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等离激元AuPt@CuS核壳纳米颗粒实现协同增强肿瘤的放疗光热治疗

放射治疗(Radiotherapy)是临床局部治疗恶性肿瘤最广泛和最有效的手段之一,其原则是最大限度消灭肿瘤,同时最大限度保护正常组织和器官。然而,乏氧肿瘤细胞的辐射抗拒性、邻近部位正常组织的放射损伤等问题导致肿瘤可能无法完全根除并可能导致肿瘤的复发和转移,同时产生毒性和副作用,使放射治疗效果及其临床应用受到一定的影响和限制。光热治疗是利用光热转换试剂将光能转换为热能,通过升温杀死癌细胞,以提高肿瘤组织消融的效率,在增加肿瘤治疗效果和减少副作用方面具有巨大的优势,但在表面瘤之外的广泛临床应用中仍然面临着巨大挑战。将光热治疗与放射治疗联合应用可以通过乏氧细胞再氧合等途径提高肿瘤细胞的放射敏感性,抑制肿瘤细胞再群体化,克服外源光激发组织穿透能力有限的问题,从而提高肿瘤治疗的效果及其受益比,也减少治疗的毒性和副作用。因此,放疗光热治疗的研究成为当前肿瘤治疗领域的研究热点之一,开发高效低毒的放疗光热双重增敏剂,以减少局部照射剂量和增加抑瘤效果,具有重大科学意义和应用前景。


近日,湖南大学谭蔚泓院士团队与国家纳米科学中心赵宇亮院士、晏亮副研究员团队合作,在Journal of the American Chemistry Society 杂志发表研究成果,开发了一种新型放疗光热双重增敏剂(AuPt@CuS),一方面,CuS-AuPt纳米异质结构可以通过等离激元近场增强提高CuS纳米片在近红外光区的吸收性能,提高其光热转换效率;另一方面,AuPt纳米颗粒对X射线的衰减能力较强,同时CuS-AuPt纳米异质结构可以提高电子-空穴的分离效率,有利于产生更多的活性氧自由基(Radical oxygen species, ROS),将更多的辐照能量沉积在肿瘤内部。与此同时,利用AuPt@CuS的光声成像和CT成像,实现了活体肿瘤的双模式成像与放疗光热治疗一体化。


利用投射电子显微镜和X射线光电子能谱等手段,作者详细研究了AuPt@CuS的表面形貌、晶体结构和化学组成,证实了AuPt纳米颗粒生长在CuS纳米片表面,元素mapping也证实了CuS-AuPt纳米异质结构的形成。在808 nm近红外光照射下,AuPt@CuS较CuS纳米片具有更强的光热转换性能。


3D-FDTD(three-dimensional (3D) finite-difference time-domain)模拟结果进一步证明,CuS-AuPt纳米异质结构可以显著增强CuS纳米片在近红外光区的吸收,提高其光热转换性能。


接着,作者利用一系列探针(ROS: 2’,7’-dichlorodihydrofluorescein diacetate, H2DCFDA; HO•: terephthalic acid, THA; 1O2: singlet oxygen sensor green, SOSG; O2•-: 3-bis(2-methoxy-4-nitro-5-sulfophehyl)-2H-tetrazolium-5-carboxanilide, XTT)系统研究了在X射线照射下AuPt@CuS产生ROS的能力。结果表明,AuPt@CuS较CuS纳米片具有更强的ROS产生能力,证明CuS-AuPt纳米异质结构可以促进ROS的产生,增强辐照能量的沉积。


最后,体外实验和小鼠活体实验证实,AuPt@CuS在808 nm近红外光照射下可以将光能转换成热能从而有效杀死肿瘤;同时,AuPt@CuS的热效应能够改善肿瘤组织血液灌注,导致乏氧细胞再氧合,在一定程度上逆转肿瘤乏氧微环境。随后,X射线照射使AuPt@CuS在肿瘤部位产生大量ROS,促进辐照剂量的沉积,与光热治疗协同增强肿瘤治疗疗效,并与光声成像和CT成像结合实现图像引导放疗光热诊疗。肿瘤样本切片的H&E染色与γ-H2AX识别抗体免疫荧光检测显示AuPt@CuS治疗组展现最强的凋亡/DNA损伤信号。


这一成果近期以Articles的形式发表在Journal of the American Chemistry Society。本研究得到澳大利亚斯威本科技大学的Yang Dan博士和Lin Keng-Te博士,以及韩国国立蔚山科学技术院的Lee Jong Hoon博士的支持。同时,本研究受到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的经费资助。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Plasmonic AuPt@CuS Heterostructure with Enhanced Synergistic Efficacy for Radiophotothermal Therapy

Ren Cai, Huandong Xiang, Dan Yang, Keng-Te Lin, Yuanzheng Wu, Ruyi Zhou, Zhanjun Gu, Liang Yan*, Yuliang Zhao*, and Weihong Tan*

J. Am. Chem. Soc., 2021143, 16113–16127, DOI: 10.1021/jacs.1c06652


导师介绍

谭蔚泓

https://www.x-mol.com/university/faculty/10092 


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