科研人员构建出全新的纳米载体靶向效率的高精度可视化评估方法

中国科学院上海药物研究所张继稳团队联合临港实验室殷宪振团队，在《科学进展》（Science Advances）上，发表了题为Cross-scale tracing of nanoparticles and tumors at the single-cell level using the whole-lung atlas的研究论文。该研究基于显微光学断层扫描/荧光显微光学断层扫描系统（MOST/fMOST），在三维空间、单细胞水平上，构建了B16F10小鼠肺转移瘤病理图谱，阐明了纳米载体在肿瘤和临近组织的时空分布规律，定量评价了其在肿瘤组织内的渗透行为及靶向效率。该研究构建了全新的纳米载体靶向效率的高精度可视化评估方法，突破了现有肿瘤成像方法及瘤内纳米载体可视化技术的局限性，为纳米递药系统的设计和开发提供了新策略。

MOST系统在全器官尺度具有较高的分辨率，边切片、边成像，无需特异性标记，通过灰度和形态学差异即可实现多种病理结构的同步可视化。为了分析肺部肿瘤微环境的结构变化，评价生理结构的受损程度，研究基于MOST系统完成全肺肿瘤病理结构的跨尺度同步可视化，在三维空间、单细胞水平上全面地表征肺转移瘤的病理特征，包括对肺气管高精度内窥、解析病灶对周围肺泡挤压和侵袭的规律、全肺图谱内的肿瘤病灶分类以及各阶段肿瘤结构参数的定量分析等。结果表明，肿瘤血管系统在发展过程中经历着显著的三维结构变化，间接影响粒子在瘤内的空间分布。因此，研究肿瘤微环境和异质性的综合影响对认知肿瘤颇为重要，而结构参数的定量有助于更准确地理解复杂的肿瘤微环境（图1）。

进一步，研究以环糊精金属有机骨架为基本单元，设计、制备并表征了可主动靶向肿瘤组织的荧光纳米载体Nano-COF-A488-cRGD。该载体可被多种肺泡组织典型细胞摄取。fMOST系统适用于荧光样本，结合实时碘化丙啶（PI）复染，进行双通道荧光成像。为此，该研究定量考察了Nano-COF-A488-cRGD在肿瘤病灶中的渗透、聚集行为，发现了粒子在全肺瘤内分布与肿瘤内部纤维化程度有关。纳米制剂的肿瘤内渗行为需要依靠肿瘤自身的血管网络，血管结构的形态变化同样会影响粒子的瘤内分布。

纳米制剂的分布和肿瘤结构密切相关，对肿瘤的早期治疗具有重要意义，确认肿瘤血管网的结构有助于优化给药策略。该研究揭示了肺转移瘤的三维结构变化，弥补了跨尺度肿瘤成像分析方法学上的缺失，构建了全新的荧光纳米载体可视化方法，为揭示靶向递送系统的药物分布和药效学评价奠定了坚实基础。MOST系统可采集到淋巴和神经的结构信息、特异性抗体染色结合转基因动物以及荧光标记的肿瘤细胞建模，可通过fMOST系统研究淋巴系统，揭示肿瘤微环境与系统及神经系统的相互作用。同时，此方法还可应用到其他的药物递送载体、疾病模型和给药方式，对跨尺度三维空间、单细胞水平构建肿瘤病理图谱，具有重要意义和广泛需求。

上海药物所MOST及图像融合分析平台参与MOST/fMOST数据收集。本研究中的细胞摄取和定量评价得到国家蛋白质科学中心（上海高等研究院）的支持。研究工作得到战略性国际科技创新合作重点专项、临港实验室开放课题和江西省创新领军人才短期计划的资助。

图1. C57BL/6小鼠全肺图谱血管系统的高精度三维可视化和定量。（A）早期肺转移瘤及其血管系统；早期转移灶血管片段的平直度（B）和分支深度（C）；（D）早期血管片段的分支点；（E）晚期肺转移瘤及其血管系统；晚期转移灶血管片段的平直度（F）和分支深度（G）；（H）晚期血管片段的分支点；（I）肺转移灶（早期-白色，晚期-红色）血管片段结构参数定量分析：平直度、长度、平均直径、分支深度。