双模态成像中的光磁纳米粒子及其对细菌的光声动力学活性

背景：由于光穿透深度有限（0.5-2.0mm），由紫外光或可见光激发的单次PDT处理无效[11]。因此，声动力学治疗（SDT）作为PDT的替代方法引起了人们的关注。SDT是基于PDT开发的，通过穿透组织采用类似的治疗机制。与PDT相比，SDT表现出独特的优势，因为SDT的靶细胞器是线粒体和细胞的某种膜结构，比PDT更全面。SDT可以在超声照射（数十厘米）下治疗更深的人肿瘤病灶。虽然SDT的机制尚不清楚，但该方法是增强和补充PDT效率的完美替代方案。血卟啉单甲醚（HMME）是原卟啉的衍生物，通常在可见光和超声照射下用作PDT和SDT的敏化剂。HMME自2016年以来已投放市场并应用于临床。HMME的安全性和效率是有希望的，因为它可以同时实现两种治疗方法。增强PDT的另一种方法是使用上转换纳米颗粒（UCNPs），吸收多个低能近红外（NIR）光子来发射高能可见光或紫外光子，这可以激发PDT敏化剂并避免光穿透的限制。

多功能系统设计的一个重要成就是靶向成像和治疗递送的结合。这种组合允许靶标成像、早期发现和治疗疾病。尽管UCNPs吸收NIR并将NIR辐射转换为UV或Vis，但考虑到其深层组织穿透、低自发荧光、大抗斯托克斯位移、高光稳定性和低毒性等优点，UCNP也被用作生物成像荧光探针。然而，由于组织渗透有限，很难在体内获得准确的解剖和生理信息基于荧光成像。相比之下，X射线计算机断层扫描（CT），磁共振成像（MRI）和正电子发射断层扫描（PET）在不同的空间条件下提供准确的3D解剖信息。因此，结合两种或多种成像方式可以弥补彼此的缺点。氧化铁纳米颗粒，尤其是Fe₃O₄，由于其优异的超顺磁性和生物降解特性，已被用作MRI T2造影剂。

因此，我们设计了一种用于诊断和治疗的核壳多功能纳米平台。Fe₃O₄核心涂有UCNP并用HMME修饰，以同时实现MRI/UCL成像和PDT/SDT。这些Fe@UCNP-HMME纳米颗粒的成像和治疗在体外和体内进行了仔细检查。独特的构造解决了PDT的深度限制，通过PDT和SDT的双重应用提高了治疗效率。此外，双模态成像提供了准确的病灶信息。

Schematic illustration of the synthesis of Fe₃O₄@NaGdF4:Yb:Er-HMME.

Fig. 7. Whole body image of a mouse injected with Fe@UCNP-HMME (at the site marked by red circle) under the excitation of natural light (A) and 980-nm laser (B). (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)

Fig. 9. Bacterial viability of ESBL-producing E. coli (A) and MRSA (B) treated with Fe@UCNP-HMME at different concentrations. The power densities of NIR (980 nm) laser and ultrasound were 1 and 2 W/cm2 x 10 min, respectively.

结果：构建了核壳多功能纳米颗粒，以协同实现诊断和治疗。Fe₃O₄核心负责T2加权MRI成像在体外和体内的出色效率。使用UCNPs作为壳体促进了体内UCL成像，并赋予了这种纳米颗粒双模态成像能力。此外，UCNPs将NIR转化为可见光，以提高PDT的治疗深度。HMME作为PDT和SDT的光敏剂，提高了治疗效率。抗菌实验的结果也验证了Fe@UCNP-HMME的治疗能力。。

参考来源：Wang Z, Liu C, Zhao Y, et al. Photomagnetic nanoparticles in dual-modality imaging and photo-sonodynamic activity against bacteria[J]. Chemical Engineering Journal, 2019, 356: 811-818.