李景虹院士JACS: 原子级纳米环进行光声成像和PTT/PDT联合治疗

NanoLabs

2020-01-03

第一作者：Yongji Wang、Ningqiang Gong

通讯作者：李景虹

通讯单位：清华大学

光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT）纳米剂显示出巨大的癌症治疗潜力。这种纳米材料在肿瘤区域积聚，在那里材料可以将吸收的近红外（NIR）光能转化为热能，导致局部高温杀死癌细胞。此外，许多此类材料会产生高水平的活性氧（ROS），也可有效诱导癌细胞死亡。

随着纳米技术的发展，癌症治疗取得了重大进展。这些进展包括功能化的金属纳米颗粒、有机光敏剂、半导体聚合物和2D纳米片。与同类产品相比，超薄结构具有出色的抗癌性能。此外，如果纳米材料颗粒足够小，尤其是具有原子级尺寸的纳米材料颗粒，那么它们的大表面积会产生许多新的光学效应。还有，可以使用掺杂使这些材料具有新颖的光学性质。因此，这种纳米材料可以在癌症治疗学中具有独特的应用。

在先前的研究中发现，通过调节掺入七钼酸铵中的硫的量，可以容易地合成原子级的环状治疗剂，称之为“原子级纳米环”（A-NRs）。此外，还报道了硫掺杂对A-NRs的形成至关重要，无硫源时，只能获得MoO₂纳米粒子，然而，过量的硫掺杂则形成S-MoO_x纳米片，因此，适当的硫掺杂才会导致晶态向非晶态转变。A-NRs结构限制了其原子和电子的自由度，使S-MoO_x A-NRs具有较高的光热转换效率。此外，与其他几何形状的纳米材料相比，环形纳米材料显示出更好的肿瘤堆积。

成果简介：

有鉴于此，清华大学李景虹院士等人利用先前研究的原子级纳米环用于生物医学研究，采用DSPE-mPEG2000包覆纳米环，以提高S-MoO_x A-NRs的生物相容性。PEG@S-MoO_x A-NRs能允许进行光声成像（PAI）引导肿瘤的检测和PTT/PDT联合治疗，这被证明是一种有前景的肿瘤治疗策略。

图1. 示意图

要点1：材料制备与表征

材料表征实验表明，A-NRs的直径约为20nm，厚度约为0.5nm，从红外光谱和粒径的增加可以看出A-NRs已被成功包覆上PEG层。研究人员还评估了PEG@S-MoO_x A-NRs的稳定性和光热转化能力，发现它们表现出良好的光稳定性和胶体稳定性以及强的近红外吸收，而且光热转化效率相比其他纳米粒子都要高。

另外，研究人员发现PEG@S-MoO_x A-NRs在近红外光照射时能产生ROS，且在NIR区域具有强吸收和浓度依赖的PA信号强度。

 图2. 材料制备与表征

要点2：细胞实验

研究人员进行细胞相关实验，实验表明，S-MoO_x A-NRs具有良好的生物相容性，且表明PDT/PTT协同作用机制参与了肿瘤细胞的杀伤。（此处，研究人员使用去除PDT效应的试剂：N-乙酰半胱氨酸，进行处理）。另外，通过活死细胞染色和活性氧探针检测表明S-MoO_x A-NRs是体外杀死癌细胞的良好光疗剂。

图3. 细胞实验

要点3. 体内抗肿瘤实验

研究人员使用体内模型研究了三种纳米材料的抗肿瘤作用。即：PEG@MoO₂纳米颗粒，S-MoO_x A-NRs或PEG@S-MoO_x纳米片。PEG@S-MoOx A-NRs显示出比其他两种材料更好的治疗效果。

另外，在i.v.注射后，PA成像表明，PEG@S-MoOx A-NRs具有更好的肿瘤累积。后面进行NIR照射进行治疗，结果表明PTT / PDT联合治疗组的治疗效果更好，且在体内无毒性。因此，PEG @ S-MoOx A-NRs具有优异的光疗功效和生物相容性。

图4. 动物实验

小结：

综上所述，通过合成了原子级超薄硫掺杂的氧化钼纳米环，并用DSPE-mPEG2000对其进行了包覆。这些颗粒在808 nm激光照射下表现出高的光热转化率和ROS生成能力。所有的体外和体内实验均表明，PEG@S-MoO_x A-NR可用作体内的PAI和PTT / PDT协同治疗治疗剂。因此，这些A-NRs在未来的生物医学应用中具有巨大的潜力。

参考文献：

Yongji Wang, Ningqiang Gong, Yujie Li, Qichen Lu, Xun Wang, and Jinghong Li. Atomic-Level Nanorings (A-NRs) Therapeutic Agent for Photoacoustic Imaging and Photothermal/Photodynamic Therapy of Cancer. Journal of the American Chemical Society 2019.

DOI: 10.1021/jacs.9b11553

https://doi.org/10.1021/jacs.9b11553