中南大学《SENSOR ACTUAT B-CHEM》：微流控技术制备适配体修饰的脂质体探针用于瞬态三重态差分光声成像
发布日期：2024-09-09
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光声成像（Photoacoustic Imaging, PA）是一种新兴的生物医学成像技术，它结合了光学成像的高空间分辨率与超声成像的深组织穿透能力，能够提供高对比度的组织成像。这种技术依赖于光声效应，即生物组织吸收脉冲激光后产生的瞬时局部加热，进而引发超声波的产生，通过探测这些超声波，可以构建组织内部的高分辨率图像。光声成像因其非侵入性、高灵敏度和深层组织成像能力，已经在肿瘤检测、血氧水平监测、脑功能成像等多个领域显示出巨大的应用潜力。然而，光声成像的效能在很大程度上依赖于造影剂的使用，这些造影剂能够显著增强光声信号，使得特定组织或病变区域的成像更加清晰。
脂质体是一种由磷脂双层组成的纳米载体，能够有效包裹药物或造影剂，延长其在体内的循环时间，并通过表面修饰实现靶向递送。适配体（Aptamers）是一种具有高度特异性和亲和力的小分子核酸片段，能够与靶标分子（如蛋白质、细胞表面受体等）特异性结合。通过将适配体修饰在脂质体表面，可以进一步增强脂质体的靶向性，使其能够精确递送至特定的细胞或组织。在癌症成像中，靶向性对比剂能够显著提高成像的特异性，减少背景噪声，进而改善诊断精度。尽管脂质体和适配体修饰技术在药物递送和成像领域展现了巨大的潜力，但传统的脂质体制备方法（如溶剂注射法、薄膜水化法等）通常面临操作复杂和粒径分布不均等问题。此外，这些方法对脂质体的改性和功能化过程往往耗时且效率低下。相比之下，微流控混合技术能够在微米级通道内实现不同液相的快速混合和反应，从而显著提高脂质体的合成效率与均一性。
近期，中南大学陈泽宇课题组在《Sensors and Actuators B: Chemical》期刊上在线发表题为“Microfluidic-enabled aptamer-modified liposomal probes for targeted transient triplet differential photoacoustic imaging”的原创性论著。该研究探讨了通过微流控技术制备适配体修饰的脂质体探针，并将其应用于瞬态三重态差分光声成像中的方法与成果。研究中使用了摩方精密面投影微立体光刻（PµSL）3D打印技术（nanoArch® S140，精度：10μm），制造了低成本且高效的微流控混合芯片，用于快速合成负载亚甲基蓝的抗PD-L1适配体修饰的脂质体（Apt-MB-Lip）。在体外和体内实验中，制备的Apt-MB-Lip在瞬态三重态差分光声成像中表现出了优异的成像对比度和靶向性，尤其是在小鼠肿瘤模型中显示了较长时间的滞留和高效的肿瘤靶向能力。
首先，作者展示了研究中使用的微流控芯片的设计和脂质体合成流程。通过摩方精密PμSL 3D打印技术，研究者制造了一个低成本的微流控芯片。该芯片用于快速合成负载亚甲基蓝（MB）的抗PD-L1适配体修饰的脂质体（Apt-MB-Lip）。图1中详细展示了微流控芯片的设计参数，包括混合通道和微柱混合区的结构，这些设计确保了脂质体合成过程中的流体精确控制，实现了脂质体的均匀形成和适配体修饰。
图1. 微流控芯片的设计与合成方法。
然后，作者进行了脂质体合成过程中的流体混合模拟与实际实验验证。通过仿真分析和实验验证，研究者优化了不同缓冲液与乙醇流率比（FRR）下的混合效果。
图2. 微流控芯片的性能验证。
作者进一步对比了适配体修饰前后脂质体的物理化学性质，包括粒径、PDI和zeta电位等（图3）。TEM图像显示了脂质体的形态，而UV-Vis光谱分析证实了亚甲蓝在脂质体中的包封效率以及适配体的修饰成功。研究还通过DPBF实验检测了MB-Lip和Apt-MB-Lip在光照条件下的单线态氧生成效率，结果显示Apt-MB-Lip具有更高的单线态氧产率，这表明其在光动力疗法（PDT）中的潜力更大。
图3. 适配体修饰脂质体的表征与光动力效率分析。
接着，作者进行了瞬态三重态差分光声成像（TTD-PA）的系统设计与体外验证实验。体外实验中，研究者通过对不同样本（墨水、MB-Lip、Apt-MB-Lip）的成像，验证了Apt-MB-Lip在TTD-PA成像中的优异性能。
图4. 瞬态三重态差分光声成像系统的设计与体外实验。
最后，作者展示了在Lewis肺癌（LLC）小鼠模型中的体内成像实验。图5展示了TTD-PA成像的实验流程，小鼠接受MB-Lip或Apt-MB-Lip静脉注射后，分别在不同时间点进行成像。结果表明，Apt-MB-Lip在肿瘤区域的滞留时间更长，信号更强，显示出优异的肿瘤靶向能力。
图5. 体内肿瘤靶向成像实验。
本研究通过微流控技术成功制备了适配体修饰的脂质体，并在瞬态三重态差分光声成像中展示了其优异的靶向性和成像能力。研究结果证明，这种新型探针在癌症诊断和治疗中具有良好的应用前景。同时，本文展示的微流控芯片设计和生产工艺也为未来生物医学成像探针的研发提供了可行的低成本解决方案。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.136538
