高效光热治疗：香港中文大学王建方&澳门科技大学竺晓鸣合作提出肿瘤治疗新方法

Antiangiogenesis-Combined Photothermal Therapy in the Second Near-Infrared Window at Laser Powers Below the Skin Tolerance Threshold

Jian-Li Chen, Han Zhang, Xue-Qin Huang, Hong-Ye Wan, Jie Li, Xing-Xing Fan, Kathy Qian Luo, Jinhua Wang, Xiao-Ming Zhu*, Jianfang Wang*

Nano-Micro Lett.(2019)11:93

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0327-4

本文亮点

1 合成了在NIR-II区具有高光热转换效率的二氧化钛包覆的金纳米双锥体(NBP@TiO2)。

2 二氧化钛外壳能够装载抗癌药物combretastatin A-4 phosphate(CA4P)。

3 在低于皮肤耐受阈值的激光功率密度下，负载CA4P的NBP@TiO2纳米颗粒在1064 nm激光照射下发挥协同抗血管生成和抗肿瘤作用。

内容简介

香港中文大学王建方课题组和澳门科技大学竺晓鸣课题组合作，合成了在NIR-II区有高光热转换效率的二氧化钛包覆的金纳米双锥体(NBP@TiO2)颗粒。

NBP@TiO2被用作NIR-II区的PTT介导材料和抗肿瘤药物CA4P的载体。合成的NBP@TiO2纳米材料具有1064 nm的纵向等离子体共振吸收峰，在1064 nm激光照射下该材料具有很高的光热转换效率，这确保其在NIR-II区发挥理想光热效应。同时该纳米材料具有良好的生物相容性。此外，TiO2涂层作为CA4P的有效载体，能够实现CA4P和热量的同时输送。在人肺癌A549细胞和人脐静脉内皮细胞(HUVECs)中观察到光热治疗和化疗联用的协同抗肿瘤和抗肿瘤血管生成效果。体内动物实验中也发现这种联用能有效抑制肿瘤微血管密度和肿瘤细胞增殖。

研究背景

基于激光照射的光热治疗(PTT)是一种新兴的肿瘤治疗方法。该治疗方法利用光能转换为热能引起肿瘤细胞损伤。与传统的肿瘤治疗相比，PTT有创伤小、治疗时间和空间可控、且光热材料在无光照条件下无毒等优势。目前往往采用近红外I区(NIR-I, 650-950 nm)的激光用于PTT。但是NIR-I的光不能到达深部肿瘤组织，而其所需的强激光照射引起的高温则不可避免地损伤肿瘤附近的正常组织，极大地限制了PTT的进一步体内应用。而近红外II区(NIR-II,1000-1350 nm)的光可以提供更深的组织穿透力，而且其皮肤最大耐受激光功率密度更高。然而，大多数光热材料在NIR-II区的光热转换效率较低(<50%)。因此，寻找能响应NIR-II区且具有高光热转换效率的光热材料受到越来越多的关注。

图文导读

I NBP@TiO2 纳米颗粒的合成及其光热转化效率的研究

利用种子介导生长法制备Au NBP，并纯化。然后以TiCl3为前体，水解生成TiO2包覆NBP。TEM结果显示其平均长度为116.9 ± 1.1 nm，宽度为32.9 ± 0.3 nm。TiO2包覆的平均厚度为16.6 ± 0.4 nm。NBP纳米颗粒的纵向等离子体共振吸收波长为970 nm。TiO2涂层导致吸收峰红移到1064 nm，这使得NBP@TiO2纳米颗粒成为响应NIR-II窗口的PTT试剂。根据其升温曲线以及功率与平台温度的关系，在1064 nm激光的照射下，该材料的光热转换效率高达(93.3 ± 5.2)% 。

图1 (AuNBP)@TiO2纳米颗粒。(a)TEM成像, (b)水溶液中未包被的NBP和NBP@TiO2纳米颗粒的吸收光谱, (c)单个NBP@TiO2的HAADF-STEM和元素映射图像, (d)在1064 nm激光照射下，以不同的光功率照射20分钟，NBP@TiO2纳米颗粒溶液(2 ml，120μg/mL)的升温曲线, (e)平台温度随激光功率的变化, (f)温度衰减曲线。

II CA4P的负载及释放

CA4P可以选择性结合微管蛋白，导致微管蛋白紊乱，引起血管内皮细胞形态学改变，从而堵塞肿瘤血管最终导致肿瘤坏死。图2b可以看出，与载药前CA4P溶液相比，载药后上清液中的药物浓度显著降低，说明大部分药物被NBP@TiO2纳米颗粒成功装载，药物包封率为(64.8 ± 6.8)%。

