Biomimetic bright optotheranostics for metastasis monitoring and multimodal image-guided breast cancer therapeutics

• DOI: 10.1016/j.jconrel.2024.01.056
• Publication Date: 2024-01-30T07:37:20Z
• Authors: Rajendra Prasad; Berney Peng; Bárbara B. Mendes; Hailey I. Kilian; Mahadeo Gorain; Huijuan Zhang; Gopal Chandra Kundu; Jun Xia; Jonathan F. Lovell; João Conde
• Keywords: Pulmonary and Respiratory Medicine; Photodynamic Therapy in Oncology and Microbiology; Materials Science; Biomedical Engineering; Organic chemistry; Cancer cell; Cancer research; FOS: Medical engineering; Tumor Imaging; Polymeric Nanoparticles; Photodynamic therapy; Metastasis; Biomaterials; Engineering; Breast cancer; Nanoparticle; Health Sciences; Pathology; Nanotechnology; Chemotherapy; Internal medicine; Cancer; Tumor Targeting; FOS: Nanotechnology; Nanotechnology and Imaging for Cancer Therapy and Diagnosis; Photothermal therapy; Indocyanine green; Materials science; Chemistry; Nanomedicine; Doxorubicin; Nanoparticle-Based Drug Delivery Systems; Physical Sciences; Photodynamic Therapy; Biomimetic Nanoparticles; Medicine; Biomedical engineering

كانت تركيبات الجسيمات النانوية التي تمزج بين عوامل تباين التصوير البصري والعلاجات حجر الزاوية في التطبيقات الثيرانوستية قبل السريرية. ومع ذلك، تواجه الترجمة السريرية القائمة على الجسيمات النانوية تحديات في التكاثر والسطوع والثبات الضوئي والتوافق الحيوي واستهداف الورم الانتقائي والاختراق. في هذه الدراسة، نقوم بدمج التصوير متعدد الوسائط والعلاجات داخل الحويصلات النانوية المشتقة من الخلايا السرطانية، مما يؤدي إلى محاكاة بصرية ساطعة لمراقبة ورم خبيث للسرطان. عند تشعيع ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة، تتيح البصريات المهندسة التصور العميق والتوطين الدقيق لأورام الرئة والكبد وأورام الثدي الصلبة المنتشرة جنبًا إلى جنب مع استئصال الورم الصلب. تم تصميم الحويصلات النانوية المشتقة من الخلايا النقيليّة (80 ± 5 نانومتر) لتغليف التصوير (الصبغة العضوية الباعثة والجسيمات النانوية الذهبية) والعوامل العلاجية (دوكسوروبيسين الدواء المضاد للسرطان وصبغة الإندوسيانين الخضراء العضوية النشطة حرارياً). تُظهر الإدارة الجهازية للجسيمات النانوية الضوئية الساطعة للمحاكاة الحيوية الهروب من الخلوص البلعومي أحادي النواة مع (1) التراكم السريع للورم (3 ساعات) والاحتفاظ به (حتى 168 ساعة)، (2) المراقبة في الوقت الفعلي لأورام الرئة والكبد وأورام الثدي الصلبة المنتشرة و (3) تقليل الورم الصلب الموجه بالصور بثلاثة أضعاف. يتم دعم هذه النتائج من خلال تحسين الأشعة السينية والفلورة والإشارات الصوتية الضوئية مع إظهار انخفاض الورم (201 مم 3) مقارنة بالعلاجات الفردية التي تشمل العلاج الكيميائي (134 مم 3) والعلاج الديناميكي الضوئي (72 مم 3) والعلاج الحراري الضوئي (88 مم 3). تفتح المنصة المبتكرة المقترحة طرقًا جديدة لتحسين تشخيص السرطان ونتائج العلاج من خلال السماح بمراقبة نقائل السرطان، والسماح بالتصوير الدقيق للسرطان، وتقديم عوامل علاجية تآزرية في موقع الورم الصلب.<br/>Les formulations de nanoparticules combinant des agents de contraste d'imagerie optique et des produits thérapeutiques ont été la pierre angulaire des applications théranostiques précliniques. Cependant, la traduction clinique de la théranostique à base de nanoparticules est confrontée à des défis en matière de reproductibilité, de luminosité, de photostabilité, de biocompatibilité et de ciblage et de pénétration sélectifs des tumeurs. Dans cette étude, nous intégrons l'imagerie multimodale et les thérapies dans les nanovésicules dérivées des cellules cancéreuses, ce qui conduit à des optothérapies biomimétiques brillantes pour la surveillance des métastases cancéreuses. Lors de l'irradiation par la lumière NIR, l'optotheranostics modifié permet une visualisation en profondeur et une localisation précise des tumeurs métastatiques du poumon, du foie et du sein solide ainsi qu'une ablation de la tumeur solide. Les nanovésicules dérivées de cellules métastatiques (∼80 ± 5 nm) sont conçues pour encapsuler l'imagerie (colorant organique émissif et nanoparticules d'or) et les agents thérapeutiques (doxorubicine anticancéreuse et colorant vert d'indocyanine organique photothermiquement actif). L'administration systémique de nanoparticules optotheranostiques brillantes biomimétiques montre une fuite de la clairance phagocytaire mononucléaire avec (i) une accumulation tumorale rapide (3 h) et une rétention (jusqu'à 168 h), (ii) une surveillance en temps réel des tumeurs métastatiques du poumon, du foie et du sein solide et (iii) une réduction de la tumeur solide guidée par l'image de 3 fois. Ces résultats sont étayés par une amélioration des signaux radiographiques, fluorescents et photoacoustiques tout en démontrant une réduction tumorale (201 mm3) par rapport aux thérapies uniques comprenant la chimiothérapie (134 mm3), la thérapie photodynamique (72 mm3) et la thérapie photothermique (88 mm3). La plateforme innovante proposée ouvre de nouvelles voies pour améliorer le diagnostic du cancer et les résultats du traitement en permettant la surveillance des métastases cancéreuses, en permettant l'imagerie précise du cancer et en délivrant des agents thérapeutiques synergiques au site de la tumeur solide.