東南大學吳富根團隊Small：源自蠟燭灰的碳納米洋蔥簇用于影像介導的腫瘤光熱治療

【引言】

癌癥是威脅人類健康的頭號殺手之一。目前，僅有手術、放射療法、化學療法廣泛應用于癌癥治療。但是上述治療手段在殺傷癌細胞的同時也會破壞正常組織和免疫系統，或導致癌細胞對治療的耐受性增強從而使病情進一步惡化。近年來，光熱療法（PTT）作為一種新型腫瘤治療方法，憑借其對機體創傷小、癌細胞難產生耐受性等優點吸引了學者們的廣泛關注。PTT通常利用高光熱轉換效率的材料在腫瘤區域富集，然后在與外部光源（出于穿透深度考慮通常選用近紅外光）照射下產生局部高溫殺滅癌細胞。PTT的核心便是光熱試劑（PTAs）的制備。盡管人們開發了多種有機、無機PTAs，但是多數有機PTAs在光照下不穩定或光熱轉化率不盡如人意；無機PTAs通常含有重金屬，其在體內的長期蓄積可能引發安全性問題。因此，開發新型PTAs在腫瘤診療等領域具有重大意義。多種碳材料（如碳納米管、氧化石墨烯、部分碳量子點、納米金剛石等）生物相容性好并在近紅外區有吸收，因而被用作PTAs。碳納米洋蔥作為碳材料家族較年輕的成員，其繁復的制備方法和苛刻的制備條件嚴重影響了其應用。另外，碳納米洋蔥的光熱性質也未得到充分重視。

【成果簡介】

???

最近，東南大學吳富根教授團隊報道了一種源自蠟燭灰的水分散性碳納米洋蔥簇，并將其用于影像介導的腫瘤光熱治療。簇狀的碳納米洋蔥在蠟燭燃燒的過程中生成，作者通過在硫酸和硝酸混合液（硫酸和硝酸的體積比為3：1）中50^oC超聲處理蠟燭灰4小時得到了水分散性碳納米洋蔥簇（CNOCs）。制得的CNOCs可以在水中穩定分散超過一年不沉淀，并且在磷酸鹽緩沖液（PBS）、細胞培養基中具有良好的膠體穩定性，利于其生物醫學應用。此外，CNOCs的光熱性質在已有的PTAs中名列前茅，其消光系數高達15.0 L g^?1?cm^?1，光熱轉化率高達57.5%，并具有很好的光穩定性。同時CNOCs在很大范圍的濃度內對細胞無明顯毒性，顯示出良好的生物相容性。但是作者在實驗中發現細胞對CNOCs的內吞很少，不利于高效的PTT。為增加細胞內吞，作者利用短鏈聚乙烯亞胺（PEI， Mw≈600 Da）、聚乙二醇（PEG，Mw≈5000 Da）對CNOCs進行了表面修飾。所得CNOCs-PEI-PEG一方面沿襲了CNOCs的優異光熱性質（光熱轉化率為56.5%）和生物相容性，另一方面極大地促進了細胞內吞。作者還發現了一個十分有趣的現象，A549（一種肺癌細胞）在含5?μg mL^-1?CNOCs-PEI-PEG的培養基中孵育24?h后，經過胰酶消化、離心得到的細胞團變為黑色，相比之下即使經過100?μg mL^-1?CNOCs處理24?h的A549離心得到的細胞團仍舊為白色，說明A549對CNOCs-PEI-PEG的攝取效率比CNOCs高出至少20倍。所以作者在后續實驗中將CNOCs-PEI-PEG作為主要研究對象。通過共聚焦顯微鏡觀察，CNOCs-PEI-PEG在被細胞內吞后會在溶酶體中發生聚集，為前述實驗中黑色細胞團提供了微觀層面的證據。隨后在小鼠體內實驗中，經過光熱成像/光聲成像的雙重介導，作者證明CNOCs-PEI-PEG可以通過EPR效應被動靶向腫瘤，并在近紅外光照射下可以使腫瘤區域升溫，進而實現小鼠皮下移植瘤的完全消融。為進一步探索CNOCs-PEI-PEG的生物分布，作者利用Cy5對其進行熒光標記，實驗結果表明小鼠可在一周之內將CNOCs-PEI-PEG-Cy5排出體外。上述研究成果以題為“Water-Dispersible Candle Soot–Derived Carbon Nano-Onion Clusters for Imaging-Guided Photothermal Cancer Therapy”發表在Small（2019, 15, 1804575）上，東南大學生物科學與醫學工程學院碩士生孫煒為文章第一作者，吳富根教授為通訊作者。

【圖文導讀】

圖一、CNOCs與CNOCs-PEI-PEG的制備與表征。

（a）CNOCs與CNOCs-PEI-PEG的制備示意圖。

（b）CNOCs的TEM和HRTEM圖。

（c）CNOCs的FTIR光譜圖。

（d）CNOCs的UV?vis光譜圖。

（e）不同濃度CNOCs分散液在808?nm的消光值。

（f）CNOCs-PEI-PEG的TEM和HRTEM圖。

（g）CNOCs、CNOCs-PEI、CNOCs-PEI-PEG的水動力學直徑。

（h）CNOCs、CNOCs-PEI、CNOCs-PEI-PEG的zeta電位。

圖二、CNOCs-PEI-PEG的體外細胞存活率（與CNOCs進行對比）。

（a）CNOCs-PEI-PEG的細胞毒性。

（b）與不同濃度CNOCs或CNOCs-PEI-PEG共孵育后的A549細胞經消化、離心后得到的細胞團照片。

（c）（b）中細胞團在808?nm近紅外光照射下的升溫曲線。

（d）經不同處理后A549細胞的凋亡/壞死情況統計。

（e）（b）中細胞團在808?nm近紅外光照后的細胞存活率。

圖三、A549細胞經過不同處理后的死活染色共聚焦顯微鏡圖。? ?

圖四、CNOCs-PEI-PEG在A549細胞內的亞細胞定位（與CNOCs相比較）。

（a）?（c）與CNOCs或CNOCs-PEI-PEG?共孵育后的A549細胞經過Hoechst 33342、LysoTracker Red共染的共聚焦顯微鏡圖。

（d）c_4?虛線選框部分的放大圖。

（e）（d）中路徑的線強度分析。

【小結】

綜上，本文開發了一種簡單的方法制備出一種新型的PTA：源自蠟燭灰的水分散性CNOCs，它具有高膠體穩定性、易表面修飾性、高光熱轉化率、以及良好的生物相容性。與CNOCs相比，經過PEI、PEG修飾后得到的CNOCs-PEI-PEG除具有以上優點之外，其被細胞攝取率顯著增加，進而可大大提高其體外的光熱治療效果。作者還利用CNOCs-PEI-PEG實現了小鼠體內雙模態光聲成像/光熱成像介導的高效腫瘤光熱治療。此外，作者通過Cy5修飾的CNOCs-PEI-PEG，追蹤了CNOCs-PEI-PEG-Cy5在小鼠體內的生物分布，并證明小鼠可在七天之內將其完全排出體外。無論是CNOCs還是CNOCs-PEI-PEG，它們的優異性質為其在生物醫學領域乃至更廣闊的應用領域（如催化、能源、環境等領域）提供了更多可能。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.201804575

本文由東南大學吳富根教授團隊供稿，材料人編輯部Alisa編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.