J. Am. Chem. Soc.: 生物可降解二維碳化鈮在近紅外生物窗口Ⅰ,Ⅱ用于腫瘤光熱治療
【引言】
光，作為一種外場刺激，為高效的腫瘤光治療提供了很多益處。光熱腫瘤治療是利用近紅外激光針對患處進行輻照，通過光熱轉換的物理放熱過程來實現局部熱消融腫瘤組織。為了獲得高效的腫瘤治療效果，應當減小輸入光能量的在軟組織中散射和吸收，進而提高光熱轉換效果。之前提升光熱治療效果的主要研究集中在近紅外生物窗口Ⅰ（750-1000 nm）下的光熱治療效應，而在近紅外生物窗口Ⅱ(1000-1350 nm)地研究很少，相比于近紅外生物窗口Ⅰ，近紅外生物窗口Ⅱ具有更大皮膚可承受光暴露能量上限以及更優的激光穿透深度。
另外，2D 納米材料由于他們超薄片層結構和豐富的物理化學性質，特別是MXenes，一種新的多功能2D材料，包括碳化物，氮化物，以及碳氮化物。這個工作，探索了新型的超薄二維Nb2C，用于在近紅外生物窗口Ⅰ和生物
【成果簡介】
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所的施劍林教授和陳雨教授（共同通訊作者）課題組在J. Am. Chem. Soc. 上發表了題為“A Two-Dimensional Biodegradable Niobium Carbide (MXene) for Photothermal Tumor Eradication in NIR?I and NIR-II Biowindows”的研究論文。首次報道了一種在近紅外生物窗口Ⅰ和Ⅱ響應的腫瘤光熱劑，二維碳化鈮納米片（Nb2C）。二維Nb2C納米片通過簡單的兩步液體剝離法（抽出和插層）制備得到，這種橫向納米尺度在150 nm左右，厚度在1 nm左右的的Nb2C 納米片展現了良好的光熱治療效果：在近紅外生物第一窗口下光熱轉換效率達到36.4%，在近紅外生物第二窗口下光熱轉換效率達到45.65%。在兩個近紅外生物窗口下都可以實現在活體中的高效腫瘤消除，并且具有很好的循環光熱穩定性。同時，Nb2C納米片具有酶響應降解特性，在人體的髓過氧化物酶（hMPO）催化下可以實現生物降解，達到低毒以及良好的生物相容性。
【圖文導讀】
示意圖1 修飾PVP的二維生物可降解Nb2C納米片在近紅外生物窗口Ⅰ和Ⅱ下的活體腫瘤光熱治療示意圖
圖1 Nb2C納米片的合成和性質表征
A.超薄Nb2C 納米片的制備示意圖：HF刻蝕和TPAOH插層過程
B-E.塊體Nb2C材料的電子照片，整體、局部掃描電鏡以及高分辨透射電鏡圖（插圖為對應的選區電子衍射花樣）
F-I.多層Nb2C納米片材料的電子照片，整體、局部掃描電鏡以及高分辨透射電鏡圖（插圖為對應選區電子衍射花樣）
J-M.單層Nb2C納米片材料的電子照片，整體、局部掃描電鏡以及高分辨透射電鏡圖（插圖為對應選區電子衍射花樣）
圖2 Nb2C納米片組分，表面修飾以及體外的生物降解性能
A.Nb2AlC塊體和Nb2C納米片的XRD表征
B.Nb2AlC塊體和Nb2C納米片的Raman表征
C.Nb2AlC塊體和Nb2C納米片的XPS表征
D.Nb2C納米片的AFM表征
E.Nb2C納米片的橫向尺寸和厚度統計分布
F.原子力顯微鏡3D視角Nb2C納米片
G.Nb2C-PVP在 水，磷酸鹽緩沖液，過氧化氫，髓過氧化物酶下的照片
H.Nb2C-PVP在不同處理條件下的粒徑分布
I.Nb2C-PVP在不同處理條件下的可見-紅外吸收光譜
J.PVP-Nb2C納米片通過不同處理后（水，磷酸鹽緩沖液，過氧化氫，髓過氧化物酶）生物降解24h的透射電鏡
圖3 Nb2C納米片光熱轉換性能以及光熱穩定性
A.不同濃度（2.5，5，10，20 ug/ml）的Nb2C納米片懸浮液的可見光-近紅外吸收光譜
B.Nb2C納米片在808 nm和1064 nm的質量消光系數
C.Nb2C納米片溶液在近紅外生物窗口I (808nm)下的光熱升溫曲線：激光功率分別為0.5，0.75，1.0，1.0，1.25，1.5 W ·cm-2
D.Nb2C納米片溶液在近紅外生物窗口II (1064nm)下的光熱溫度曲線：激光功率分別為0.5，0.75，1.0，1.0，1.25，1.5W ·cm-2
E.Nb2C納米片溶液在808 nm光熱轉變：溫度隨著照射時間的變化
F.Nb2C納米片溶液在1064 nm光熱轉變: 溫度隨著照射時間的變化
G.Nb2C納米片懸浮液在五次激光循環（1.5W· cm-2）的溫度曲線
H.Nb2C納米片的在近紅外光照射前后的吸收光譜對比
I.Au NRs在近紅外光照射前后的吸收光譜對比
J.ICG在近紅外光照射前后的吸收光譜對比
K.輻照30min前后Nb2C納米片和Au NRs的透射電鏡圖
圖4 在兩個近紅外窗口（I & II）下體外光熱轉換效果，體內體外組織穿透深度衡量和對應的體內效果評估
A.檢測穿透深度的裝置示意圖及裝置圖
