Adv. Mater.：聚（乙烯基吡咯烷酮）和硒代半胱氨酸修飾的Bi2Se3納米顆粒增強對腫瘤組織放療效果的同時提升正常組織的放療防護功能

【背景介紹】

迄今為止，放射治療（RT）仍然是癌癥治療的重要手段之一。高能電離輻射，如γ射線或X射線，除了輻射本身可以對腫瘤細胞DNA造成損傷外，還能夠通過電離細胞中的氧氣或水分子，產生具有細胞毒性的活性氧自由基（ROS）增強對腫瘤細胞的殺傷作用，并且其不受腫瘤組織在機體中深度的限制。因此，臨床上超過50％的癌癥患者在其治療過程中都會接觸到放射治療。隨著納米技術的不斷發展，眾多具有納米尺度的放射增敏劑被不斷開發出來，其可以有效的增強放療對腫瘤組織的放射增敏作用。但在增強放療效果的同時，如何有效的降低輻射對正常組織帶來的副作用卻一直未有報道。因此如何設計一種納米尺度的放療增敏劑使其不但可以增強對腫瘤組織的殺傷效果，還可以有效的降低放療對正常組織帶來的副作用就顯得極為迫切。

【成果簡介】

近日，來自中國科學院高能物理研究所的谷戰軍研究員、國家納米科學中心的陳春英研究員和趙宇亮研究員（共同通訊）等人研發了一種基于聚（乙烯基吡咯烷酮）和硒代半胱氨酸修飾的Bi₂Se₃納米粒子（PVP-Bi₂Se₃?@ Sec NPs）的新型多功能納米放療增敏劑，使其可以同時增強對腫瘤組織的放射治療效果和減少輻射對正常組織帶來的副作用。其所制備的納米顆粒由于具有較強的X射線衰減能力和較高的NIR吸收能力，使其在808nm NIR激光照射下，可以通過熱療改善腫瘤的乏氧環境增強X射線對腫瘤組織的殺傷能力。此外，瘤內注射的PVP-Bi₂Se₃?@ Sec NPs在生物體內可以發生降解，痕量的硒可以從NPs中逐步釋放并進入血液循環系統參與硒酶的合成，進而增強免疫功能，減少輻射對全身造成的副作用。實驗研究發現，與單獨接受X射線照射組相比，瘤內注射了納米材料的模型動物，在X射線照射后，其血清中的超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶的活性明顯升高，同時血清中的細胞免疫因子分泌水平也明顯升高，血液中的白細胞數量未發生明顯下降，并且射線對骨髓DNA抑制作用也顯著降低。此外，無論在體內還是體外試驗中，實驗所選用濃度的PVP-Bi₂Se₃?@ Sec NPs在治療過程中沒有表現出明顯的毒性，這表明PVP-Bi₂Se₃?@ Sec NPs具有良好的生物相容性。該工作的第一作者為蘇州大學的博士研究生杜江鋒。相關結果以題為“Poly(Vinylpyrollidone)- and Selenocysteine-Modified Bi₂Se₃?Nanoparticles Enhance Radiotherapy Efficacy in Tumors and Promote Radioprotection in Normal Tissues”發表在了最近一期Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1 PVP-Bi₂Se₃?@Sec NPs表征和細胞實驗結果

a）PVP-Bi₂Se₃?@Sec NPs的TEM圖像

b）PVP-Bi₂Se₃?@Sec NPs的HR-TEM圖像

c）PVP-Bi₂Se₃?@Sec NPs的AFM圖像

d）PVP-Bi₂Se₃?@Sec NPs的XRD圖

e）具有不同濃度（5, 20, 60和100μg﹒mL ^-1）的PVP-Bi₂Se₃?@Sec NPs的UV-vis-NIR吸收光譜

f）不同濃度（0,5,10,20,40,60,80,100,160和200μg﹒mL^?-1）的PVP-Bi₂Se₃?@Sec NPs水溶液在808 nm激光器照射下的升溫曲線?

g）濃度為50μg﹒mL^-1的PVP-Bi₂Se₃?@Sec NPs溶液的光熱穩定性，激光器循環開/關四次，功率為1.0 W﹒cm ^-2

h）用100μg﹒mL ^-1?PVP-Bi₂Se₃?@Sec NPs培養24小時后，利用暗場光學顯微鏡觀察細胞對納米材料的攝入情況

i）用不同濃度的PVP-Bi₂Se₃?@Sec NPs培養24小時后，BEL-7402細胞的細胞活力變化

圖2 體內光熱和放射聯合治療效果

a）在裸鼠腫瘤部位原位注射PBS和PVP-Bi₂Se₃?@Sec NPs（劑量= 4mg﹒kg -1）后，使用808 nm激光器照射腫瘤部位，在不同的時間點檢測腫瘤區域的溫度變化

b）激光照射期間紅外熱像儀監測的腫瘤溫度變化

c）不同處理組裸鼠的腫瘤體積生長曲線

d）在治療結束時，不同處理組裸鼠的腫瘤的平均重量

e）不同處理組在第28天時，裸鼠（n = 3）的光學代表性圖片

f）不同處理組裸鼠腫瘤切片的H&E染色圖像

圖3 納米材料中的硒在體內的釋放和轉化，以及減少放療副作用

a-d）a）腫瘤，b）血清，c）腎，d）肝臟中Bi 和?Se分別在接受不同處理條件后1,3和7天時的含量

e）處理3天后，血清中的細胞因子表達水平與對照組的倍數關系

f）血清中SOD酶在不同時間點的表達水平（n = 4）

g）血清中GSH-Px在不同時間點的表達水平（n = 4）

h）血液中的WBC在不同時間點的含量（n = 4）

i）骨髓中DNA在不同時間點的含量（n = 4）

【總結】

該工作合成了一種新型的納米放療增敏劑——PVP-Bi₂Se₃@Sec NPs，利用其較高的NIR吸收和較強的X射線衰減能力，第一次報道了該納米顆粒不僅可以通過聯合熱療和放療增強對腫瘤細胞的殺傷效果；還可以通過硒元素的逐步釋放和轉化，增強機體免疫力，降低放療對正常組織帶來的副作用。

文獻鏈接：Poly(Vinylpyrollidone)- and Selenocysteine-Modified Bi2Se3 Nanoparticles Enhance Radiotherapy Efficacy in Tumors and Promote Radioprotection in Normal Tissues（Adv. Mater.,2017,DOI：10.1002/adma.201701268）

本文由材料人生物材料組Allen供稿，材料牛編輯整理。

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