Her2-функционализированные золотые нанооболочечные магнитные гибридные наночастицы: дуальная US/MR визуализация и таргетированная фоттермическая терапия рака груди

Аннотация

Ранняя, точная диагностика и лечение рака требуют интегрированных тераностических платформ. Здесь мы сообщаем о Her2-функционализированных золотых нанооболочечных магнитных гибридных наночастицах (Her2-GPH NP) на базе PLGA, объединяющих ультразвуковую (US) и магнитно-резонансовую (MR) визуализацию с ближней инфракрасной (НИК) фоттермической терапией (ФТТ) для рака груди. Наночастицы состоят из ядра PLGA, инкапсулирующего перфлуорооктилбромид (PFOB) и сверхпарамагнитные наночастицы оксида железа (SPIO), покрытого золотой нанооболочкой и конъюгированного с анти-Her2 антителами. Тесты связывания с клетками подтверждают рецептор-опосредованное поглощение в Her2-положительных клетках SKBR3 (процент связывания 86 ± 3,7% против 2,3 ± 0,4% в Her2-отрицательных клетках MDA-MB-231, P < 0,001). In vitro частицы обеспечивают высококонтрастную US (динамический диапазон до 2 мг/мл) и T₂-взвешенную MR (релаксивность r₂ = 441,47 мМ⁻¹ с⁻¹), превосходя коммерческие агенты. НИК облучение (808 нм, 1 Вт/см²) повышает локальную температуру на ~18 °C при 0,2 мг/мл и селективно убивает клетки SKBR3 (снижение жизнеспособности 62 ± 4,6%, P < 0,001). Эти результаты демонстрируют Her2-GPH NP как перспективный тераностический инструмент для неинвазивной визуализации и терапии рака груди.

Введение

Рак груди остается ведущей причиной онкологической смертности у женщин во всем мире [1]. Ранняя, точная диагностика критична для снижения смертности [2]. Конвенциональные модальности визуализации, включая US и МРТ, предлагают взаимодополняющие сильные стороны: US обеспечивает реальное время, безопасную, экономичную визуализацию с усиленной чувствительностью через контрастные агенты, но страдает от ограниченного пространственного разрешения; МРТ обеспечивает превосходный мягкотканевой контраст и анатомическую деталь, но при более длительном времени захвата и меньшей чувствительности. Комбинация US и MR может преодолеть эти ограничения и обеспечить точную мультимодальную оценку поражений груди [10].

Тераностика — интеграция диагностики и терапии в одной платформе — обещает персонализированное лечение. Фоттермическая терапия (ФТТ) с использованием НИК лазеров и фотоабсорберов предлагает минимально инвазивную, контролируемую аблиацию опухолей [11–12]. Золотые нанооболочки демонстрируют сильный поверхностный плазмонный резонанс в НИК окне, позволяя эффективное тепловое преобразование при биосовместимости [21]. Однако многие наноплатформы лишают специфических таргетирующих лигандов, ограничивая их клеточное поглощение и терапевтическую эффективность.

Her2 переэкспрессируется в ~25–30% раков груди и коррелирует с агрессивным течением и плохой прогнозом [28–29]. Конъюгация анти-Her2 антител может повысить опухолевую селективность и поглощение. Поэтому мы спроектировали Her2-функционализированные золотые нанооболочечные магнитные гибриды для обеспечения дуальной модальной визуализации и таргетированной ФТТ Her2-положительного рака груди.

Материалы и методы

PLGA (ММ 24–38 кДа, 50:50 лактид:гликолид), PFOB, SPIO и золотые предшественники получены от Sigma-Aldrich, Shanghai So-Fe Biomedicine и Aladdin Chemistry. Анти-Her2 антитела (FITC-маркированные) от Abcam. Синтез включал этап эмульсионно-растворительного испарения масло-в-वоде для инкапсуляции PFOB/SPIO в PLGA, за которым следовала поверхностная функционализация полиаллиламином гидрохлоридом (PAH) для прикрепления цитрат-стабилизированных золотых наночастиц (5 нм). Нуклеация золота индуцировалась гидроксиламиновым восстановлением, формируя нанооболочку, расширяющуюся до ~30 нм. Финальные частицы были ПЭГилированы (SH-PEG-COOH) и активированы EDC/NHS для конъюгации анти-Her2 антител, давая Her2-GPH NP.

Характеризация включала РЭМ и ТЭМ для морфологии, ДЛС для гидродинамического размера и дзета-потенциала, УФ-Виз спектроскопию для оптических свойств, ИСП-АЭС для элементного состава и релаксометрию для T₂ релаксивитета.

In vitro исследования использовали клетки SKBR3 (Her2-положительные) и MDA-MB-231 (Her2-отрицательные) рака груди. Цитотоксичность оценивали тестами CCK-8. Таргетирование оценивали конфокальной лазерной сканирующей микроскопией (CLSM) и проточной цитометрией. Ультразвуковая визуализация использовала систему Mylab Twice (преобразователь LA522) в 2D серой шкале и CEUS режимах; МР визуализация — сканер 0,5 Т с спин-эхо последовательностями. Эффективность ФТТ тестировали НИК лазерным облучением (808 нм, 1 Вт/см²) с последующим живым/мертвым окрашиванием и тестами жизнеспособности CCK-8.

