吉林大学基础医学院孙娇课题组丨基于上转换荧光的自供氧PDT复合纳米材料用于恶性肿瘤治疗

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研究背景

恶性肿瘤是危害人民健康的第一杀手。相比于常规癌症治疗方式，光动力疗法（PDT）作为一种安全、有效和非侵入性肿瘤治疗方法已经受到了广泛关注。但是深组织肿瘤治疗的光穿透深度及瘤体内的乏氧难题制约其进一步应用。

02

研究内容

近日，吉林大学基础医学院孙娇副教授课题组在光动力治疗中引入上转换荧光及产氧纳米酶策略，有效改善光敏剂的激发光源穿透深度难题，利用MnO₂纳米酶的高效产氧，进一步提升PDT性能，获得优异的肿瘤治疗效果。

采用高温热解法制备上转换纳米晶NaErF₄:0.5%Tm@NaYF₄:20%Yb，获得980 nm近红外光（NIR）激发的纯红光发射，进一步与光敏剂Ce6分子结合并引入MnO₂生物纳米酶修饰层，实现了NIR激发光敏剂且具有自供氧功能的新型复合PDT纳米材料 NaErF₄:0.5%Tm@NaYF₄:20%Yb-Ce6@Silane@MnO₂ (UCNPs-Ce6@Silane@Mn)，从细胞及动物水平验证了其深组织内的PDT性能，成功实现实体肿瘤治疗（图1）。

图1 UCNPs-Ce6@Silane@Mn 的制备过程及肿瘤治疗机理示意图

这种复合纳米材料具有高结晶性，对空气和水表现出很高的稳定性且粒径大小非常均匀（图2）。

图2 UCNPs-Ce6@Silane@Mn 结构、形貌及吸收性能

不同上转换纳米粒子的发射光谱测试证实了本实验合成的稀土上转换纳米材料NaErF₄:0.5%Tm@NaYF₄:20%Yb 具有显著的发光强度，能满足激发光敏剂Ce6分子的需求。随着涂层的增加，粒子发光强度逐渐降低，寿命图谱测试结果呈现相同的规律，证明粒子内部发生了能量传递（图3）。

图3 UCNPs-Ce6@Silane@Mn 的发射光谱及寿命

在实体瘤中，肿瘤细胞的异常增生和血管网络系统的功能失调创造了缺氧微环境。PDT治疗过程中对氧气的消耗会进一步造成氧的不平衡从而加剧局部肿瘤微环境的缺氧程度，最终会影响PDT的疗效。过氧化氢（H₂O₂）被公认为分子氧的杰出补充来源。已经发现在肿瘤组织中，H₂O₂的含量明显高于正常组织，因此引入能够催化H₂O₂分解生成O₂的生物纳米酶是提高PDT疗效的重要策略。为证实UCNPs-Ce6@Silane@Mn 的上转换PDT功能，可以通过使用单线态氧探针DPBF对活性氧（ROS）的产生进行监测。之后通过比较合成的不同纳米材料以及分别与H₂O₂溶液混合后产生ROS的能力，验证了引入MnO₂纳米酶的复合材料（UCNPs-Ce6@Silane@Mn）PDT功能优于未引入的纳米材料UCNPs-Ce6@Silane。此外，在UCNPs-Ce6@Silane@Mn和H₂O₂的混合溶液中，随着时间的推移可以检测到溶解氧快速而持续地产生，这一结果证明了UCNPs-Ce6@Silane@Mn在H₂O₂存在的情况下，可以提供O₂的重要催化活性，从而促进ROS的生成并提高PDT的功能，如图4所示。

图4 光动力学测试：O₂和ROS体外测试

进行体外验证后，用合成的不同的纳米材料在细胞水平进行PDT实验。细胞水平实验选择两种不同的细胞系，分别为MCF-7细胞系和B16细胞系。合成的纳米材料分别与两种细胞共同孵育培养后，通过ROS敏感荧光探针DCFH-DA检测ROS的产生，之后通过Calcein-AM/PI染色来检测细胞的存活状态，通过比较荧光强度达到监测细胞治疗效果的目的。结果证明纳米材料在细胞水平的治疗效果与其诱导ROS产生的水平一一对应，且引入MnO₂纳米酶的复合材料PDT治疗效果优于未引入的纳米材料（图5）。

图5 UCNPs-Ce6@Silane@Mn 细胞水平PDT实验

为了验证UCNPs-Ce6@Silane@Mn实际应用的可行性，在动物水平上进行了实验。首先采用细胞毒性（CCK8）实验检测了复合纳米材料的生物安全性。之后选用B16荷瘤小鼠进行动物实验，治疗后每天监测荷瘤小鼠的肿瘤体积和体重变化，发现使用UCNPs-Ce6@Silane@Mn进行治疗后效果显著。体内治疗完成后，取出不同组别的小鼠肿瘤组织块和主要内脏器官，进行苏木精&伊红（H&E）染色，染色结果表明UCNPs-Ce6@Silane@Mn并不会对小鼠体内主要组织器官造成不良影响，对肿瘤组织则会产生显著杀伤作用。最后，选择HIF-1α和S100两种抗体对不同组别小鼠肿瘤组织进行免疫组化实验，实验结果表明使用UCNPs-Ce6@Silane@Mn进行治疗后的小鼠肿瘤组织的缺氧程度以及恶性程度均低于其它组别，与预期实验结果一致（图6）。

图6 UCNPs-Ce6@Silane@Mn 动物水平实验

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总结展望

该工作设计了一种基于上转换荧光的自供氧PDT新型复合纳米材料，对探索PDT在缺氧肿瘤治疗方面的应用具有一定指导意义。

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论文信息

Upconversion fluorescence-based PDT nanocomposites with self-oxygenation for malignant tumor therapy

Yingling Xie, Yue Sun, Jiao Sun, Yuda Wang, Siyao Yu, Bingshuai Zhou, Baigong Xue, Xianhong Zheng, Haipeng Liu and Biao Dong

Inorg. Chem. Front., 2023, 10, 93-107

https://doi.org/10.1039/D2QI02217F

*文中图片皆来源上述文章

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通讯作者简介

孙娇 副教授

吉林大学

孙娇，吉林大学基础医学院副教授。2007年于吉林大学化学学院获得博士学位；2007-2010在厦门大学做博士后研究；2010年8月开始就职于吉林大学基础医学院；2013年-2014年，在法国诺曼底大学从事博士后研究，师从著名学者Svetlana Mintova教授。近年来，孙娇副教授的研究领域主要是多功能纳米生物材料设计及肿瘤的诊断与治疗中的应用，在实验与理论模拟相结合方面取得了一批重要成果，发表包括Nanoscale Horiz., ACS Sens., Adv. Funct. Mater., Biomaterials 在内的SCI论文20余篇，4项发明专利获得授权。

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