谷战军课题组

Nano Today:压电材料用于协同的压电和放射催化肿瘤治疗

2022-06-10 16:52浏览数:41 

光子放疗是恶性肿瘤的主流治疗方式之一,其利用光子电离辐射(如X射线和γ射线)对细胞生物分子(尤其是DNA)造成损伤。由于放射催化剂具有将光子电离辐射转化为化学能的能力,放射催化在光子放射治疗增敏方面显示出巨大的潜力。然而,放射催化治疗的效果受到放射催化剂本征的低效率及细胞内催化底物不足等限制。因此,提高放射催化的细胞毒性自由基产生能力有利于提高放射催化治疗的效果。现有的策略主要包括构建半导体异质结以加速辐射诱导的电子-空穴分离或与光动力疗法(PDT)、化学动力疗法(CDT)等其他催化治疗方式相结合。然而,这些策略一方面因纳米增敏剂的复杂组成存在安全隐患,另一方面仍然受到肿瘤内H2O2不足的限制。开发组成简单且具有多种催化功能的纳米增敏剂以改善放射催化疗效仍然是一项艰巨的挑战。

最近,超声触发的压电催化疗法因其卓越的组织穿透性、声传导的方向性和原位触发ROS生成的特点而在生物医学应用领域中受到关注。与PDT的近红外光相比,超声在组织穿透深度(> 10 cm)方面具有压倒性优势,可定向地将机械波传输到肿瘤组织。此外,与CDT中自发的类芬顿反应不同,压电催化具有时空可控的特点。因此,压电催化疗法具有放射催化疗法相结合的潜力,更重要的是压电催化有望通过原位的H2O2供应提高放射催化疗法的疗效。

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图1. 压电材料用于协同的压电和放射催化肿瘤治疗

基于此,中国科学院高能物理研究所谷战军团队利用纳米压电材料整合压电和放射催化特性,实现了对实体瘤的双催化增敏治疗。作者以易于合成的具有压电和放射催化特性的BiOCl压电纳米片为例,展示了压电材料用于声动力增敏和放射增敏的潜力。首先,BiOCl纳米催化剂介导的压电催化具有在医用超声照射下产生自由基和H2O2的能力。随后,H2O2作为催化底物和电子牺牲剂在BiOCl纳米催化剂介导的放射催化过程中加速了•OH生成。细胞和动物实验表明BiOCl纳米催化剂可以实现协同的压电和放射催化治疗效果(见图1)。该工作不仅提供了一种放大肿瘤氧化损伤的协同治疗策略,而且还提出了一种在肿瘤中原位供应H2O2的新方法,拓宽了压电材料的生物医学应用视野。

    该工作以“Piezoelectric materials for synergistic piezo- andradio-catalytic tumor therapy”为题,发表在Nano Today (DOI: 10.1016/j.nantod.2022.101510)上,论文共同第一作者为高能物理研究所一年级博士研究生廖友和王冬梅,通讯作者为中国科学院高能物理研究所谷战军研究员。


论文信息:

Liao, Y.#, Wang, D.#,Zhu, S., Zhou, R., Rahbarizadeh, F., & Gu, Z.* (2022). Piezoelectricmaterials for synergistic piezo-and radio-catalytic tumor therapy. NanoToday, 44, 101510.https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101510