第一作者：Wenjing Sun

通讯作者：Xiaoyuan Chen; Hongmin Chen

通讯单位：厦门大学

研究要点：

1. 基于模板法高效制备尺寸可控的单分散硅酸盐纳米闪烁体ZSM，表面修饰得到纳米光敏剂RGD‐ZSM‐RB

2. RGD‐ZSM‐RB在低剂量X射线激发下展现出良好的光敏性质

研究背景：

自2006年，提出X射线诱导的光动力治疗(X-PDT)的概念以来，X-PDT因其结合了放射治疗(RT)和光动力治疗(PDT)的优势，在深穿透性治疗肿瘤方面具有广阔的应用前景，成为了一个新的研究热点[1]。闪烁体是X射线与成像探测器相互联系的关键元件，它的作用是将携带样品内部信息的X射线转换为能被传感器接收的可见光信号。在X-PDT中，闪烁体联系了RT与PDT过程，利用其 X射线激发发光(XEOL)可进一步激发光敏剂的PDT，因此，闪烁体的构建是决定材料X-PDT性能的关键步骤。然而，现目前闪烁体大多是将高温固相反应所得产物进行机械研磨制成，尺寸过大、粒径分布不均、形状不规则、性质不稳定[2]。针对这个问题，本文作者首次提出了一种通用型的离子掺杂硅模板法，实现了大规模制备单分散均匀的介孔硅纳米晶体。为了充分利用外部辐射，作者将介孔硅与光敏剂孟加拉玫瑰红(RB)和精氨酸甘草酸(RGD)肽结合，使其成为一种双模态靶向的成像探针。体外和体内实验均表明，该硅基闪烁体能有效地在肿瘤中积累，并且在低剂量X射线照射下对肿瘤生长具有明显的抑制作用。

要点1. 基于模板法高效制备尺寸可控的单分散硅基闪烁体ZSM，表面修饰得到纳米光敏剂RGD‐ZSM‐RB

在X-PDT过程中，闪烁体是决定纳米药物肿瘤富集率、能量从X射线传递到光敏剂的效率以及所需X射线照射剂量的关键因素。区别于高温固相反应制备发光材料的传统思路，本文以二氧化硅为模板，发展了一种能大规模制备单分散硅酸盐纳米闪烁体的通用型方法。其通用性源于：1)通过改变模板大小可轻易调节纳米闪烁体的尺寸；2)通过调节浸没液中金属离子的种类和比例能制备出各种掺杂类型的发光材料。为了使得所构建闪烁体的发光光谱(570 nm左右)与光敏剂RB的吸收光谱相契合，作者利用模板法制备了掺杂Zn、Mn的硅酸盐闪烁体，ZSM ScNPs。具体，将介孔二氧化硅纳米颗粒浸没于含有Zn2+和Mn2+的溶液，使Zn和Mn充分反应并掺杂进入硅墙中，依次进行干燥、低温煅烧后，即得到ZSM ScNPs。

为了充分利用ZSM ScNPs的XEOL(X射线激发发光)，作者通过EDC/NHS化学过程，将RB修饰在ZSM ScNPs表面，zeta电位与XEOL光谱强度的变化证实了RB-ZSM的成功合成及两者之间存在高效的能量传递。RB不仅能够吸收ZSM ScNPs的XEOL从而产生1O2，同时，带有4个碘元素的RB分子能增强CT成像信号，因而有利于光诊疗过程。为了进一步增强RB-ZSM的临床应用潜能，作者在其表面修饰上具有整合素αvβ3(在U87MG细胞中高表达)靶向性的RGD多肽，以增强其肿瘤细胞摄取率与特异性(图1)。TEM及DLS结果表明，RGD-ZSM-RB能在不同液体介质中以单分散状态长期稳定存在。

图1. a)RGD-ZSM-RB纳米光敏剂的制备过程示意图;b) RGD-ZSM-RB介导的X-PDT过程机理.

