A Near-Infrared Phosphorescent Nanoprobe Enables Quantitative, Longitudinal Imaging of Tumor Hypoxia Dynamics during Radiotherapy

近紅外磷光納米探針實現放療期間腫瘤缺氧動態的定量縱向成像

來源：Cancer Research, Volume 79, Issue 18, September 15, 2019, Pages 4787-4797

《癌癥研究》第79卷第18期，2019年9月15日，第4787-4797頁

 

摘要

這篇論文摘要闡述了缺氧在腫瘤對放療抵抗中的關鍵作用，研究放療期間缺氧動態對改善治療計劃和預后很重要。作者開發了一種發光納米探針（RHyLI），由熒光半導體聚合物和鈀復合物組成，能在狹窄氧范圍（0-30 mmHg O2）內對缺氧細微變化提供高靈敏度和可逆響應。靜脈注射后，探針有效積累并分布在腫瘤中，包括缺氧區域。通過700和800 nm發射比率進行定量成像，用于分次放療期間7天內的腫瘤缺氧動態成像。結果顯示，高分次劑量（10 Gy）比低劑量（2 Gy）更有效改善腫瘤再氧合，且效果在較小或更放射敏感腫瘤中持續更久。第一次分次的再氧合效率對預測放療結果很重要。

 

研究目的

本研究旨在開發一種新型近紅外比率成像納米探針（RHyLI），用于非侵入性、定量、縱向成像腫瘤缺氧動態，特別是在放療期間，以評估放療效果、優化分次劑量策略，并揭示缺氧動態與腫瘤特征（如大小、放射敏感性）的關系，從而改善放療計劃和預后。

 

研究思路

研究思路首先合成RHyLI納米探針，通過納米沉淀法將鈀復合物（氧敏感磷光體）和半導體聚合物（氧不敏感熒光參考）封裝，表征其光物理性質和穩定性。然后，在體外測試探針的氧響應、可逆性和生物相容性。在動物模型中，使用裸鼠移植不同腫瘤細胞系（如HeLa、H460），通過靜脈注射探針，利用近紅外成像系統進行比率成像（700 nm和800 nm通道）。為驗證成像準確性，使用丹麥Unisense氧微電極直接測量腫瘤組織氧分壓（PO2），并進行相關性分析。最后，在分次放療場景中，應用探針縱向成像缺氧動態，分析劑量、腫瘤大小和類型的影響，并結合腫瘤生長數據評估預測價值。

 

測量的數據及研究意義

1. 納米探針的光物理性質和氧響應：探針在630 nm激發下顯示685 nm（參考）和795 nm（氧敏感）雙發射，氧水平從21%降至0%時，795 nm發射增強13.5倍，比率（R795/685）在低氧范圍（0%-4% O2）響應顯著（圖1F、G）。意義在于驗證探針的高靈敏度和可逆性，使其適合成像腫瘤放療相關缺氧范圍（<3.9% O2），為定量成像提供基礎。數據來自圖1。

 

2. 腫瘤內探針分布和滲透：免疫熒光顯示探針能從腫瘤外周（血管豐富區）滲透到半外周和中心（缺氧區），探針濃度在中心降至外周的41%-45%，但相對于血管密度更高（圖2C-E）。意義在于證實探針有效到達缺氧區域，克服腫瘤異質性，確保成像能反映真實缺氧水平，而非僅血管氧合。數據來自圖2。

 

3. 缺氧成像與氧電極的相關性：比率成像的均值比率（mean ratio）與Unisense電極測量的PO2呈線性相關（ reciprocal of mean ratio vs. PO2），例如在HeLa腫瘤中，PO2范圍1-27 mmHg對應比率變化（圖3L）。意義在于提供定量校準，將成像信號轉化為實際氧分壓，增強數據的可靠性和臨床轉化潛力。數據來自圖3L。

 

4. 放療期間缺氧動態變化：高分次劑量（10 Gy）引起缺氧短暫增加（0.5小時）后顯著再氧合（24小時），而低劑量（2 Gy）再氧合效率低；長期演化顯示高劑量在小型或放射敏感腫瘤中效果持久（圖4C-E）。意義在于揭示放療劑量和腫瘤特性對再氧合的影響，為優化分次方案提供依據，如高劑量首次分次可改善預后。數據來自圖4。

 

5. 再氧合效率與治療結果關聯：首次分次的再氧合效率（缺氧減少與增加的比率）高劑量組（1.82）優于低劑量組（0.56），且與腫瘤體積增長負相關（圖4G、5G-H）。意義在于強調首次分次的重要性，為預測放療結局提供新指標。數據來自圖4、5。

 

 

結論

1. RHyLI納米探針能實現腫瘤缺氧的定量、縱向、可逆成像，覆蓋0-30 mmHg氧范圍，特別適合監測放療動態。

2. 高分次劑量（10 Gy）比低劑量（2 Gy）更有效促進腫瘤再氧合，且效果在小型或放射敏感腫瘤中持續更久。

3. 首次放療分次的再氧合效率是預測治療結果的關鍵因素，高分次首次劑量可降低長期缺氧水平，改善腫瘤控制。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氧微電極（型號OX-100）測量腫瘤組織氧分壓（PO2）的數據在本研究中具有關鍵的研究意義。首先，它作為缺氧測量的金標準，提供了直接、定量的氧分壓值，用于校準RHyLI納米探針的比率成像信號。通過將電極測量的PO2與成像均值比率進行線性關聯（圖3L），研究驗證了納米探針的準確性，確保了成像數據的可靠性，從而將非侵入性光學成像轉化為可量化的生理參數。其次，Unisense電極的高空間分辨率（針尖尺寸100 μm）允許在腫瘤不同區域（如表面到核心）進行點測量，揭示了腫瘤缺氧的異質性，這有助于解釋納米探針成像中觀察到的空間變化。此外，電極數據用于驗證探針在體內的可逆性，例如在血流阻斷和恢復實驗中，電極測量與成像變化一致，證實了探針動態響應真實缺氧變化的能力。在實際應用中，Unisense電極的測量彌補了光學成像可能受組織吸收和散射影響的局限，為研究提供了堅實的基準，使結論更具說服力。總之，Unisense電極的應用不僅強化了納米探針的驗證鏈條，還推動了缺氧成像向臨床轉化，為放療計劃中的個性化劑量調整提供了可靠工具。