上海交大在多功能半金屬納米生物材料領域取得重要進展

2020-11-24 集微網

最近，上海交通大學材料科學與工程學院&金屬基複合材料國家重點實驗室李萬萬研究員科研團隊在多功能半金屬納米生物材料領域取得了重要的研究進展，研究成果以「Ultrasmall Semimetal Nanoparticles of Bismuth for Dual-Modal Computed Tomography/ Photoacoustic Imaging and Synergistic Thermoradiotherapy」為題，發表在材料領域著名期刊《ACS Nano》(IF=13.334, DOI: 10.1021/acsnano.7b00476)上。該研究報導了一種基於超小半金屬鉍納米顆粒多功能納米診療試劑，它不僅實現了對腫瘤組織的雙重造影（光聲成像（PA）和X射線計算機斷層掃描（CT））及對腫瘤組織的光熱及放療的協同治療，同時表現出了低生物毒性和快速組織代謝能力，表明該新型半金屬納米材料在腫瘤的診斷與治療領域應用前景廣闊。

圖1表面修飾靶向多肽分子的超小半金屬鉍納米顆粒可實現對腫瘤組織的雙重造影（光聲成像（PA）和X射線計算機斷層掃描（CT））及對腫瘤組織的光熱及放療的協同治療。

近年來，納米技術和生物醫學的飛速發展促進了多功能納米生物材料在癌症診斷和治療領域的應用，特別是推動了癌症診斷治療一體化的發展。多功能納米材料是指一類集多種診斷或治療功能於一體的納米體系，當材料應用於生物體後，通過相應的外部手段幹預可激發出材料的各個功能，進而達到腫瘤組織診斷或者治療的目的。傳統策略是將具有不同功能的納米材料複合成為一個整體的納米體系，其中多重功能由納米材料的不同成分實現。由於大尺寸納米材料容易富集並長時間存留在生物體的重要器官中（特別是肝、脾等），導致生物毒性，因此設計並製備出可快速代謝的多功能納米生物材料逐漸成為研究的熱點。放射治療和光熱治療是目前腫瘤治療的重要手段，前者利用放療增敏劑提高腫瘤組織中高能X射線的含量破壞組織結構進而殺死癌細胞，後者則利用光熱材料在近紅外光照射下對腫瘤組織的熱效應達到殺死癌細胞的目的。通過將納米技術的優點與放療增敏劑和光熱材料等的需求結合在一起，一系列新型納米生物材料逐漸被製備並應用於腫瘤的診斷和治療研究中。

半金屬（如銻、鉍等）是一類介於金屬和半導體之間的物質，當這類材料的粒徑降低到納米尺度時由於量子尺寸效應會表現出獨特的材料性能。其中，由於半金屬鉍具有高原子序數、低有效載流子質量、長費米波長和小的能帶重疊，因此鉍類納米材料如硫化鉍、硒化鉍等被廣泛的應用於腫瘤放療和光熱治療研究以及腫瘤造影領域。然而，雖然諸多研究表明二元或者三元鉍類納米材料的治療和造影效果都源自於鉍元素，但是目前尚未有任何工作報導純鉍納米材料是否具備腫瘤治療和造影等效果以及能否應用於動物實驗。同時，這些研究因更多的關注生物結果，忽視了從鉍元素本質是半金屬的角度去研究這一類材料。  

圖2 (a)超小半金屬鉍納米顆粒及其光熱特性；(b)半金屬銻納米棒束；(c)半金屬化合物硫鉍銅納米棒。

研究團隊近年來主要從事半金屬及其化合物的製備及應用研究，基於前期半金屬銻納米顆粒（Biomaterials, 2015, 45: 18-26）和半金屬化合物硫鉍銅納米棒（Biomaterials, 2017, 112: 164-175）的研究成果，通過設計新合成方法製備了尺寸為3.6 nm的超小半金屬鉍納米材料，並在材料表面修飾了可特異性結合腫瘤表面p32蛋白的小分子多肽（CGNKRTRGC, LyP-1）以提高納米材料在腫瘤中的富集。研究結果表明，該半金屬鉍納米材料是一類新型的多功能納米材料，具備優異的光熱轉換效率（1064 nm, 32.2%）和放療增敏特性（SER10=1.248），可用於近紅外二區雷射（1064 nm）激發的光熱治療和低劑量放射治療。經多肽修飾後的半金屬鉍納米材料在細胞以及小鼠器官內中的富集含量均有所提升，並且無明顯的細胞毒性和長期生物毒性。研究同樣發現半金屬鉍納米材料表現出優異的雙模光聲和CT造影能力，同時具備高效的小鼠乳腺癌腫瘤放療和光熱協同治療能力，印證了半金屬鉍納米材料的多功能特性。超小半金屬鉍納米材料能夠快速通過腎臟等器官從小鼠體內代謝的特性表明在診斷和治療手段介入後生物體不會因為納米材料而產生可能的毒副作用。這些工作不僅印證了鉍納米材料本身在生物醫學應用中的價值，還進一步證明了半金屬元素作為新型多功能納米材料優異特性，為納米診療試劑的研究和應用提供了新的選擇。  

圖3 表面修飾靶向多肽分子的超小半金屬鉍納米顆粒應用於小鼠乳腺癌腫瘤的光熱／放療協同治療。

論文第一作者為博士生於緒江，這項工作與蘇州大學醫學部放射醫學與防護學院的楊凱副教授合作共同完成，同時也得到了美國國立衛生研究院（(National Institutes of Health, NIH)陳小元教授的幫助。此外，研究工作的順利展開也得益於國家自然科學基金委和上海市科學技術委員會等科研項目的大力支持。

論文連結：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b00476

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