谷战军课题组

课题组周如意同学在《Biomaterials 》上发表了关于含铋杂多钨酸盐用于增强肿瘤放射治疗的研究论文

2019-02-20 09:47来源:Biomaterials微信公众号作者:Biomaterials浏览数:432 


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新型“辐射催化”增敏剂:可调控肿瘤微环境的含铋杂多钨酸盐用于增强肿瘤放射治疗

Biomaterials杂志 201922019年1月7日

研究内容简介

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图1. 肿瘤微环境调控的“辐射催化”增敏剂的机制说明。(1)物理增敏:加强对X-ray的吸收,直接作用杀死肿瘤细胞;(2)通过氧化还原反应消耗肿瘤细胞内过表达的还原型谷胱甘肽,实现肿瘤微环境调控;(3)基于辐射催化活性催化过氧化氢产生羟基自由基,增强对肿瘤的杀伤。


肿瘤放射治疗(Radiotherapy)是目前临床癌症治疗的主要方式之一,可以实现局部抑制肿瘤。迄今为止,科研工作者基于纳米材料的优越性已经制备出多种放疗增敏剂用于内部放射性治疗和外部放射性治疗,达到提高放射治疗的效果。然而,肿瘤组织(特别是实体瘤)因其血管扭曲和快速生长容易造成肿瘤乏氧,使肿瘤细胞的放射抵抗性增加2-3倍,直接导致放射治疗的效果不如人意。其次,肿瘤细胞内高表达的还原型谷胱甘肽(Glutathione,GSH,比正常细胞内的浓度高4倍)可以有效地清除在放射治疗过程中产生的活性氧自由基(ReactiveOxygen Species,ROS),严重影响了放射治疗的效果。


肿瘤微环境(Tumor Microenvironment,TME)的有效调控为提高放射治疗的效果提供了新的机遇。肿瘤细胞的新陈代谢快,使其还原型谷胱甘肽和过氧化氢的含量较正常细胞要高。在放射治疗过程总,若能在降低肿瘤细胞内还原型谷胱甘肽水平的同时提高活性氧自由基在肿瘤组织内的有效浓度,将有利于选择性地杀伤肿瘤细胞,起到放射增敏的效果。因此,本工作将利用多酸团簇结构和性质的多样性实现对肿瘤微环境的调控,包括扰乱抗氧化系统消耗还原型谷胱甘肽、辐射催化过表达的低毒过氧化氢转化成高毒的羟基自由基,达到提高放射治疗效果,降低毒副作用的目的。


含铋的杂多钨酸盐纳米团簇BiP5W30因其良好的水溶性、高原子序数元素、氧化还原活性和催化活性有潜力成为能调控肿瘤微环境的放疗增敏剂。首先,BiP5W30拥有丰富的高原子序数元素铋和钨,可以显著增强对X射线的吸收。其次,因为过渡金属钨处于最高价态,再加上能级匹配,能够接受来自还原型谷胱甘肽的电子,将其氧化成氧化型谷胱甘肽(GSSG),耗尽肿瘤细胞内高表达的还原型谷胱甘肽。更重要地是,BiP5W30在X-ray的照射下能产生电子-空穴对,产生的电子可以传递给肿瘤微环境中过表达的过氧化氢,产生高毒的羟基自由基,进而杀死肿瘤细胞。为进一步提高BiP5W30的辐射催化性能,我们将还原的氧化石墨烯(Reucedgraphene oxide)和BiP5W30结合形成异质结构,提高电荷分离效果,利于产生更多的羟基自由基以作用于肿瘤细胞。此外,还原的氧化石墨烯在近红外的照射下能将光能转化为热能,不但能促进肿瘤血管内血液的流动,改善肿瘤组织的乏氧环境,减小对放射抵抗性,而且还能直接杀死肿瘤细胞。因此,具有氧化还原活性和辐射催化活性的BiP5W30作为“辐射催化”增敏剂不仅可以增强X射线的沉积以降低放射治疗的剂量,还可以通过耗尽肿瘤细胞内谷胱甘肽的水平、辐射催化过氧化氢产生羟基自由基和改善乏氧来调控肿瘤微环境,实现肿瘤的可控并且原位高效放射治疗。


该论文的第一作者为中国科学院高能物理研究所的周如意同学,中国科学院高能物理研究所的谷战军研究员和晏亮副研究员,以及中国科学院过程工程研究所的张光晋研究员为该论文的共同通讯作者。


课题组简介

谷战军,中国科学院高能物理研究所研究员,博士生导师,国家优秀青年基金获得者。2002年本科毕业于华中科技大学,2007年博士毕业于中国科学院化学研究所(导师:姚建年院士),随后在美国佐治亚大学开展博士后研究(合作导师:潘正伟教授)。2009年10月进入中国科学院高能物理研究所纳米生物效应与安全性重点实验室工作任副研究员,2016年12月晋升为研究员。主要研究方向为新型多功能纳米材料的设计合成和生物安全性评价,以及其在生物成像和癌症综合治疗等方面的应用。


课题组主页:http://www.guzjlab.org


基金资助

该研究得到了国家基础研究项目(2016YFA0201600, 2015CB932104),国家自然科学基金委(51822207, 51772292, 31700866, 31571015, 11621505, 11435002, 21320102003),中国科学院青年创新促进会(2013007)和中国科学院前沿科学重点研究专项(QYZDJ-SSW-SLH022)的支持。


论文信息

Paper information

Ruyi Zhou, Huamei Wang, Yufei Yang, Chenyang Zhang, Xinhua Dong, Jiangfeng Du, Liang Yan*, Guangjin Zhang*, Zhanjun Gu*, Yuliang Zhao, Tumor microenvironment-manipulated radiocatalytic sensitizer based on bismuth heteropolytungstate for radiotherapy enhancement, Biomaterials 2019, 189: 11-22. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2018.10.016