两位院士强强联手：新型纳米诊疗剂发挥光热/放疗协同肿瘤治疗作用

原创高分子科学前沿高分子科学前沿

光热治疗遇瓶颈

纳米诊疗剂可以说是近年来发展十分迅速的新兴生物医学材料。这类诊疗剂为肿瘤治疗提供了强大的诊断和治疗一体化的手段，在提高疗效的同时还大大降低了副作用。作为其中的典型，外源光激发纳米材料产生光热治疗效果能够高效杀伤肿瘤。目前，人们已经开发了贵金属纳米颗粒、二维纳米片、金属硫化物纳米晶以及黑磷等作为光热试剂，但是以近红外光为代表的外源激光对组织的穿透深度有限，无法完全清除在肿瘤组织深层的肿瘤细胞。此外，光热治疗中的辐射-热转换效率也需要进一步提升。

（基于纳米材料的放疗策略，图片来源：ACS Nano官网）

作为替代方案，光热治疗与放疗等其他疗法的联合有望发挥更加优异的治疗作用和实现完全消除肿瘤细胞的目的。与光疗相比，放疗的穿透能力更强，同时光热治疗中出现的过高热（hyperthermia）也能加强放疗效果。然而，传统放疗对周边组织的副作用非常大。因此，设计集成光热/放疗协同作用的新型纳米诊疗剂有望改善肿瘤治疗效果。

院士联手开发新型多功能纳米诊疗剂

国家纳米科学中心赵宇亮、晏亮和湖南大学谭蔚泓等人联合报道了一种新型等离激元异质结构，通过将铂化金纳米颗粒修饰到硫化铜纳米片表面（AuPt@CuS NSs）可形成具有双模态光声/CT成像和强化协同放射光热（radiophotothermal）治疗能力的高效纳米诊疗剂。研究发现，这些异质结构通过局部电磁强化展现出了更高的光热转换效率，同时还具有更优异的辐射剂量沉积作用，能够高效清除谷胱甘肽和产生活性氧。基于光热消融和放疗的协同治疗作用，AuPt@CuS NSs不仅可以清除肿瘤，还能有效抑制肿瘤复发。作者认为，这一多功能异质结构在双模态成像的引导下可发挥放疗和光热治疗的协同作用，有望成为非常重要的肿瘤治疗策略。相关工作以“Plasmonic AuPt@CuS Heterostructure with Enhanced Synergistic Efficacy for Radiophotothermal Therapy”为题发表在Journal of the American Chemical Society。

一、AuPt@CuS NSs的制备和表征

研究首先在亲水硫化铜纳米片分散液中上依次加入氯金酸和氯铂酸进行纳米片表面修饰，所得沉淀物即形成AuPt@CuS NSs。该纳米片的晶格错配小于5.3%，平均尺寸在140纳米左右。TEM表征则显示，纳米片上生长着粒径在30纳米左右的单一球形纳米颗粒，并且具有异质结构的特征（图1）。通过XPS谱学表征发现，该异质结构由铜、硫、金、铂构成。与铜相比，金和铂具有更大的Pauling电负性，因此硫原子更倾向于与异质结界面的金/铂原子成键，导致硫空位的出现。这些界面硫空位缺陷能够增加载流子密度并强化共振吸收，最终提高材料在近红外光辐照下的光热性能。检测数据显示，AuPt@CuS NSs的光热转换效率为41.56%，明显高于硫化铜纳米片、硫化铋等典型光热材料。

图1 AuPt@CuS NSs的表征

二、电磁近场强化作用

AuPt@CuS NSs将近红外光子能量转换成热能的效率与光-物质相互作用的强度相关，作者解释道，铂化金纳米颗粒能够展现出表面等离激元共振现象，同时其消光截面常常比几何截面更大。通过与硫化铜形成异质结构，铂化金在近红外光下的表面等离激元共振会在界面产生明显的局域电磁场，从而进一步增加AuPt@CuS NSs的光吸收能力。因此，与硫化铜纳米片（2.70 L g⁻¹ cm⁻¹）相比，AuPt@CuS NSs在808纳米波长处的质量消光系数可大幅提高至4.50 L g⁻¹ cm⁻¹。不仅如此，与铂化金/硫化铜的简单混合物相比，AuPt@CuS NSs的光吸收也增长了1.2倍左右。这些结果都说明，具有异质结构的AuPt@CuS NSs能够更加高效的吸收的入射近红外光（图2）。

图2 AuPt@CuS NSs的强化光吸收能力

三、放疗增敏作用

除了发挥高效的光热作用外，AuPt@CuS NSs还有望作为放疗增敏剂进行使用。众所周知，放疗增敏作用高度依赖于光子-物质相互作用。因此，当光子与AuPt@CuS NSs碰撞时，光子发生离子化衰减并激发原子。在激发过程中，束缚电子能够上升到更高能级（导带电子），但仍然与位于核心轨道的空穴静电相连，而这一空穴随后会驰豫进入价带。而AuPt-CuS异质结能够有效分离辐射产生的导带电子和价带空穴，从而使得导带电子转移到氧气和过氧化氢最终产生ROS。与此同时，空穴会通过界面转移到铂化金纳米颗粒的反应位点，发挥清除谷胱甘肽的作用，最终强化放射治疗的效果。

不仅如此，由于总质量衰减系数要高于软组织，在X射线辐照下，一些电子能够通过光电效应等从AuPt@CuS NSs射出。这一次级效应可触发进一步的离子化和激发，产生一系列动能较小的电子。这些电子在失去动能后会被邻近的水分子困住，从而产生水合电子。这些水合电子可作为化学物种与生物大分子氧化还原电对进行反应，扰乱胞内氧化还原稳态、造成肿瘤细胞凋亡（图3）。

图3 辐射能量沉积

三、活体成像及治疗研究

由于AuPt@CuS NSs具有近红外光吸收和较高的X射线衰减系数，作者还研究了这一材料的CT/光声双模态成像能力。体内实验表明，该异质结构纳米材料在1.25 mg/mL浓度时的CT造影功能可与典型CT造影剂iohexol在2.5mg/mL浓度时的造影功能相当。同时，注射有该纳米材料的肿瘤光声信号加强了2.12倍。这些结果表明，该异质结构纳米材料具有高效的双模态CT/光声造影强化能力。活体治疗实验也显示，光热产生的过高热和放疗可造成线粒体损伤和细胞核降解，从而发挥协同的肿瘤治疗作用。

图4双模态CT/光声成像能力

结论

在这项工作中，作者构建了一种新型AuPt@CuS NSs等离激元异质结构，并且展示了其高效的双模态光声/CT和协同放射光热治疗作用。这些异质结构纳米材料能够实现辐射产生的空穴从硫化铜纳米片到铂化金纳米颗粒的迁移，从而高效清除胞内谷胱甘肽，同时剩余的电子则转移到过氧化氢等高度氧化物质中以强化局部辐射能力沉积。因此，这一异质结构无论在体外还是体内实验中均表现出光热消融和放疗的协同治疗作用，并且未观察到明显的副作用产生。因此，作者认为这一工作为开发可用于成像引导实现放射光热协同疗法的诊疗剂提供了切实的根据。

文献链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c06652

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！

投稿模板：

单篇报道：上海交通大学周涵、范同祥《PNAS》：薄膜一贴，从此降温不用电！

系统报道：加拿大最年轻的两院院士陈忠伟团队能源领域成果集锦

历史进展：经典回顾| 聚集诱导发光的开山之作：一篇《CC》，开启中国人引领世界新领域！

继续滑动看下一个