使用荧光染料进行 体内 成像效果可能因调理作用、快速清除、检测灵敏度低以及对宿主的细胞毒性效应而受到显著限制。通过薄膜水化与挤出法将荧光染料封装于脂质体中,可实现荧光淬灭与保护,从而提高成像性能 体内 具有高检测灵敏度的成像
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使用荧光染料进行 体内 成像效果可能因调理作用、快速清除、检测灵敏度低以及对宿主的细胞毒性效应而受到显著限制。通过薄膜水化与挤出法将荧光染料封装于脂质体中,可实现荧光淬灭与保护,从而提高成像性能 体内 具有高检测灵敏度的成像
光学成像提供了多种诊断方式,作为生物医学成像工具已引起广泛关注。尽管目前已有大量成像技术且仪器设备不断进步,但仍需要高灵敏度的探针用于体内成像。现有临床前荧光探针的一个典型问题是其在体内快速被清除,从而降低了成像灵敏度。为克服快速清除问题,增加靶部位的染料分子数量,并由此降低背景自发荧光,本研究将近红外荧光染料DY-676-COOH封装于脂质体中,并验证其用于体内炎症成像的潜力。已知DY-676在高浓度下具有自猝灭特性。我们首先确定了适合自猝灭的浓度,然后将该猝灭浓度的染料封装到聚乙二醇化(PEGylated)脂质体的水相内腔中。为了验证脂质体的猝灭与激活潜力,我们采用一种强烈的冷冻方法,该方法可破坏脂质体膜结构而不影响所封装的染料。具有高度荧光猝灭特性的脂质体被命名为Lip-Q。通过多种细胞系的实验,我们证明Lip-Q主要通过吞噬作用被细胞摄取,这一机制进而支持其作为工具用于小鼠模型中体内炎症成像的潜力。此外,我们采用酵母多糖诱导的小鼠水肿模型,进一步验证Lip-Q在体内光学炎症成像中的应用潜力。考虑到炎症引起的增强渗透性和滞留效应(EPR)可能导致探针摄取,我们在动物实验中将一种始终发光的脂质体配方(含低浓度、非猝灭型DY-676-COOH,称为Lip-dQ)以及游离的DY-676-COOH与Lip-Q进行了比较。
脂质体已被广泛研究,是临床应用中最具有生物相容性的生物医学药物递送系统之一1,2它们主要由磷脂和胆固醇组成,这两种成分均为生物相容性化合物,可模拟天然细胞膜的部分结构。亲水性物质可被包封在脂质体的水相内部,而疏水性物质则可嵌入脂质体的磷脂双分子层中。3将物质包封于脂质体的水相内腔中可使其免受降解 体内 同时可防止治疗疾病所用的细胞毒性药物(如旨在破坏肿瘤细胞的化疗药物)对宿主系统产生毒性作用。通过聚乙二醇(PEGylation)等聚合物修饰脂质体表面,可进一步延长脂质体在血液中的循环时间 体内 由于空间位阻稳定作用4此外,脂质体能够包封高浓度的多种物质,例如蛋白质5,6,亲水性物质7,8 和酶9因此,它们可作为可靠的临床治疗和诊断工具,值得被批准用于递送阿霉素等细胞毒性药物以进行癌症治疗4由于其具有良好的柔韧性,脂质体还可负载荧光染料,用于诊断及影像引导手术。
荧光成像提供了一种经济且非侵入性的体内诊断工具,但其应用需满足一些基本要求。研究表明,最适合用于体内成像的荧光染料,其特征吸收和发射峰值应位于光散射和组织自体荧光(主要来源于水和血红蛋白)较低的波长范围内。因此,这类探针的吸收/发射最大值通常处于650至900 nm之间10。此外,荧光染料在体外和体内的稳定性至关重要,因为调理作用及快速清除会显著限制其在体内成像中的应用11。其他不利因素,如稳定性差、灵敏度低,或像吲哚菁绿(ICG)所表现出的对靶器官的细胞毒性效应12-16,在设计用于体内成像的探针时也必须予以充分考虑。基于上述发现,目前已有多种临床前近红外(NIR)荧光染料、纳米颗粒以及新技术被积极开发,用于炎症过程、癌症的体内成像以及图像引导手术17-20。尽管大多数临床前近红外荧光(NIRF)染料在体外具有良好的稳定性,但其在体内经肝脏和肾脏的快速灌注与清除仍阻碍了其在疾病及炎症过程的体内光学成像中的广泛应用。
因此,我们提出了一种将荧光染料(如已被充分表征的近红外荧光染料 DY-676-COOH)包封于脂质体中的实验方案。该染料在相对较高浓度下易发生自猝灭21。当浓度较高时,位于彼此 Förster 半径范围内的荧光分子之间会形成 H-二聚体和/或 π-堆积相互作用,从而导致荧光染料分子间发生 Förster 共振能量转移(FRET)。而在低浓度下,荧光分子之间的距离增大,从而阻止了 π-堆积相互作用和 H-二聚体的形成,产生强烈的荧光发射。在高浓度与低浓度之间切换,并伴随荧光的猝灭与激活,是一种可用于光学成像的有前景的策略22。在这方面,将高浓度的近红外荧光染料 DY-676-COOH 包封于脂质体的水相内腔,相较于游离染料,更有利于in vivo成像。该方法的挑战首先在于实现正确的包封,其次在于验证高浓度染料包封所带来的优势。比较猝灭型脂质体、游离染料以及低染料浓度的非猝灭型脂质体制剂的成像特性,是必不可少的步骤。我们通过一种简单但高效的薄膜水化与挤出法,结合反复冻融循环,证明了将处于猝灭浓度的 DY-676-COOH 包封于脂质体中是可行的。其他用于制备脂质体的方法,如逆相蒸发法23和乙醇注射法24,也能实现多种亲水性物质的高包封效率。然而,待包封物质的性质可能影响其包封效率。实际上,本文所介绍的薄膜水化与挤出法在 DY-676-COOH 的包封中表现出最高的效率。为了说明 DY-676-COOH 脂质体包封的优势,我们采用了酵母多糖诱导的水肿模型,该模型可在数小时内研究炎症过程。在此模型中,我们证明了与游离染料或低染料浓度的非猝灭型脂质体制剂相比,包封了高浓度 DY-676-COOH 的脂质体更适用于全身in vivo光学成像以检测炎症过程。因此,本实验方案提供了一种简单快速的方法,用于制备猝灭型荧光脂质体,并验证其在in vitro和in vivo条件下的激活能力与成像潜力。
