，科睿唯安“全球高被引科学家”交叉学科。目前主持国家自然科学基金联合基金重点项目等项目。近五年来相关成果以通讯作者身份发表在（包含已经接收）Nature Biomedical Engineering、Nature Photonics,Chem、 Science Advances、Nat. Common.、JACS、Angew. Chem.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Coord. Chem. Rev.等期刊发表多篇论文，其中影响因子 >10 的论文30 余篇。论文总引用 > 10000次。“H-index”为54。