谷战军课题组

Chemical Engineering Journal: 六方相NaxWO3纳米晶体用于微波热和化学动力学联合抗肿瘤治疗

2022-06-18 19:02浏览数:104 

以影像引导的热消融为代表的局部介入治疗已成为肿瘤患者非手术治疗的重要组成部分。特别是微波消融(microwave ablationMWA)以其加热效率高、消融面积大、组织穿透深、“热沉效应”低等特点脱颖而出,并逐渐取代射频消融成为肿瘤热消融的主流选择。但其仍然存在热扩散快、缺乏组织特异性等缺陷。近十年来,纳米微波增敏剂的开发对于增加肿瘤部位热沉积同时减少对邻近正常组织的热损伤提供了新的机遇。然而,单一MWA往往疗效有限,术后肿瘤细胞残留所致的高复发率仍是一个治疗难题。

化学动力学疗法(chemodynamic therapyCDT)是近年来兴起的一种微创癌症治疗手段。它是利用金属纳米催化剂通过芬顿或类芬顿反应在肿瘤组织中产生高毒性羟基自由基(hydroxyl radical•OH)的原位治疗手段,具有肿瘤特异性高、选择性好、毒副作用小等优势。但是,由于催化效率的不足和反应条件的限制,其作为一种独立抗癌模式的疗效远不能令人满意。大量研究表明,升高温度可以提高芬顿或类芬顿反应效率。目前,大多数抗肿瘤研究策略都集中在近红外光热增强CDT上,但近红外光的低穿透性(约1-2 cm)限制了它们的实际应用。相比之下,微波本身的深层组织穿透性(约1-6 cm甚至更高)和优异的加热性能使其作为外部刺激比近红外光更具吸引力。鉴于此,开发一种新型纳米材料可在微波照射下提高局部温度并同步加速肿瘤部位的芬顿或类芬顿反应具有重要意义。

1. 基于NaxWO3纳米晶体的MWACDT联合抗肿瘤治疗

基于上述研究背景,中国科学院高能物理研究所谷战军团队和山西医科大学张辉教授团队合作制备了具有混合价态的六方相NaxWO3纳米晶体作为高效的微波增敏剂和纳米催化剂实现了MWACDT的联合抗肿瘤治疗。一方面,由于独特的孔道结构和离子插层属性,所制备的NaxWO3纳米晶体在体内外微波辐照下表现出良好的热增敏性能,因而可以直接诱导肿瘤组织发生凝固性坏死。另一方面,由于钨元素具有灵活的氧化还原价态,NaxWO3纳米晶体不仅可以将内源性H2O2分解为高毒性•OH,而且可以消耗细胞内还原性物质GSH。高水平的•OH和低浓度的GSH进而通过活性氧诱导的线粒体功能障碍选择性地抑制肿瘤细胞的生长。此外,微波热效应还可以通过提高NaxWO3纳米晶体介导的类芬顿反应速率进一步增强•OH的生成,最终在4T1三阴性小鼠乳腺癌移植瘤模型中实现MWACDT的联合治疗。本研究的整体设计思路和抗肿瘤机制见图1。该工作为开发高效纳米微波增敏剂开辟了一条新途径,也为提高基于纳米材料的CDT治疗效果提供了一种新策略。

近期该工作以“Hexagonal NaxWO3 nanocrystalswith reversible valence states for microwave thermal and chemodynamic combinedcancer therapy”为题,发表在Chemical Engineering Journal DOI:10.1016/j.cej.2022.136869上,山西医科大学医学影像学院博士闫海丽和山西医科大学第一医院在站博士后高龙为共同第一作者;山西医科大学张辉教授、杜江锋教授,中国科学院高能物理研究所谷战军研究员为共同通讯作者。

基金资助:本课题得到了国家基础研究计划、国家自然科学基金等项目的支持。

论文信息:HailiYan#, Long Gao#, You Liao, Dongmei Wang, Duiping Feng,Jianguo Li, Jiangfeng Du*, Zhanjun Gu*, Hui Zhang*, Hexagonal NaxWO3nanocrystals with reversible valence states for microwave thermal andchemodynamic combined cancer therapy, Chemical Engineering Journal, 2022, 446:136869.