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刘惠玉教授课题组在光热/光动力治疗乏氧肿瘤方面取得重要进展

近日,我校刘惠玉教授团队和中国科学院化学研究所黄志军博士合作,开发了一种具有光动力、过氧化氢催化分解能力以及可降解性能的一维孔结构的纳米钯片(H-Pd NSs),该H-Pd NSs在近红外光激发下能够实现光热/光动力协同治疗肿瘤。此外,由于一维孔结构的构建,H-Pd NSs亦能够高效催化过氧化氢分解产生大量氧气,克服肿瘤乏氧,增强光动力治疗效果,并在生理介质中快速降解。相关成果发表于J. Am. Chem. Soc.(DOI: 10.1021/jacs.9b12929)。本文第一作者是北京化工大学生命学院硕士研究生李闪闪、顾凯和国家纳米中心王会博士,刘惠玉教授和黄志军博士为本文的通讯作者,国家纳米中心施兴华研究员团队在理论计算方面提供了重要帮助。

双光疗(光热/光动力治疗,PTT/PDT)功能性纳米诊剂相比于单一的光热剂或光敏剂,由于其更加理想的治疗效果,在癌症治疗领域得到广泛的关注。然而,乏氧是肿瘤微环境的重要特征之一,PDT疗效受限于肿瘤的乏氧微环境,并且持续的氧气损耗会进一步导致血管损伤加速肿瘤扩散恶化。此外,大部分已报道的双光疗纳米诊剂是由两个或多个功能性单体整合而成,结构复杂、合成繁琐,因此,开发可纠正肿瘤乏氧微环境的单组分双光疗纳米诊剂是一项技术难题。为此,刘惠玉教授团队利用氧化刻蚀策略,在钯纳米片(Pd NSs)表面构建大量一维孔结构,开发了具有光动力性能的生物可降解的多孔钯纳米片(H-Pd NSs)。该生物材料具有如下特色:1)具有较高的光热转换效率,且在近红外光触发下,H-Pd NSs能够高效敏化氧气生成单线态氧,实现单组分双光疗诊剂的成功构建;2)一维孔结构的构建使H-Pd NSs暴露出大量活性Pd(100)晶面,催化过氧化氢分解产生大量氧气,可高效调节肿瘤乏氧微环境;3)Pd NSs的体内降解行为利于其未来向临床转化。

图1. 具有光热光动力功能单组分可降解特性的H-Pd NSs用于癌症治疗的示意图

体外和体内研究表明,H-Pd NSs表现出优异的光热稳定性、生物相容性和肿瘤特异性蓄积。在近红外光激发下,能够实现PTT/PDT协同治疗,高效地抑制肿瘤生长。这项工作揭示了活性晶面与光动力性能之间的关系,为多功能单组分金属基纳米诊剂的设计与构建提供了参考。

图2. H-Pd NSs的制备以及形貌表征

要点:H-Pd NSs是一种制备工艺简单、可控、粒径均一的纳米片层结构,表面具有大量有序一维孔结构,其最大暴露晶面为Pd(111)晶面,厚度为2.1 nm左右。

图3. H-Pd NSs表面一维孔结构形成机理探究

要点:纳米片表面Pd原子被氧化成PdO分子,并在溶液中溶解从纳米片表面除去。当溴离子加入,优先吸附在Pd(100)晶面,一定程度上阻止了表面Pd原子的氧化过程。在表面Pd原子缓慢蚀刻后,高活性晶面,如Pd(100)和Pd(110)晶面暴露在氧化剂中,刻蚀速率增加。同时,溴离子的选择性结合保护了Pd(100)晶面,导致了对角(110)方向的各向异性刻蚀,最终在纳米钯片中形成了具有Pd(100)活性晶面的一维孔结构。

图4. H-Pd NSs光热、光动力以及催化性能的表征

要点:相比于Pd NSs(30.9%),H-Pd NSs具有更高的光热转化效率(35.1%)。在近红外光激发下H-Pd NSs能够高效敏化氧气生成单线态氧,其催化过氧化氢分解成氧气的能力,进一步增强了其光动力效果。通过模拟计算证明其光动力性能与活性Pd(100)晶面暴露相关。

图5. H-Pd NSs以及Pd NSs在体外模拟生理条件下的降解行为

要点:与Pd NSs相比,在模拟体液和模拟溶酶体液中,暴露更多Pd(100)晶面的H-Pd NSs降解速度更快。

 
图6. 验证H-Pd NSs细胞水平PTT/PDT协同治疗效果

要点:H-Pd NSs能够高效地被4T1细胞内化,并表现出相对良好的生物安全性。经近红外光照射,能够有效地实现PTT/PDT协同治疗。

图7. 验证H-Pd NSs在4T1模型中的抗肿瘤效果

要点:H-Pd NSs有效在小鼠肿瘤部位积累并克服肿瘤乏氧。在4T1皮下瘤模型中实现了99.7%的肿瘤抑制率和体内降解。

刘惠玉教授,北京化工大学博士生导师,国家优秀青年科学基金获得者。2007年获得中国科学院理化技术研究所博士学位,毕业后留所工作。2015年被聘为北京化工大学生命学院教授,加入“软物质科学与工程高精尖创新中心”与“有机无机复合材料国家重点实验室”。长期从事纳米生物材料的合成,在光控肿瘤治疗方向取得了重要进展。先后主持5项国家自然科学基金。在Angew. Chem. Int. Ed.,Adv. Mater.,ACS Nano等国际期刊发表论文80余篇,引用4800余次,当期1% ESI高被引论文7篇,H因子33。兼任SCI期刊Journal of Nanoscience and Nanotechnology专刊客座编辑,生物化工青年工作委员会委员,中国生物医学工程学会青年委员会委员,北京粉体技术协会第二届理事会理事,北京生物医学工程学会组织工程专业委员会委员,纳米毒理委员会青年委员,中国医药生物技术协会纳米生物技术分会常务委员。曾获中国科学院卢嘉锡青年人才奖,中国科学院“青年创新促进会”首届优秀会员,北京市科技新星等荣誉称号。

论文链接:http://dx.doi.org/10.1021/jacs.9b12929

刘惠玉课题组网页:http://www.liuhuiyugroup.com