<br/>Las formulaciones de nanopartículas que combinan agentes de contraste de imágenes ópticas y agentes terapéuticos han sido una piedra angular de las aplicaciones teranósticas preclínicas. Sin embargo, la traducción clínica de la teranóstica basada en nanopartículas enfrenta desafíos en cuanto a reproducibilidad, brillo, fotoestabilidad, biocompatibilidad y selección y penetración selectivas de tumores. En este estudio, integramos la imagen multimodal y la terapéutica dentro de las nanovesículas derivadas de células cancerosas, lo que lleva a la optoteranósica brillante biomimética para monitorear la metástasis del cáncer. Tras la irradiación con luz NIR, la optoteranóstica diseñada permite la visualización profunda y la localización precisa de tumores metastásicos de pulmón, hígado y mama sólidos junto con la ablación de tumores sólidos. Las nanovesículas derivadas de células metastásicas (~80 ± 5 nm) están diseñadas para encapsular imágenes (colorante orgánico emisor y nanopartículas de oro) y agentes terapéuticos (fármaco anticancerígeno doxorrubicina y colorante verde de indocianina orgánico fototérmicamente activo). La administración sistémica de nanopartículas biomiméticas optoteranósticas brillantes muestra escape del aclaramiento fagocítico mononuclear con (i) acumulación rápida de tumores (3 h) y retención (hasta 168 h), (ii) monitoreo en tiempo real de tumores metastásicos de pulmón, hígado y mama sólida y (iii) reducción de tumores sólidos guiada por imágenes de 3 veces. Estos hallazgos están respaldados por una mejora de las señales de rayos X, fluorescencia y fotoacústicas, al tiempo que demuestran una reducción tumoral (201 mm3) en comparación con las terapias únicas que incluyen quimioterapia (134 mm3), terapia fotodinámica (72 mm3) y terapia fototérmica (88 mm3). La plataforma innovadora propuesta abre nuevas vías para mejorar el diagnóstico del cáncer y los resultados del tratamiento al permitir la monitorización de la metástasis del cáncer, lo que permite obtener imágenes precisas del cáncer y administrar agentes terapéuticos sinérgicos en el sitio del tumor sólido.<br/>Nanoparticle formulations blending optical imaging contrast agents and therapeutics have been a cornerstone of preclinical theranostic applications. However, nanoparticle-based theranostics clinical translation faces challenges on reproducibility, brightness, photostability, biocompatibility, and selective tumor targeting and penetration. In this study, we integrate multimodal imaging and therapeutics within cancer cell-derived nanovesicles, leading to biomimetic bright optotheranostics for monitoring cancer metastasis. Upon NIR light irradiation, the engineered optotheranostics enables deep visualization and precise localization of metastatic lung, liver, and solid breast tumors along with solid tumor ablation. Metastatic cell-derived nanovesicles (∼80 ± 5 nm) are engineered to encapsulate imaging (emissive organic dye and gold nanoparticles) and therapeutic agents (anticancer drug doxorubicin and photothermally active organic indocyanine green dye). Systemic administration of biomimetic bright optotheranostic nanoparticles shows escape from mononuclear phagocytic clearance with (i) rapid tumor accumulation (3 h) and retention (up to 168 h), (ii) real-time monitoring of metastatic lung, liver, and solid breast tumors and (iii) 3-fold image-guided solid tumor reduction. These findings are supported by an improvement of X-ray, fluorescence, and photoacoustic signals while demonstrating a tumor reduction (201 mm3) in comparison with single therapies that includes chemotherapy (134 mm3), photodynamic therapy (72 mm3), and photothermal therapy (88 mm3). The proposed innovative platform opens new avenues to improve cancer diagnosis and treatment outcomes by allowing the monitorization of cancer metastasis, allowing the precise cancer imaging, and delivering synergistic therapeutic agents at the solid tumor site.<br/>