谷戰軍課題組

臧元和龔林吉在《ACS AMI》上發表關于Bi2WO6半導體納米片通過物理增敏和輻射催化途徑提高放療療效的工作

2019-05-19 14:18來源:原創作者:龔林吉瀏覽數:1031 


放射治療是利用放射線治療腫瘤的一種局部治療方法,目前已成為臨床上最常用、最有效的惡性腫瘤治療手段之一。在放射治療過程中,DNA是主要的靶分子,離子輻射通常有兩種方式損傷DNA:一是可直接離子化DNA分子,導致DNA單鏈或雙鏈斷裂及堿基交聯等多種類型的損傷;二是高能射線間接的與組織內的水發生反應生成自由基,與DNA結合,使靶分子DNA發生電子轉移而被氧化,誘導細胞DNA損傷,從而導致細胞受損或凋亡。但放射治療仍存在輻射劑量高、對健康組織副作用大,特別是腫瘤細胞放射抵抗性強等缺點

隨著納米醫學的發展,多功能納米放療增敏劑為增強腫瘤細胞放射敏感性、提高放療效果提供了新機遇。X射線吸收系數μ與入射X射線能量E和原子系數Z的關系為:μ=ρZ4/(AE3),其中ρ為密度,A為原子質量,可見原子系數Z的變化會對吸收系數μ造成顯著的變化。所以,含有高原子系數元素的納米材料擁有更強的X射線能量衰減能力,具有潛在的醫學應用價值(例如CT成像造影劑和腫瘤放療增敏劑)。目前研究較多的含高原子序數金屬元素的納米放療增敏劑主要有貴金屬和半導體納米材料兩種類型。一方面,含高原子序數金屬元素的納米粒子對射線具有較高的吸收能力,將其引入腫瘤組織中可以增加組織或細胞與射線的反應截面,提高對高能射線能量的有效沉積。經過高能射線輻照,納米顆粒吸收射線后發生多種作用(如光電效應、康普頓效應),發射出光電子、俄歇電子、康普頓電子等二次電子(圖1),這些二次電子不僅可以直接與DNA作用,還可以與癌細胞內的生物分子或水反應生成大量自由基,進而達到提高放療效果的目的,這一過程屬于物理增敏機制。另一方面,高能射線與半導體納米顆粒相互作用產生的輻射催化效應也可能誘發自由基生成的生化反應,進而提高放療療效,但這方面的研究工作較少。半導體納米材料放射催化機理與光催化過程類似(圖2),不同之處主要是高能光子(而不是紫外或可見光)可將電子擊出納米材料,當keVMeV能量級的高能光子(如X射線和γ射線)照射高原子密度和電子密度的半導體納米材料時,會產生光電效應、康普頓散射或電子對湮沒現象,生成空穴(h+和濺射出材料的二次電子(e?),進而通過氧化還原反應誘導產生羥基自由基、超氧陰離子自由基等活性物質,可以損傷腫瘤細胞,從而具有放療增敏劑的作用。

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1 X 射線與含高原子系數元素納米材料相互作用 (來源:物理化學學報 2018, 34, 140-167.)


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2 納米材料光催化和輻射催化的機理圖(來源:Nanotechnology 2013, 24, 325103


Bi2WO6是最簡單的Aurivillius型層狀氧化物之一,其禁帶寬度約為2.7 eV具有良好的紫外和可見光響應的光催化性能。在2017年,國外研究發現Bi2WO6納米片在205 kVp X射線的輻照下展現出了優于BiPO4TiO2的輻射催化降解苯酚的能力(J.Phys. Chem. C 2017, 121, 10538?10545)。此外,Bi2WO6用于腫瘤CT成像和近紅外光熱/光動力治療的工作也已報道(ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 1132; Chem. Eng. J. 2018, 351, 1147),表明Bi2WO6納米材料具有良好的生物安全性。資料顯示,高系數金屬元素Bi (Z=83)W (Z=74)100 keV時的X射線質量衰減系數分別為5.744.44 cm2/g,遠高于常用于造影劑的碘元素的X射線質量衰減系數(1.94 cm2/g, 100 keV)

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3 Bi2WO6半導體納米片通過物理增敏和輻射催化途徑提高放療療效


基于以上背景,我們假設并證實了生物相容性良好的Bi2WO6半導體納米片具有腫瘤放療增敏的潛能,可以通過物理增敏和輻射催化途徑共同提高放療療效(圖3,圖4)。Bi2WO6的片層結構賦予其較大的比表面積,有利于BiW原子與X射線的相互作用,促進二次電子和自由基的生成。光電流檢測表明Bi2WO6半導體納米片在X射線的照射下可以實現電荷分離產生電子-空穴對(e?-h+),可以通過輻射催化作用進一步促進自由基產額。γ-H2AX實驗證實了Bi2WO6半導體納米片在X射線的照射下可以提高腫瘤細胞DNA損傷效果。動物活體放療實驗表明,Bi2WO6半導體納米片在X射線的照射下具有優異的腫瘤抑制效果。作為一種新型光功能納米材料,Bi2WO6的生物醫學應用與激發光源密切相關。由于組織的散射和吸收,紫外或可見光的組織穿透深度通常在幾百微米,而近紅外光(600–1350 nm)的組織穿透深度大約為1–3毫米(數據來源:Nat. Biomed. Eng. 2017, 1, 0008)。因此,與Bi2WO6紫外或可見光催化相比,X射線誘導的輻射催化可以發生在較深的腫瘤組織中;與已報道的Bi2WO6用于腫瘤近紅外光熱/光動力治療的工作相比,本研究工作中使用的X射線具有更大的組織穿透深度和臨床轉化前景。綜上所述,本研究工作為腫瘤放療增敏提供了一種新的可供選擇的納米技術解決方案。相關工作以“Bi2WO6 Semiconductor Nanoplates for Tumor Radiosensitization through High-Z Effects and Radiocatalysis”為題于近期發表在美國化學會旗下《ACS Applied Materials & Interfaces》雜志上(DOI: 10.1021/acsami.9b03636),臧元和龔林吉為本文的共同第一作者,山東科技大學王清教授和中國科學院高能物理研究所谷戰軍研究員為本文的共同通訊作者。


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4 Bi2WO6半導體納米片腫瘤放療增敏(a) Bi2WO6納米片形貌;(b) Bi2WO6X射線的響應能力和光電流檢測;(c) X射線照射Bi2WO6促進ROS產生;(d) Bi2WO6半導體納米片輻射催化產生自由基的可能機理(e) PVP-Bi2WO6處理后HeLa細胞的存活率;(f) PVP-Bi2WO6放射治療腫瘤抑制效果


文獻引用:

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:本報道內容較多的參考了“多功能納米材料在腫瘤放療增敏中的應用”一文的內容,如需轉載或使用本報道內容的讀者,請務必引用:龔林吉, 謝佳妮, 朱雙, 谷戰軍, 趙宇亮. 多功能納米材料在腫瘤放療增敏中的應用. 物理化學學報 2018, 34, 140-167.