药物的可控释放是载药颗粒发挥疗效的关键因素。图2c显示出在12 mM磷酸根存在下(82.1± 5.0)%的CA4P从TiO2表面解离。而在水溶液和2 mM磷酸盐溶液中，只有(12.5 ± 2.0)%和(19.6 ± 2.0)%的CA4P被解离释放出来。这一结果表明NBP@TiO2纳米颗粒对CA4P的高负载能力是由CA4P的磷酸基团与TiO2之间的高亲和力引起的。图2d模拟了细胞中内涵体/溶酶体环境来研究CA4P的释放。可以看出孵育48 h后，(70.3 ± 5.6)%的CA4P被释放出来。另外，1064 nm的激光照射不影响CA4P的释放。

图2 负载CA4P的NBP@TiO2纳米颗粒。(a)CA4P的分子结构式, (b)载药后初始CA4P溶液和上清液CA4P的LC-MS色谱图, (c)负载CA4P的纳米颗粒在磷酸盐溶液和H2O中孵育12 h后CA4P的解吸附, (d)负载CA4P的NBP@TiO2纳米颗粒的pH依赖性和时间依赖性的CA4P释放曲线。

III 在A549细胞中的PTT研究

采用MTT实验考察NBP@TiO2纳米颗粒对细胞活性的影响，结果显示NBP@TiO2纳米颗粒本身对人肺癌A549细胞没有毒性。由于NBP@TiO2纳米颗粒较高的光热转换效率，在1064 nm激光照射后，NBP@TiO2的光热效应表现出显著的细胞毒性，其细胞杀伤作用与激光功率密度呈正相关。在激光功率密度为0.6，0.7，0.8，和0.9 W/cm2时，其细胞存活率分别为(81.1 ± 4.9)%，(55.8 ± 3.3)%，(32.1 ± 5.0)%，和 (22.1 ± 0.4)%。Calcein-AM染色进一步验证了这一结果。

图3 在A549细胞中的PTT研究。(a)不同浓度的NBP@TiO2纳米颗粒对A549细胞活性的影响, (b) 在A549细胞中不同激光功率密度下的PTT治疗效果, (c)不同光功率密度下PTT处理细胞后的calcein-AM染色成像, (d)PTT协同增强CA4P负载的NBP@TiO2纳米颗粒的细胞毒性, (e)PTT与化疗联用对细胞后的calcein-AM染色成像。

IV PTT对人脐静脉内皮细胞(HUVECs)活性以及微管蛋白的影响

与单独治疗相比，负载CA4P的NBP@TiO2纳米颗粒和PTT的联用治疗对HUVECs产生更加明显的细胞毒性，且联用后细胞内微管蛋白分布发生紊乱。

图4 负载CA4P的NBP@TiO2纳米颗粒联用PTT对HUVECs产生协同毒性。(a)MTT分析, (b)calcein AM染色, (c)微管蛋白分布。

V PTT增强CA4P的抗血管生成作用

肿瘤发展和转移的一个关键步骤是血管生成，它为细胞提供营养和氧气，并清除废物。低剂量(7 nm CA4P，12μg-Au/mL)的CA4P负载NBP@TiO2纳米颗粒轻微抑制HUVECs在Matrigel中形成网状的血管结构，相对血管面积和长度分别为(73.7±1.0)%和(89.6 ± 3.8)%。低功率密度(1.8或2.0 W/cm2)激光照射能提高负载CA4P的NBP@TiO2纳米颗粒的血管生成抑制效应。当载药颗粒与1.8 W/cm2的激光照射联用后，血管面积和长度分别为(57.5± 2.0)%和(73.2 ± 1.8)%。这两个值在2.0 W/cm2激光照射下分别降低到(40.1 ± 3.6)%和(45.2 ± 4.6)%。

图5 负载CA4P的NBP@TiO2纳米颗粒联用光热治疗的血管生成抑制效应。(a)不同激光功率密度下PTT对HUVEC血管形成的影响, (b)从a中计算的血管相对管面积,(c)从a中计算的血管相对管长度, (d)PTT增强负载CA4P的NBP@TiO2纳米颗粒的抗血管生成作用, (e)从d中计算的血管相对管面积,(f)从d中计算的血管相对管长度。

作者简介

王建方

(本文通讯作者)

香港中文大学

▍主要研究领域

贵金属和半导体纳米材料的控制合成、组装和光电性质研究，以及纳米材料在光电催化中的应用。

▍主要成果与荣誉

曾获香港中文大学杰出研究贡献奖和香港中文大学青年研究学者奖，以及中国教育部自然科学一等奖和伊朗花剌子模国际科学奖等。获选为“2018年高被引用科学家”。已在Nature,Science, J. Am. Chem. Soc., Angew Chem, Adv. Mater等国际著名学术期刊上共发表论文200多篇，论文共被引用22500次以上，H指数68。

▍Email: jfwang@phy.cuhk.edu.hk

竺晓鸣

(本文通讯作者)

澳门科技大学

▍主要研究领域

纳米材料生物应用，药物筛选，抗肿瘤药物开发。

▍主要成果与荣誉

获中国药理学会-施维雅青年药理学家奖。发表SCI论文40余篇，论文共被引用1442次，H指数21。

▍Email: xmzhu@must.edu.mo

撰稿：《纳微快报》编辑部

审核：原文作者

编辑：《纳微快报》编辑部

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