B.不同厚度的雞胸組織固定在透明管里
C.Nb2C納米片水懸浮液光熱轉換檢測示意圖
D.Nb2C納米片水懸浮液光熱轉換裝置圖
E.在808 nm下輻照不同深度的激光能量變化
F.在1064 nm下輻照不同深度的激光能量變化
G.Nb2C納米片溶液通過組織在近紅外生物窗口Ⅰ，Ⅱ下基于光熱轉化的溫度變化
H.在近紅外下，活體中光熱轉換穿透的腫瘤組織深度示意圖
I.腫瘤組織不同深度處解剖后的抗原Ki-67免疫熒光染色情況
圖5 體外光熱治療效果
A.4T1細胞和U87細胞與不同濃度的Nb2C-PVP共同孵育后相對細胞活性
B.4T1細胞與40ug/mL Nb2C-PVP孵育后在不同功率下進行光熱治療后細胞活性
C.U87細胞與40 ug/mL Nb2C-PVP孵育后在不同功率下進行光熱治療后細胞活性
D.細胞與40 ug/mL Nb2C-PVP孵育后進行不同處理后的細胞活性的共聚焦成像
E.4T1細胞與FITC標記的Nb2C-PVP孵育隨著時間(0, 1, 2, 4, 8 h)的變化追蹤：細胞核被DAPI染料染色（藍色），被FITC標記的Nb2C-PVP（綠色）
F.不同時間細胞中攝取的DAPI和FITC信號的變化以及Nb2C-PVP濃度變化
圖6 Nb2C-PVP 在活體毒性表征
A.Nb2C-PVP注射1，7，28天后小鼠靜脈血管中的血液常規參數分析
B.Nb2C-PVP注射后不同處理條件下小鼠的血液生化指標分析
C.Nb2C-PVP注射后不同處理條件下小鼠1, 7, 28天時主要器官（心，肝，脾，肺，腎）的H&E組織染色
圖7 活體中系統光熱治療評價，藥代動力學和組織分布分析
A.Nb2C-PVP靜脈注射后血液循環半衰期：計算得半衰期大約為1.31h.
B.Nb元素在主要組織和腫瘤中的定量分布
C.不同處理下腫瘤小鼠腫瘤部位的溫度值：NIR-Ⅰ照射，NIR-Ⅱ照射，Nb2C-PVP + NIR-Ⅰ，Nb2C-PVP + NIR-Ⅱ，
D.不同處理下腫瘤小鼠腫瘤部位的紅外成像：NIR-Ⅰ照射，NIR-Ⅱ照射，Nb2C-PVP + NIR-Ⅰ，Nb2C-PVP + NIR-Ⅱ
E.不同處理組的腫瘤小鼠腫瘤生長情況：NIR-Ⅰ照射，NIR-Ⅱ照射，Nb2C-PVP + NIR-Ⅰ，Nb2C-PVP + NIR-Ⅱ，Nb2C-PVP，空白組
F.不同處理組的小鼠體重變化：NIR-Ⅰ照射，NIR-Ⅱ照射，Nb2C-PVP + NIR-Ⅰ，Nb2C-PVP + NIR-Ⅱ，Nb2C-PVP，空白組
G.不同處理組小鼠的存活率：NIR-Ⅰ照射，NIR-Ⅱ照射，Nb2C-PVP + NIR-Ⅰ，Nb2C-PVP + NIR-Ⅱ，Nb2C-PVP，空白組
H.不同處理組的小鼠16天后的照片：NIR-Ⅰ照射，NIR-Ⅱ照射，Nb2C-PVP + NIR-Ⅰ，Nb2C-PVP + NIR-Ⅱ，Nb2C-PVP，空白組
I.不同組小鼠腫瘤組織的H&E組織病理染色
J.不同組小鼠腫瘤組織的TUNEL組織病理染色
K.不同組小鼠腫瘤組織的Antigen Ki-67免疫熒光、染色
【小結】
二維超薄Nb2C首次被報道用于近紅外窗口（I & II）響應的高效活體腫瘤光熱治療。Nb2C納米片表現出良好的光熱穩定性，高的光熱轉化效率。進一步表面修飾PVP的Nb2C納米片展現了很好的生物相容性和低毒性，更重要的是，Nb2C納米片具有髓過氧化物酶響應的特點，能在該酶的作用下實現生物降解，這對其生物醫學上的安全應用有著重要意義。
文獻鏈接：A Two-Dimensional Biodegradable Niobium Carbide (MXene) for Photothermal Tumor Eradication in NIR?I and NIR-II Biowindows (J. Am. Chem. Soc. 2017, DOI：10.1021/jacs.17b07818)
其他相關工作
(1) A Two-Dimensional Biodegradable Niobium Carbide (MXene) for Photothermal Tumor Eradication in NIR?I and NIR-II Biowindows (J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.17b07818);
(2) Two-Dimensional Ultrathin MXene Ceramic Nanosheets for Photothermal Conversion (Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04339)
本文由材料人編輯部生物材料組Antily供稿，材料牛編輯整理。
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