兩大院士強強聯手，光熱+放療有效改善腫瘤治療效力

【背景介紹】

近幾十年來，納米療法為惡性腫瘤提供了療效好、副作用低的全新的診療思路。光熱療法是利用光熱藥劑產生強大的局部熱量，并在盡量不損傷周邊組織的前提下對癌細胞進行消融作用。目前為止，貴金屬納米顆粒、二維納米片、金屬硫化物納米片和黑磷均被認為是極具潛力的光熱材料。然而，近紅外光相對較低的組織穿透深度使得難以根除腫瘤組織深部的癌細胞，同時光熱療法的輻射光熱轉換效率也有待進一步提高。而與此相比，放療具有更高的穿透能力，但常規的放療往往會對周邊正常組織產生嚴重的毒副作用。因此，設計能夠發揮光熱和放療協同作用的多功能納米結構對改善腫瘤治療具有重大的意義。

【成果簡介】

湖南大學的譚蔚泓院士和國家納米中心的趙宇亮院士聯合中科院高能物理所的Liang Yan（共同通訊作者）等人，通過將鉑化金納米粒子修飾到硫化銅納米片表面（AuPt@CuS）形成了一種新型等離子體異質結構的高效納米診療劑。該診療劑可用于雙模態光聲/CT成像，并能夠增強協同放射光熱治療能力。這些異質結構可以通過局部電磁增強產生更高的光熱轉換效率，也可以以谷胱甘肽消耗和活性氧產生的形式提高輻射劑量沉積，既提高了組織穿透深度，也緩解了腫瘤微環境的缺氧問題。在光熱消融與放療協同增強的作用下，腫瘤可以被高效消除并且不復發。這些多功能異質結構在雙模態成像系統的介導下可發揮協同的腫瘤治療效力，有望在未來惡腫瘤治療中發揮重要的作用。本文第一作者為蔡仁，研究成果以 “Plasmonic AuPt@CuS Heterostructure with Enhanced Synergistic Efficacy for Radiophotothermal Therapy”為題，2021年9月28日出版的《美國化學會雜志》發表了這項成果。。

【圖文解讀】

示意圖一、AuPt@CuS納米片用于增強協同放射光熱治療的示意圖

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圖一、AuPt@CuS納米片的表征

（a,b）AuPt@CuS納米片的TEM圖像（插圖為SAED圖譜）；

（c,d）AuPt@CuS納米片的HR-TEM圖像；

（e）AuPt@CuS納米片的AFM圖像；

（f）AuPt@CuS納米片的STEM圖像和元素分布；

（g）AuPt@CuS納米片的XPS光譜；

（h-k）位于Cu 2p, Au 4f, Pt 4f, 和 S 2p 峰對應的XPS光譜。

圖二、AuPt@CuS納米片的光熱性能

（a-c）鉑化金納米顆粒、硫化銅納米片、鉑化金納米顆粒/硫化銅納米片混合物的紫外-可見-近紅外光譜（a）、溫度升高曲線（b）和紅外熱成像圖（c）；

（d）不同濃度AuPt@CuS納米片的溫度升高曲線；

（e）溫度變化與濃度關系圖；

（f）加熱和冷卻曲線；

（g）線性時間數據與-ln(θ);

（h）AuPt@CuS納米片懸浮液在五個輻照周期內的光熱曲線。

圖三、AuPt@CuS納米片的光吸收能力

（a,b）硫化銅納米片在808nm激光激發下的電場分布；

（c,d）AuPt@CuS納米片在808nm激光激發下的電場分布；

（e）AuPt@CuS納米片在808nm光照下光熱增強機制。

圖四、體外光熱消融能力

（a）4T1細胞存活率；

（b）在808nm激光輻照下4T1細胞存活率。

圖五、AuPt@CuS納米片的輻射能量沉積

（a）通過原子的電離和激發增強輻射能量沉積的機制；

（b）輻射誘導化學反應的電子轉移示意圖；

（c）在X射線輻照下硫化銅納米片、AuPt@CuS納米片和T80-AuPt@CuS納米片的輻射電流；

（d）組織、硫化銅納米片和AuPt@CuS納米片之間的質量衰減系數的比較；

（e）AuPt@CuS納米片的質量衰減系數。

圖六、輻射誘導AuPt@CuS納米片的化學反應

（a）DCFH熒光；

（b）THA熒光；

（c）XTT吸收；

（d）SOSG熒光；

（e）不同濃度AuPt@CuS納米片的谷胱甘肽消耗；

（f）e_aq^?與cyt c反應的紫外可見光譜。

圖七、光熱治療和放療協同的體外實驗

（a）細胞上的DCFH熒光圖像；

（b）病灶形成的定性表示；

（c）集落形成細胞的照片；

（d）JC-1染色的4T1細胞的共聚焦圖像；

（e）共定位分析；

（f）24小時的定性流式細胞術數據。

圖八、評估T80-AuPt@CuS納米片的光聲/CT雙模態生物成像能力

（a）T80-AuPt@CuS納米片和碘海醇在不同濃度下的HU值線性擬合（插圖為體外CT圖像）；

（b）注射T80-AuPt@CuS納米片前后荷瘤小鼠的體內CT圖像；

（c）溫和光熱加熱后的體內三維光聲圖像。

圖九、光熱治療和放療協同的體內實驗

（a）解剖腫瘤的重量；

（b）經歷不同治療后的相對腫瘤體積；

（c）解剖腫瘤的數碼照片；

（d）治療后小鼠的照片；

（e,f）治療后的腫瘤切片H&E染色；

（f）γ-H2AX染色代表第3天腫瘤切片的DSB。

【小結】

該研究構建了一種新型的AuPt@CuS納米片等離子體異質結構，顯示出高效的光聲/CT雙模態成像效果和增強的協同放射光熱治療作用。T80-AuPt@CuS納米片具有良好的分散性、高生物相容性、優異的光熱穩定性和強化的光熱轉換效率。此外，這種異質結構促進了輻射生成的空穴從硫化銅納米片遷移到鉑化金納米粒子，從而消耗細胞內的谷胱甘肽，而剩余的電子則轉移到細胞內過氧化物等高氧化物中，以增強局部輻射能量沉積。更重要的是，異質結構在體內和體外都顯示出光熱和放療協同增強的治療效果，同時也沒有產生任何顯著的副作用。這項工作為開發用于成像引導的光熱-放射協同增強療法提供了重要的實驗依據。本研究得到澳大利亞Swinburne University of Technology的Yang Dan博士和Lin Keng-Te博士，以及韓國Ulsan National Institute of Science and Technology的Lee Jong Hoon博士的支持。

文獻鏈接：Plasmonic AuPt@CuS Heterostructure with Enhanced Synergistic Efficacy for Radiophotothermal Therapy, JACS, 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c06652.