谷战军课题组

臧元和龚林吉在《ACS AMI》上发表关于Bi2WO6半导体纳米片通过物理增敏和辐射催化途径提高放疗疗效的工作

2019-05-19 14:18来源:原创作者:龚林吉浏览数:277 


放射治疗是利用放射线治疗肿瘤的一种局部治疗方法,目前已成为临床上最常用、最有效的恶性肿瘤治疗手段之一。在放射治疗过程中,DNA是主要的靶分子,离子辐射通常有两种方式损伤DNA:一是可直接离子化DNA分子,导致DNA单链或双链断裂及碱基交联等多种类型的损伤;二是高能射线间接的与组织内的水发生反应生成自由基,与DNA结合,使靶分子DNA发生电子转移而被氧化,诱导细胞DNA损伤,从而导致细胞受损或凋亡。但放射治疗仍存在辐射剂量高、对健康组织副作用大,特别是肿瘤细胞放射抵抗性强等缺点

随着纳米医学的发展,多功能纳米放疗增敏剂为增强肿瘤细胞放射敏感性、提高放疗效果提供了新机遇。X射线吸收系数μ与入射X射线能量E和原子系数Z的关系为:μ=ρZ4/(AE3),其中ρ为密度,A为原子质量,可见原子系数Z的变化会对吸收系数μ造成显著的变化。所以,含有高原子系数元素的纳米材料拥有更强的X射线能量衰减能力,具有潜在的医学应用价值(例如CT成像造影剂和肿瘤放疗增敏剂)。目前研究较多的含高原子序数金属元素的纳米放疗增敏剂主要有贵金属和半导体纳米材料两种类型。一方面,含高原子序数金属元素的纳米粒子对射线具有较高的吸收能力,将其引入肿瘤组织中可以增加组织或细胞与射线的反应截面,提高对高能射线能量的有效沉积。经过高能射线辐照,纳米颗粒吸收射线后发生多种作用(如光电效应、康普顿效应),发射出光电子、俄歇电子、康普顿电子等二次电子(图1),这些二次电子不仅可以直接与DNA作用,还可以与癌细胞内的生物分子或水反应生成大量自由基,进而达到提高放疗效果的目的,这一过程属于物理增敏机制。另一方面,高能射线与半导体纳米颗粒相互作用产生的辐射催化效应也可能诱发自由基生成的生化反应,进而提高放疗疗效,但这方面的研究工作较少。半导体纳米材料放射催化机理与光催化过程类似(图2),不同之处主要是高能光子(而不是紫外或可见光)可将电子击出纳米材料,当keVMeV能量级的高能光子(如X射线和γ射线)照射高原子密度和电子密度的半导体纳米材料时,会产生光电效应、康普顿散射或电子对湮没现象,生成空穴(h+和溅射出材料的二次电子(e),进而通过氧化还原反应诱导产生羟基自由基、超氧阴离子自由基等活性物质,可以损伤肿瘤细胞,从而具有放疗增敏剂的作用。

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1 X 射线与含高原子系数元素纳米材料相互作用 (来源:物理化学学报 2018, 34, 140-167.)


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2 纳米材料光催化和辐射催化的机理图(来源:Nanotechnology 2013, 24, 325103


Bi2WO6是最简单的Aurivillius型层状氧化物之一,其禁带宽度约为2.7 eV具有良好的紫外和可见光响应的光催化性能。在2017年,国外研究发现Bi2WO6纳米片在205 kVp X射线的辐照下展现出了优于BiPO4TiO2的辐射催化降解苯酚的能力(J.Phys. Chem. C 2017, 121, 10538−10545)。此外,Bi2WO6用于肿瘤CT成像和近红外光热/光动力治疗的工作也已报道(ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 1132; Chem. Eng. J. 2018, 351, 1147),表明Bi2WO6纳米材料具有良好的生物安全性。资料显示,高系数金属元素Bi (Z=83)W (Z=74)100 keV时的X射线质量衰减系数分别为5.744.44 cm2/g,远高于常用于造影剂的碘元素的X射线质量衰减系数(1.94 cm2/g, 100 keV)

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3 Bi2WO6半导体纳米片通过物理增敏和辐射催化途径提高放疗疗效


基于以上背景,我们假设并证实了生物相容性良好的Bi2WO6半导体纳米片具有肿瘤放疗增敏的潜能,可以通过物理增敏和辐射催化途径共同提高放疗疗效(图3,图4)。Bi2WO6的片层结构赋予其较大的比表面积,有利于BiW原子与X射线的相互作用,促进二次电子和自由基的生成。光电流检测表明Bi2WO6半导体纳米片在X射线的照射下可以实现电荷分离产生电子-空穴对(e-h+),可以通过辐射催化作用进一步促进自由基产额。γ-H2AX实验证实了Bi2WO6半导体纳米片在X射线的照射下可以提高肿瘤细胞DNA损伤效果。动物活体放疗实验表明,Bi2WO6半导体纳米片在X射线的照射下具有优异的肿瘤抑制效果。作为一种新型光功能纳米材料,Bi2WO6的生物医学应用与激发光源密切相关。由于组织的散射和吸收,紫外或可见光的组织穿透深度通常在几百微米,而近红外光(600–1350 nm)的组织穿透深度大约为1–3毫米(数据来源:Nat. Biomed. Eng. 2017, 1, 0008)。因此,与Bi2WO6紫外或可见光催化相比,X射线诱导的辐射催化可以发生在较深的肿瘤组织中;与已报道的Bi2WO6用于肿瘤近红外光热/光动力治疗的工作相比,本研究工作中使用的X射线具有更大的组织穿透深度和临床转化前景。综上所述,本研究工作为肿瘤放疗增敏提供了一种新的可供选择的纳米技术解决方案。相关工作以“Bi2WO6 Semiconductor Nanoplates for Tumor Radiosensitization through High-Z Effects and Radiocatalysis”为题于近期发表在美国化学会旗下《ACS Applied Materials & Interfaces》杂志上(DOI: 10.1021/acsami.9b03636),臧元和龚林吉为本文的共同第一作者,山东科技大学王清教授和中国科学院高能物理研究所谷战军研究员为本文的共同通讯作者。


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4 Bi2WO6半导体纳米片肿瘤放疗增敏(a) Bi2WO6纳米片形貌;(b) Bi2WO6X射线的响应能力和光电流检测;(c) X射线照射Bi2WO6促进ROS产生;(d) Bi2WO6半导体纳米片辐射催化产生自由基的可能机理(e) PVP-Bi2WO6处理后HeLa细胞的存活率;(f) PVP-Bi2WO6放射治疗肿瘤抑制效果


文献引用:

Zang Yuan, Gong Linji, Mei Linqiang, Gu Zhanjun, Wang Qing. Bi2WO6 Semiconductor Nanoplates for Tumor Radiosensitization through High-Z Effects and Radiocatalysis. ACS Applied Materials & Interfaces 2019. DOI: 10.1021/acsami.9b03636

注明:本报道内容较多的参考了“多功能纳米材料在肿瘤放疗增敏中的应用”一文的内容,如需转载或使用本报道内容的读者,请务必引用:龚林吉, 谢佳妮, 朱双, 谷战军, 赵宇亮. 多功能纳米材料在肿瘤放疗增敏中的应用. 物理化学学报 2018, 34, 140-167.