谷战军课题组

《化学学报》:纳米材料用于放疗防护的研究进展

2022-02-14 16:37浏览数:121 

放射治疗是利用高能射线抑制癌细胞增殖的治疗方法,已广泛用于恶性肿瘤的治疗。但是,高能射线不可避免地会对机体的正常组织造成损害,产生放疗相关副作用。尽管目前有一些小分子放疗防护药物已应用于临床或处于临床前研究,但其较短的血液循环时间和较差的稳定性极大地削弱了其防护效果。近20年来,随着纳米技术在生物医学领域的飞速发展,纳米放疗防护剂的出现为提高防护效果提供了新的选择。通过合理地设计和开发纳米放疗防护剂,有望解决现有小分子放疗防护药物的缺陷。

为此,中国科学院高能物理研究所谷战军研究员团队对纳米放疗防护材料的常见设计策略进行简要的分析,同时总结了放射诱导的常见疾病的致病机制和纳米放疗防护材料防治各种放射诱导疾病的研究现状,并在此基础上对纳米材料用于放疗防护所面临的挑战和未来前景进行了分析和展望。相发表于《化学学报》。

图1 纳米放疗防护剂的一般机制

癌症正逐渐发展为威胁人类健康的首要因素。放射治疗是临床广泛应用的癌症治疗手段,与手术治疗、化疗并称为三大肿瘤传统疗法。超过50%的癌症患者需要接受放射治疗,约有40%的肿瘤可以通过放疗根治。但是,放射治疗所用的高能电离射线(X射线和γ射线等)不仅会杀死肿瘤细胞,还会不可避免地损害病灶周围的健康组织,从而引发严重的副作用。正常组织遭受放射损伤的原因除电离辐射引起的细胞直接损伤外,还包括对未照射细胞的旁观者效应及免疫性炎性反应等。这些由放射治疗导致的正常组织或器官损伤除了会给患者造成更重的经济担负外,还会严重影响其后续的生存质量。以往的肿瘤放疗方案往往侧重于提高患者的生存率上,随着放疗技术的逐渐发展和临床治疗的患者数量不断增加,提高患者的生存质量正受到越来越多的关注。为了获得理想的放疗效果并减小副作用,需要平衡好放射的总剂量与周围正常组织的放射毒性阈值。因此,开发放射防护剂用以保护正常组织免受放射线引起的损伤,有益于获得理想的放疗效果并减轻副作用。迄今为止,研究者开发出了许多放射防护药物,但是这些放射防护剂大多数是有机小分子试剂,具有生物利用度低、体内循环时间短和代谢快等缺点,因而它们的药效较低,难以在毒性阈值下达到满意的防护效果。鉴于此,改善这些已有的小分子放射防护剂的生物利用度或开发新型的放射防护剂具有重要意义。随着纳米技术在生物医药领域的发展,多功能纳米材料为解决传统分子药物的缺陷提供了新的选择。近十年来,研究人员围绕小分子放疗防护药物纳米化及开发新型纳米放疗防护剂做了大量的努力。首先,一些放疗防护药物可以通过聚合实现纳米化。例如,将放疗防护药物水飞蓟素制备成纳米乳液提高了水飞蓟素的生物利用度。其次,纳米材料可以作为分子放疗防护药物的递送载体。众所周知,许多纳米材料是良好的药物输送载体。选择适当的纳米载体可将分子放射防护药物递送到体内,从而增加药物在体内的稳定性和循环时间,最终提高药物的生物利用度。例如,以竹炭纳米颗粒作为载体递送姜黄素,提高了姜黄素的生物利用度,较单独使用姜黄素实现了增强的放射防护效果。此外,除了能用作药物载体间接辅助放射防护外,某些纳米材料还具有本征的放射防护活性,因此有望被开发为新型的纳米放射防护剂。例如,具有自由基清除能力的碳基(如富勒醇和石墨炔等)、铈基(CeO2纳米颗粒)、贵金属基(Pt基和Pd基纳米晶等)、过渡金属硫族化合物(MoS2)和迈克烯(Nb2C)等纳米材料可以清除放射诱导的细胞毒性自由基,通过其出色的抗氧化能力保护健康组织免受放射诱导的损伤。在这篇述中,笔者重点介绍了多功能纳米材料在放射防护中的研究进展。首先,概述了纳米放疗防护剂的常见构建策略以及纳米材料发挥放射防护活性的构效关系。随后,结合各种放射性疾病的损伤机制,重点介绍了具有放射防护性质的纳米材料对各种健康组织的放射防护,包括对放射诱导的皮肤、造血系统、消化道、肺部、神经系统和心脏等部位的相关疾病的防治。

最后,笔者讨论了纳米放射防护剂的挑战与未来前景。纳米材料介导的放射疾病的预防和治疗是最近20年兴起的研究方向,目前仍处于早期阶段。尽管纳米材料具有诸多的特性益于放射防护剂的开发,但它们的开发或临床转化仍存在挑战,需要更好的解决方案:

(1)纳米放射防护剂在体内的生物安全性至关重要。在开发新的纳米放射防护药物时,纳米药物安全性评价方法亟待完善以加速纳米药物从实验室到临床的转化进程。(2)放射对正常组织的损伤机制值得继续深入探索。对放射引起的各种疾病特征的理解,最终有助于具体病理机制指导的有效药物或治疗策略的设计和开发。(3)纳米材料发挥放疗防护作用的构效关系研究有利于纳米放疗防护剂的开发。除了将小分子放射防护药物纳米化构建纳米放疗防护剂的策略外,本征放射防护性质的纳米防护药物的开发也需要有明确的结构-防护活性关系作指导。(4)一些常见放射性疾病还缺乏纳米材料防治的相关研究。临床上常见放射诱发的食道、膀胱、肝脏和脾脏等器官或组织疾病,但是用纳米材料治疗相关疾病的研究仍然很少。鉴于纳米材料的多样性,开发各种新型纳米材料以预防和治疗这些放射诱发的疾病仍然具有前景。(5)新型的纳米放射防护剂的开发为相关疾病防治提供更多机遇。具有本征放射防护性质的纳米材料相继被发现,包括碳基、铈基、贵金属基、TMDCMXene等。这些具有本征放射防护性质的纳米材料的出现为相关放射疾病防治药物的开发提供了更多的机会。


基金资助:

论文受国家重点基础研究发展计划(No. 2020YFA0710702)、中国科学院战略性先导科技专项(B) (No. XDB36000000)、国家自然科学基金(Nos. 51822207, 51772292)和中科院-伊朗科技副总统办公室合作研究项目(No. 113111KYSB20190067)资助。


参考文献:

廖友, 王冬梅, 谷战军. 纳米材料用于放疗防护的研究进展[J]. 化学学报, 2021, 79(12): 1438-1460. DOI: 10.6023/A21070319.