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客观日本|癌症光热疗法新材料！日美中联合开发成功兼具“光热稳定性”和“快速降解”性的高效光热剂


【客观日本|癌症光热疗法新材料！日美中联合开发成功兼具“光热稳定性”和“快速降解”性的高效光热剂】日本国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构量子医学医疗部门放射线医学综合研究所先进核医学基础研究部门的博士研究员胡宽 ， 部长张明荣教授等人与与美国哈佛大学布莱根妇女医院Wei Tao教授课题组 ， 中国暨南大学王璐教授课题组和哈佛大学麻省总医院Steven Liang 教授课题组合作 ， 开发成功了一种新的基于BPNS的光热剂 ， 为兼具良好的“光热稳定性”和“快速降解性能”提供了一种可行的解决方案 。 该最新成果发表在《自然》子刊《Nature Communications》 ， 题为“Marriage of black phosphorus and Cu2+ as effective photothermal agents for PET-guided combination cancer therapy” 。
【开发背景】作为一种微创、精确可控和治疗效果良好的治疗模态 ， 光热治疗（PTT）-一种利用光热材料将光能转化为局部过热 ， 从而杀死癌细胞的治疗方式 ， 近年来在前临床和临床实践中获得了可喜的成就 。 在最近的一项临床前瞻性实验中 ， 美国科学家将金-硅纳米壳 （gold-silica nanoshells ，GSN）用于局部热消融前列腺内的低中度肿瘤 ， 结果鼓舞人心—— 在94％（15/16）的患者中成功实现了GSN介导的聚焦激光消融 ， 并且展现出良好的安全性 。 此外 ， 氧化铁纳米颗粒 （NanoTherm, Magforce）已在欧洲被批准用于临床光热治疗 。 由于上述临床应用方面的显著进展 ， 使得肿瘤光热治疗成为一种前景巨大的治疗模式 ， 将对癌症的临床治疗实践产生重要的意义 。
尽管如此 ， 作为光热治疗的基石和关键组成部分——光热剂（PTA） ， 仍然存在着不足和改善的空间 。 一种理想的光热剂必须同时满足多个条件 ， 其中就包括: (1) 优良的光热转换效率和光热稳定性；（2）快速的体内降解并被代谢排出体内 ， 以降低潜在的副作用 。 目前报道的光热剂 ， 如无机纳米材料 ， 具有很高的光热稳定性和光热转化效率 ， 然而 ， 这些纳米颗粒很难被活体代谢 ， 通常在体内停留数月甚至更长时间 ， 带来了相应的安全隐患 。 还有一些其他的有机光热分子 ， 如吲哚菁绿（ICG） ， 虽然表现出令人满意的生物安全性 ， 但是 ， 快速的体内清除使得它们的光热稳定性难以满足临床光热治疗的需求 。 此外 ， 频繁的施加激光照射 ， 将进一步加速有机光热剂的降解 。 虽然光热稳定性的问题可以通过提升注射剂量来解决 ， 但是 ， 这也将导致更高的代谢器官（如肝脏和肾脏）负荷 ， 从而引发新的临床问题 。 上述大多数传统光热剂在“光热稳定性”和“快速降解”两方面的互不兼容的矛盾 ， 是目前发展光热疗法亟需解决的瓶颈问题 。
如果将光热剂的“光热稳定性”和“快速降解性”比作硬币的两面 ， 那么 ， 如何通过巧妙的设计 ， 使硬币“站立” ， 同时展现出优良的光热稳定性和快速降解性 ， 从而实现“理想”的光热治疗 ， 是目前该领域尚未解决的重要科学问题 。 黑磷纳米片（BPNS） ， 是一种生物兼容且可降解的二维纳米材料 。 作为一种光热剂 ， 目前已被广泛应用于前临床肿瘤光热治疗 。 但是 ， BPNS是一种对水-氧环境易感的材料 ， 在体内会快速被降解成磷氧化合物（PxOy）, 从而失去光热治疗性能 。 尽管目前已有多种通过对BPNS进行共价或者非共价的修饰方法来对黑磷的光热稳定性进行改善 ， 但是 ， 这种改善是以损失优异的降解性能作为代价 。 如何在不损失BPNS的降解性能的基础上 ， 提升BPNS的光热性能和治疗效果 ， 从而实现“鱼和熊掌” 兼得 ， 是科学家追求的目标之一 。
客观日本|癌症光热疗法新材料！日美中联合开发成功兼具“光热稳定性”和“快速降解”性的高效光热剂
本文插图
图一. 研究出发点和研究内容示意图
【研究方法和成果】研究人员将二价金属铜离子(Cu2+)与BPNS进行有机结合 ， 实现了“一举多得”的效果 。 该设计的优势主要表现为: (1) BPNS可以高效负载Cu2+; （2）基于Cu的纳米材料（如硫化铜纳米颗粒）是良好的光热剂 ， 因此 ， BPNS 与 Cu 可以实现协同光热作用 ， 进一步提升光热治疗性能；（3）Cu(II) 可以与P(0) 发生氧化还原反应 ， 从而促进BPNS的降解；（4）反应生成的Cu(I)离子是一种类Fenton 反应催化剂 ， 可以与肿瘤微环境中的H2O2发生反应 ， 从而产生高浓度的?OH自由基 ， 杀伤癌细胞 ， 进而实现化学动力学治疗（Chemodynamic therapy）联合的光热治疗; (5) Cu-64是一种常用的对纳米药物进行示踪的正电子发射核素 ， 可以用于正电子发射断层扫描成像（PET）和b-线治疗 ， 目前已用于多项临床研究 。


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