要点2. RGD‐ZSM‐RB在低剂量X射线激发下展现出良好的X-PDT性能

RB与ZSM之间存在有效的能量传递，因而RB能吸收ZSM的XOEL产生1O2，进而实现具有高组织穿透深度的高效X-PDT。ABDA以及SOSG的光谱发生显著变化，证实了在低剂量的X射线(50 kV, 1.0 Gy)激发下，水溶液或U87MG细胞中的ZSM-RB均能高效产生1O2。MTT实验结果表明，相较于对照组(RGD-ZSM-RB、X射线+ RB、LED+ RB)，用X射线+RGD-ZSM-RB(80 µg mL−1)处理的U87MG细胞，其生长受到最强的抑制(存活率：44.7 ± 1.5%)(图2a)。针对这一现象，作者进一步探究了低剂量X射线激发下，RGD-ZSM-RB损伤肿瘤细胞的机理。1O2能够氧化降解肿瘤细胞膜上的脂质及蛋白质，进而损坏细胞膜。实验结果：1)X-PDT组(X射线+ RGD-ZSM-RB)的脂质过氧化程度是单纯的RT治疗组(只有X射线)的1.4倍(图2f)；2)X-PDT组的COX-2(胞膜氧化损伤修复酶)含量较RT组明显上调。以上实验证实了细胞膜的氧化主要是PDT过程导致的。γH2AX表达水平以及彗星实验表明，X-PDT与RT均能导致肿瘤细胞中遗传物质DNA的破损(图2h)。但相较于单纯的RT，X-PDT能更有效地抑制细胞的增殖与集落形成能力(图2i)。这是因为RGD-ZSM-RB具有良好的辐射增敏效果，同时，其高效的细胞摄取率(图2b)，能在胞内产生更多高氧化能力的自由基与ROS(图2d)。因此，RGD-ZSM-RB所介导的X-PDT过程实质上兼具了增强的RT与PDT，因而表现出优异的肿瘤细胞生长抑制效果。

图2. X-PDT的体外评价:a,c) 不同条件处理下U87MG细胞的存活率;b) ZSM‐RB及 RGD‐ZSM‐RB的细胞吞噬率,d)不同处理后SOSG染色的U87MG细胞共聚焦荧光图像;e)钙黄绿素/碘化丙啶染色结果;f)脂质损伤评估实验;g) Western blot检测结果;h) DNA损伤实验;i)基因克隆检测。

鉴于所构建的RGD-ZSM-RB在细胞实验中的良好表现，作者将其应用于临床活体肿瘤的诊疗中。将RGD-ZSM-RB纳米粒子(20 mg/kg)尾部静脉注射进入荷瘤小鼠体内，分析荧光及CT成像强度可知，该硅酸盐纳米增敏剂能有效地在肿瘤中积累，且在8小时后，肿瘤部位纳米药物的积累程度最大(图3a,b,c,d)。为了评估RGD-ZSM-RB的X-PDT效果，作者将建有U87MG肿瘤模型的小鼠分为5组，在不同条件下处理(1：PBS；2：PBS+X-ray；3：RGD-ZSM-RB；4：RGD-ZSM-RB+X-ray；5：RGD-ZSM-RB+X-ray+1 cm厚的猪肉)，并观察相应的肿瘤抑制效果。肿瘤体积、质量、尺寸的变化以及H&E染色结果表明，具有RGD-ZSM-RB 介导的X-PDT治疗过程的4、5组较对照组表现出了良好的肿瘤抑制效果(肿瘤抑制率98.1%)。值得注意的是，5组中，X射线隔着厚度为1 cm厚的猪肉仍能有效诱导X-PDT过程的发生，证明X-PDT能有效解决传统PDT光源在临床应用中难以作用于深层组织器官的问题。

介孔硅与RB均是临床批准使用的药品，Zn、Mn也是人体必需元素，因此，本文所构建的RGD-ZSM-RB具有较高生物安全性。在治疗过程中，小鼠体重、器官的形态、小鼠血液成分均无明显变化，进一步证实了RGD-ZSM-RB应用于临床X-PDT治疗的潜能。

图3. X-PDT的体内评价: a,b)的老鼠体内的肿瘤荧光图;c,d)小鼠体内肿瘤的CT成像; e) RGD-ZSM-RB的血液循环寿命(n = 3);f) RGD-ZSM-RB在主要组织和肿瘤中的残留量。

工作小结：

总之，首次利用离子掺杂硅模板法合成了尺寸可控的单分散硅基闪烁体，RGD-ZSM-RB，为合成纳米增敏剂提供一条新的通用型途径。RGD-ZSM-RB所介导的X-PDT集靶向性的RT与PDT于一体，克服了传统PDT治疗难以作用于深层组织以及传统RT对正常组织具有较大损伤的问题，在细胞实验与活体实验中均表现出了较好的生物安全性与优异的肿瘤治疗效果。因此，基于离子掺杂硅模板法构建的纳米闪烁体可应用于低剂量X射线诱导的体内深层肿瘤光动力治疗，具有广阔的临床转化研究前景。

【文章链接】

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201808024

【参考文献】

1.Chen, W.; Zhang, J., Using nanoparticles to enable simultaneous radiation and photodynamic therapies for cancer treatment. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 2006, 6 (4), 1159-1166.

2.Hu, J.; Tang, Y. A.; Elmenoufy, A. H.; Xu, H. B.; Cheng, Z.; Yang, X. L., Nanocomposite-Based Photodynamic Therapy Strategies for Deep Tumor Treatment. Small 2015, 11 (44), 5860-5887.

【本文作者】

李佳卓(LJZ1357924680@163.com)

吴鹏课题组硕士研究生