Результаты и обсуждение

Характеризация наночастиц — Ядро-оболочечная структура демонстрировала однородную сферическую морфологию со средним диаметром 248 нм и полидисперсиностью 0,037. После золотого покрытия размер увеличился до 282 нм (PDI 0,18), дзета-потенциал сместился до −31 мВ, указывая на хорошую коллоидную стабильность. ЭДС подтвердило наличие C, O, Fe, Br, Au, а ИСП-АЭС kvantифицировало Au (67,7 м.%) и Fe (2,1 м.%). УФ-Виз спектры показали широкое НИК поглощение (600–900 нм) после роста нанооболочки, необходимое для эффективного фоттермического преобразования.

Фоттермическая производительность — Под 808 нм облучением 0,2 мг/мл раствор Her2-GPH нагрелся на 18,5 °C за 10 мин, против 1,2 °C для воды. Спектр поглощения остался неизменным после облучения, подтверждая фоттермическую стабильность.

Цитотоксичность — Her2-GPH NP демонстрировали пренебрежимую внутреннюю токсичность в обеих линейках клеток (≥90% жизнеспособность до 200 мкг/мл), доказывая биосовместимость.

Эффективность таргетирования — CLSM показал яркую зеленую флуоресценцию на мембранах SKBR3 с Her2-GPH, отсутствующую в MDA-MB-231. Проточная цитометрия выявила 86% связывания с SKBR3 против 2,3% с MDA-MB-231; предварительная блокировка свободным антителом снизила связывание до 3,2%. Эти результаты подтверждают рецептор-опосредованную специфическую таргетировку.

Ультразвуковая визуализация — In vitro растворы Her2-GPH давали сильные CEUS сигналы, с 2,5-кратным увеличением интенсивности при 2 мг/мл по сравнению с 0,1 мг/мл. Кривые времени-интенсивности показывали удержание сигнала до 5 мин. В клетных фантомах SKBR3, обработанные Her2-GPH, демонстрировали значительно более высокие серые значения, чем контрольные, указывая на усиленную молекулярную визуализацию.

МР визуализация — T₂ релаксивитет Her2-GPH составил 441,47 мМ⁻¹ с⁻¹, >2× чем у Feridex (152 мМ⁻¹ с⁻¹). В клетной визуализации SKBR3 с Her2-GPH показали 48% падение сигнала относительно контрольных; MDA-MB-231 остались неизменными, подтверждая селективное усиление контраста.

Таргетированная ФТТ — Окрашивание Calcein-AM/PI и тесты CCK-8 показали, что только Her2-GPH + НИК значительно снизили жизнеспособность SKBR3 (62% снижение), тогда как GPH + НИК или Her2-GPH в одиночку имели минимальные эффекты. Увеличение концентрации наночастиц дальше снизило жизнеспособность (<20% при 200 мкг/мл с НИК). Ко-культурные эксперименты, имитирующие гетерогенную Her2 экспрессию, показали пропорциональную смерть клеток относительной доле SKBR3.

Заключения

Мы спроектировали Her2-функционализированные золотые нанооболочечные магнитные гибридные наночастицы, интегрирующие дуальную модальную US/MR визуализацию с таргетированной НИК фоттермической терапией. Платформа демонстрирует высокую специфичность таргетирования, надежный контраст в обеих модальностях и эффективную аблиацию опухолевых клеток in vitro. Эти результаты закладывают основу для будущих in vivo исследований и потенциальной клинической трансляции точной тераностической системы рака груди.

Доступность данных и материалов

Все наборы данных, сгенерированные и проанализированные, включены в эту статью.

Аббревиатуры

Au NPs

Золотые наночастицы

CCK-8

Набор для подсчета клеток-8

DAPI

4′,6-Диамидино-2-фенилиндол

DI

Дейонизированная

DLS

Динамическое лазерное рассеяние

DMEM

Модифицированная среда Дюльбеко

EDC

Этил-3-(3-диметиламинопропил)карбодиимид

EDS

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

FCM

Проточная цитометрия

FE-SEM

Полемиссионное сканирующее электронное микроскопия

FITC

Флуоресцеин изотиоцианат

GPH NPs

Золотые нанооболочечные магнитные гибридные наночастицы

Her2

Человеческий эпидермальный фактор роста рецептор 2

ICP-AES

Индуктивно связанная плазма атомная эмиссионная спектроскопия

LSCM

Лазерное сканирующее конфокальное микроскопия

MRI

Магнитно-резонансная томография

NIR

Ближняя инфракрасная

PAH

Полиаллиламин гидрохлорид

PFOB

Перфлуорооктилбромид

PLGA

Поли лактид-ко-гликолид

PTT

Фоттермическая терапия

PVA

Поливиниловый спирт

SPIOs

Сверхпарамагнитные наночастицы оксида железа

TIC

Кривая времени-интенсивности

UCA

Ультразвуковой контрастный агент

US

Ультразвуковая визуализация