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注意:所有操作均经地区动物伦理委员会批准,并符合国际关于动物伦理使用的指南。
1. 材料与仪器的准备
2. 验证制备脂质体的荧光淬灭与激活
3. 基于脂质体的 在体 内 炎症的荧光成像
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高浓度荧光染料(如本文所用的近红外荧光染料 DY676-COOH)包封于脂质体的水相内腔时,会导致强烈的荧光淬灭。荧光淬灭是多种荧光团在高浓度条件下常见的现象,该特性可在多个方面加以利用 体内 成像应用中,当需要高灵敏度和对目标区域的可靠检测时,脂质体的使用还可保护染料,这对于 体内 应用。对脂质体进行充分表征十分必要,包括多个因素,如包封染料的水平、脂质体的稳定性与粒径、荧光猝灭以及包封染料的活性。 体外 以及适用性 体内 成像目的。因此,游离染料 DY-676-COOH、淬灭脂质体(Lip-Q)以及包封染料浓度极低的非淬灭脂质体(Lip-dQ)之间的比较尤为关键,特别是对于 在体内 表征
采用薄膜水化与挤出法制备脂质体,并在挤出前进行多次冻融循环,此类脂质体中仍含有未结合的游离染料分子。由于游离染料在凝胶过滤介质中的保留时间较长,而脂质体洗脱较快,因此可通过凝胶过滤有效分离游离染料与脂质体(图1B)。根据凝胶过滤后的稀释程度,可选择性地进行超速离心步骤,以...
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由于脂质体也可作为荧光染料的递送系统,因此可用于靶向疾病的成像。将高浓度的荧光染料(如本研究中使用的近红外荧光染料 DY676-COOH)包封于脂质体内,会导致所包埋染料的荧光发生强烈淬灭。荧光淬灭是多种荧光团在高浓度条件下常见的现象,该特性可在多个方面加以利用 体内 成像应用,其中要求对目标区域具有高灵敏度和可靠的检测能力。使用脂质体还可保护染料,这对于 体内 应用
薄膜水化与挤出技术是一种广泛应用的方法,可根据需要成功制备不同粒径范围的脂质体,并可实现多种修饰,例如包载多种不同的物质25。因此,该方法适用于制备包载近红外荧光染料DY-676-COOH用于成像的脂质体。该方法所得脂质体的囊内染料浓度为600–840 µM,处于该染料的荧光淬灭浓度范围内。用于均质化自组装囊泡分散液的LiposoFast-Basic手动挤出器,由于其装置兼容最大1 ml体积的注射器,适合在小规模实验室中制备脂质体。对于大规模制备,建议使用更大的高压均质器,其可处理每小时高达1,000 L的囊泡分散液。凝胶过滤(尺寸排阻)色谱是一个关键步骤,可...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由以下机构资助: 德国研究基金会资助项目 HI-698/10-1 和 RU-1652/1-1。感谢 Doreen May 提供出色的技术协助,以及感谢德国耶拿 DYOMICS GmbH 公司的大力支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 制备脂质体的材料与设备 | |||
| 卵磷脂酰胆碱 | Avanti Polar Lipids | 840051P | 溶于氯仿中,储存于玻璃小瓶中(214 mg/ml) |
| 胆固醇 | Sigma | C8667 | 溶于氯仿中,储存于玻璃小瓶中(134 mg/ml) |
| 1,2-二硬脂酰基-sn-甘油-3-磷脂酰乙醇胺-N-[甲氧基(聚乙二醇)-2000](铵盐) | Avanti Polar Lipids | 880120P | 溶于氯仿中,储存于玻璃小瓶中(122 mg/ml) |
| 1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷脂酰乙醇胺-N-(7-硝基-2-1,3-苯并噁二唑-4-基)(铵盐) | Avanti Polar Lipids | 810145P | 溶于氯仿中,储存于玻璃小瓶中(2 mg/ml) |
| Sartorius MC1(d = 0.01 mg) | Sartorius AG | Research RC 210 P | 用于称量磷脂 |
| 旋转蒸发仪 | Büchi Labortechnik AG | R-114 | 用于磷脂膜的水合 |
| 水浴锅 | Büchi Labortechnik AG | R-481 | 用于磷脂膜的水合 |
