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ACS Nano:基于肖特基型异质结Au-Bi2S3的X射线引导的催化反应用于肿瘤放疗增敏

针对传统放射治疗面临的对乏氧肿瘤不敏感并且会对肿瘤周围正常组织产生伤害的问题,很多含有高原子序数元素的纳米材料被用作放疗增敏剂来增强自由基的产生进而提高放射治疗的效率。然而,其中大部分放疗增敏剂的参与自由基产生的过程是氧依赖的,因此肿瘤的乏氧环境极大地限制了自由基的产生,从而使得这些放疗增敏剂难以发挥最大的效果。为此,很多方法结合使用了其他治疗与放疗,或者开发能增加氧气含量的材料,但这些方法受限于复杂的合成或者不理想的肿瘤选择性。因此,开发新型简易的方法来增强对乏氧肿瘤的治疗效率同时降低对正常组织的伤害是十分迫切的。


对于含有高Z元素的半导体纳米材料,它们独特的能带结构使得其有优势在乏氧条件下依然能够产生自由基。目前已有文献报道一些半导体纳米材料在光照下可催化水或者双氧水转化为羟基自由基,且这些过程可无氧气参与,即产生非氧依赖的自由基。这意味着半导体纳米材料可用作放疗增敏剂,通过X射线引导的催化反应来提高非氧依赖的自由基的产生。然而很多半导体的带隙较窄,其光生电子-空穴对容易复合,降低了自由基的产生效率。而同单一半导体材料相比,异质结构的半导体材料能够促进光生电子-空穴对的分离。其中,贵金属和半导体形成的异质结是新型放疗增敏剂的很好的选择,因为贵金属在X射线照射下不但能产生大量电子,而且其与半导体形成的肖特基势垒能够促进电荷分离从而增强自由基的产生。


中国科学院高能物理研究所团队开发了一种具有肖特基势垒的金属-半导体型纳米异质结材料Au-Bi2S3用于提高对肿瘤的治疗效率。首先,纳米材料中的高Z元素(Au、Bi)能够以高能电子的形式提高肿瘤部位的能量沉积。其次,除了这些高能电子,还有大量的低能电子产生,通过肖特基势垒,电子从Bi2S3转移到Au,有效实现了电荷分离,且由于能级匹配,转移到金上的电子被H2O2捕获,H2O2被催化成高毒性的羟基自由基。相比于正常组织来说,肿瘤中的H2O2通常是过表达的,因此其可以被用作内源性目标来触发肿瘤内放疗效果的选择性增强。更重要的是,这一X射线引导的催化过程是不依赖氧气的,因此在乏氧肿瘤中依旧能够充分发挥其优势产生大量的自由基,实现对肿瘤细胞的有效杀伤。


这一成果发表在ACS Nano 上,文章的第一作者为中国科学院高能物理研究所博士生王馨,通讯作者为中国科学院高能物理研究所研究员谷战军、副研究员晏亮以及北京协和医院医生简珊


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Enhanced Generation of Non-Oxygen Dependent Free Radicals by Schottky-type Heterostructures of Au–Bi2S3 Nanoparticles via X-ray-Induced Catalytic Reaction for Radiosensitization.

XinWang, Chenyang Zhang, Jiangfeng Du, Xinghua Dong, Shan Jian, Liang Yan, Zhanjun Gu, Yuliang Zhao

ACS Nano, 2019, 13, 5, 5947-5958, DOI: 10.1021/acsnano.9b01818


导师介绍

谷战军

https://www.x-mol.com/university/faculty/38291

课题组链接

http://www.guzjlab.org/


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