深圳大學Nature子刊：納米儲氫材料用于“氫熱抗癌治療”

鋼鐵俠 5年前 (2018-10-20) 4219瀏覽

【引言】

眾所周知，氫氣是一種易燃易爆的氣體（爆炸的濃度范圍4.0%～75.6%），長期被認為是一種生物惰性的氣體。但最近大量的研究結果表明，在生理環境中，氫氣是一種具有生物安全性的內源性信號分子，被認為是一種還原性穩態調節劑，對炎癥和氧化相關的諸多疾病都展現出一定的療效，如癌癥、缺血再灌注損傷、心血管疾病、神經退行性疾病、呼吸系統疾病、皮膚病、膿毒癥等。但氫氣的溶解度較低，且在體內可任意擴散，因此直接吸入氫氣或是注射/飲用富氫水，通常很難使氫氣分子有效到達并大量蓄積在深層病灶組織，經常導致治療效果有限。如何實現氫的有效存儲、靶向遞送和控制釋放對提高氫治療效果具有重要意義，但是目前仍然充滿挑戰。近年來，深圳大學何前軍教授課題組提出了納米材料輔助氣體治療的策略，借助納米材料的功能特性解決氣體治療方面的問題，開拓了“納米氣體治療”研究領域。

【成果簡介】

近日，何前軍教授帶領的“先進納米藥物課題組”與美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）顧臻教授課題組合作，研發了一種用作腫瘤治療的“儲氫材料”—— 在近紅外光刺激下響應性釋放氫氣并產生熱量，以提升殺滅腫瘤細胞的療效及選擇性。該研究首次提出了“氫熱治療”的概念，在多種細胞和小鼠模型上初步驗證了氫氣和高熱對腫瘤細胞的協同增效抗癌機制、及對正常細胞的減毒保護功效。團隊通過設計合成一種新型氫化鈀納米材料，實現了利用近紅外光局部控制氫氣的釋放并有效產熱，并實現了光熱成像/光聲成像引導氫熱治療，可潛在地對多種腫瘤實現高效、低毒的治療。該氫熱療法潛在地為設計開發新型抗癌藥物提供了新的思路和理論支持。該氫熱療法潛在為設計開發新型抗癌藥物提供了新的思路和理論支持，對促進氫分子醫學的臨床轉化有著積極意義。該研究成果發表在頂尖期刊《自然?通訊》，詳見：Local Generation of Hydrogen for Enhanced Photothermal Therapy, Nature Communications, 2018, doi: 10.1038/s41467-018-06630-2.

【圖文導讀】

圖1. 原理示意圖以及材料表征

PdH0.2納米晶的合成方法和氫熱療法的工作原理示意圖。b. STEM照片（比例尺：100納米）。c. DLS數據。d. XRD圖譜。 e. UV-VIS-NIR吸收光譜。

圖2. 近紅外光響應氫氣的釋放過程和機制探究

通過UV（a, b）、Pt-微電極（c, d）和XRD（e, f）方法實時監測PdH0.2的NIR光控釋氫行為。

圖3. 近紅外光控釋活性氫的還原能力

a, b是PdH0.2在模擬體液中（a）和HeLa細胞中（b）的釋氫行為，其使用亞甲基藍（MB）作為活性氫的探針進行檢測。c, d是表示PdH0.2對HeLa腫瘤細胞（c）和HEK-293T正常細胞（d）細胞內ROS水平的影響。

圖4.近紅外光熱和光聲成像性能和腫瘤靶向性能

PdH0.2和Pd納米晶的光熱效應。b. 光熱轉化效率效率評價。c. 靜脈注射PdH0.2后4T1荷瘤小鼠的腫瘤光熱成像。d,e. 4T1腫瘤光聲成像。f. ICP定量體內分布。

圖5. 體外氫熱協同抗癌性能和機制

a,b氫熱療法的體外抗癌效果。c,d. 細胞能量代謝行為。e. 氫熱腫瘤治療的機制圖。

圖6. 體內氫熱協同抗癌性能

腫瘤小鼠的氫熱治療方法。b,c,d. 對4T1腫瘤的治療效果。e,f. 對B16-F10腫瘤的治療效果。

【小結】

作者首次提出了“氫熱治療”的新概念，并通過大量的體內外實驗初步驗證了氫氣和高熱對腫瘤細胞的協同增效抗癌機制、及對正常細胞的減毒保護功效。使用小尺寸鈀納米顆粒作為氫載體和自催化劑，利用鈀的高束氫能力將氫原子方便地摻雜進鈀的晶格，形成穩定的PdH0.2納米顆粒。利用PdH0.2納米顆粒的小尺寸效應（30 nm）和EPR效應，實現了腫瘤被動靶向遞送；同時利用PdH0.2的近紅外光吸收特性，實現了光控氫氣釋放。此外，利用Pd/PdH0.2的加氫催化特性，使釋放的氫具有高的還原性，并借助PdH0.2自身的高的光熱轉化效率（η=63%），達到了光熱治療和光聲成像的功效。選取皮膚癌、乳腺癌及宮頸癌等多種腫瘤細胞和腫瘤鼠模型，在體內外探索了PdH0.2納米材料的氫熱協同抗癌效應和機制。結果表明：在聯合熱療的過程中，氫氣治療能顯著增強熱療對各種腫瘤細胞的抗癌效果，同時還能顯著消減熱療對正常細胞的損傷，實現了氫療對熱療的增效、減毒。進一步的生物安全性研究結果表明：PdH0.2納米材料具有較高的安全注射劑量，優良的血液安全性及組織兼容性。

文獻鏈接： Local Generation of Hydrogen for Enhanced Photothermal Therapy, Nature Communications 2018, 9, 4241. doi: 10.1038/s41467-018-06630-2

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