| 真空控制器 | Büchi Labortechnik AG | B-720 | 用于磷脂膜的水合 |
| 真空箱 | Büchi Labortechnik AG | B-177 | 用于磷脂膜的水合 |
| 循环冷却器 | LAUDA DR. R. WOBSER GMBH & CO. KG | WKL 230 | 用于磷脂膜的水合 |
| DY-676-COOH | Dyomics GmbH | 676-00 | 溶于10 mM Tris中,储备液保存于-20°C |
| 三(羟甲基)氨基甲烷 | Applichem | A1086 | 10 mM缓冲液,pH 7.4 |
| 三氯甲烷 | Carl Roth GmbH + Co. KG | Y015.2 | 用于脂质体制备 |
| 超声波破碎仪 | Merck Eurolab GmbH | USR 170 H | 用于脂质体制备 |
| Vortex Genie 2(Pop-off Cup,编号146-3011-00) | Scientific Industries Inc. | SI-0256 | 用于脂质体制备 |
| Sephadex G25 medium | GE Healthcare Europe GmbH | 17-0033-01 | 用于脂质体纯化 |
| 曲拉通X100 | Ferak Berlin GmbH | 505002 | 用于破坏脂质体以进行染料定量 |
| LiposoFast-Basic | Avestin Inc. | 用于脂质体挤出 | |
| 聚碳酸酯滤膜,100 nm(Whatman Nucleopore Trans Etch Membrane,NUCLEPR PC 19 MM,0.1 U) | VWR | 用于通过LiposoFast-Basic进行脂质体挤出 | |
| Fluostar Optima | BMG Labtech | 用于染料定量 | |
| Zetasizer Nano ZS | Malvern | 用于测定脂质体粒径和Zeta电位 | |
| 超速离心机 | Beckmann Coulter GmbH | XL 80 | 用于样品浓缩 |
| 转子 | Beckmann Coulter GmbH | SW 55 TI | 用于样品浓缩 |
| 脂质体评估与光学成像的材料与设备 | |||
| 酿酒酵母来源的Zymosan-A | Sigma | Z4250-250MG | 用于诱导炎症 |
| 等渗盐水(0.9%) | Fresenius GmbH | PZN-2159621 | 用于稀释Zymosan-A |
| 异氟烷蒸发器 | Ohmeda Isotec 4 | 用于动物麻醉 | |
| 异氟烷 | Actavis GmbH | PZN-7253744 | 麻醉剂 |
| Thermo Mat Pro 20 W | Lucky Reptile | 61202-HTP-20 | 用于在麻醉期间保持动物体温 |
| Omnican-F(1 ml注射器) | Braun | PZN-3115465 | 用于探针的皮下和静脉给药 |
| 泛醇眼霜 | Jenapharm | PZN-3524531 | 用于防止动物在麻醉期间眼睛干燥 |
| Hanks平衡盐溶液 | PAA Laboratories /Biochrom AG | L2045 | 不含Mg²⁺、Ca²⁺和酚红,用于探针稀释和细胞洗涤 |
| 8孔细胞培养板 | BD Biosciences | 354108 | 用于细胞培养后显微镜观察 |
| 细胞培养瓶 | Greiner BioOne | ||
| 细胞培养基 | Gibco (life technologies GmbH) | ||
| 胎牛血清 | Invitrogen | ||
| 聚-L-赖氨酸溶液(0.01%,50 ml) | Sigma | P4832 | 用于包被细胞培养板 |
| 封片剂Permafluor | ThermoScientific | S21022-3 | 显微镜封片液 |
| Hoechst-33258 | AppliChem | 显微镜DNA染色剂 | |
| Hera-Safe | Heraeus Instruments | 用于细胞培养的无菌操作台 | |
| HERA cell | Heraeus Instruments | 用于细胞培养的培养箱 | |
| LSM510-Meta | Zeiss | 用于共聚焦显微镜成像 | |
| Maestro-TM活体荧光成像系统 | CRi, Woburn | 用于小型动物全身荧光成像 | |
| 分光光度计(Ultrospec 4300 pro UV) | GE Healthcare | 用于吸光度测定 | |
| 荧光分光光度计(Jasco FP-6200) | Jasco | 用于荧光发射测定 | |
| 动物 | |||
| NMRI小鼠(8-12周龄,雄性) | Elevage Janvier, 法国 | 用于炎症实验 |
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