眾所周知,惡性腫瘤嚴重危害人類生命健康,其中,實體腫瘤占臨床惡性腫瘤85%以上,而乏氧是實體腫瘤的重要特征之一。由于腫瘤乏氧區(qū)的存在,降低了腫瘤對放療、化療的敏感性,導(dǎo)致腫瘤新生血管及乏氧誘導(dǎo)因子的形成,誘發(fā)腫瘤細胞的復(fù)發(fā)、侵襲和轉(zhuǎn)移,成為腫瘤難以治愈的根本原因。因此,針對乏氧腫瘤的高效治療是國際醫(yī)學(xué)界公認的實現(xiàn)腫瘤徹底治愈必須克服的重要難題。
中國科學(xué)院
上海硅酸鹽研究所施劍林研究員、步文博研究員帶領(lǐng)的研究團隊,在稍早期的研究工作中已成功實現(xiàn)了高靈敏氧感應(yīng)探針實時監(jiān)控乏氧腫瘤區(qū)氧合狀態(tài)(J. Am. Chem. Soc., 2014, 136 (27), 9701–9709.),在此基礎(chǔ)上,最近他們借助于化學(xué)組分調(diào)控和微結(jié)構(gòu)功能化設(shè)計,提出了“克服乏氧”、“利用乏氧”和“規(guī)避乏氧”三種全新的乏氧腫瘤治療策略,在新型多功能
稀土納米診療劑用于乏氧腫瘤的高效精準治療中取得了系列重要創(chuàng)新進展。
首先,基于“克服乏氧”的治療策略,他們設(shè)計了一種新型的復(fù)合結(jié)構(gòu)
稀土納米診療劑(如圖1所示),即利用負載上轉(zhuǎn)換納米診療劑(UCSs)的MnO2納米片層(UCSMs),可以同時實現(xiàn)乏氧響應(yīng)型上轉(zhuǎn)換發(fā)光(UCL)成像和氧增強型光動力學(xué)治療(PDT)/放療協(xié)同治療。該結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅可以借助于UCSMs中黑色MnO2與乏氧實體瘤內(nèi)酸性H2O2還原成無色Mn2+,恢復(fù)被MnO2淬滅的UCSs的發(fā)光信號,實現(xiàn)高靈敏UCL成像,用于精確定位乏氧腫瘤的位置;同時,利用MnO2與酸性H2O2之間的氧化還原反應(yīng),可以產(chǎn)生大量的O2,有效提高乏氧區(qū)的氧分壓,顯著增強光動力學(xué)治療和放療對乏氧實體瘤的協(xié)同殺傷作用,從而達到抑制乏氧實體瘤的生長、侵襲和轉(zhuǎn)移的目的(Adv. Mater., 2015, 27, 4155–4161)。
其次,基于“利用乏氧”的治療策略,他們設(shè)計了一種基于上轉(zhuǎn)換發(fā)光探針、光敏劑分子和生物還原性藥物共擔(dān)載的新型多功能納米診療體系(如圖2所示),實現(xiàn)了動力學(xué)治療(PDT)/化療(即生物還原性治療)高效協(xié)同治療。該結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新思路是借助于光動力學(xué)治療
技術(shù)耗氧的特點,并利用由此所產(chǎn)生的乏氧微環(huán)境,協(xié)同增強生物還原藥物對乏氧腫瘤的殺傷力;即借助于高組織穿透深度的近紅外激發(fā)光,激發(fā)探針發(fā)出紫外光和可見光,用于激活光敏劑分子,PDT產(chǎn)生的1O2可以破壞腫瘤微血管,加劇腫瘤細胞微環(huán)境乏氧程度,進而顯著提升生物還原藥物的抗癌效果,最終達到高效治療實體腫瘤的目的。活體動物實驗證實,基于光動力學(xué)治療和生物還原性藥物的協(xié)同治療的效果,明顯優(yōu)于任何一種單一治療模式或兩種治療模式簡單加和的效果,體現(xiàn)了協(xié)同治療在高效治療乏氧實體腫瘤中的顯著優(yōu)勢 (Angew. Chem. Int. Ed.,. 2015, 54, 8105–8109)。
最后,基于“規(guī)避乏氧”的治療策略,他們設(shè)計了兩種新型多功能
稀土診療劑,分別利用腫瘤微環(huán)境中的水分子和原位控釋的NO分子,實現(xiàn)了基于乏氧腫瘤的“X射線誘導(dǎo)X-PDT/放療”和“X射線誘導(dǎo)NO控釋/放療”兩類高效雙模式協(xié)同治療。(1)X射線誘導(dǎo)X-PDT/放療:巧妙地將
稀土閃爍晶體(LiYF4:Ce)與寬禁帶半導(dǎo)體量子點ZnO融合為核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)(圖3),在臨床放療高能X射線照射下,功能內(nèi)核LiYF4:Ce下轉(zhuǎn)換的紫外光被ZnO吸收,用于產(chǎn)生光生電子-空穴對(e–h+),h+與腫瘤微環(huán)境中的水分子(而不是氧分子)反應(yīng)產(chǎn)生極強氧化性的羥自由基(●OH),●OH對腫瘤細胞器具有極強的的氧化破壞作用,從而誘導(dǎo)癌細胞死亡;這種新型光敏劑不僅克服了傳統(tǒng)PDT激發(fā)光源活體組織穿透深度低的缺陷,而且這種新型的X射線誘導(dǎo)X-PDT治療效果幾乎不依賴于腫瘤內(nèi)的氧分壓大小,從而顯著提高X射線的能量利用率,對臨床乏氧腫瘤的高效微創(chuàng)治療具有重要意義(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54: 1770–1774)。(2)X射線誘導(dǎo)NO控釋/放療:針對NO分子具有放療增敏效應(yīng),可輔助用于乏氧腫瘤的高效治療,他們設(shè)計了一種基于X射線控釋NO的
稀土納米診療劑(如圖3所示),即基于
稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光探針(UCNPs)的介孔氧化硅復(fù)合結(jié)構(gòu),通過在介孔孔道中嫁接硫醇(R-SNO),成功構(gòu)建了一種基于X射線控釋NO和乏氧腫瘤可控放療增敏的新型多功能
稀土納米診療劑;這類新型多功能
稀土納米診療劑不僅可以實現(xiàn)X射線響應(yīng)下的NO原位快速釋放,同時在放療X射線的照射下,可以高效破壞乏氧細胞核內(nèi)DNA,促進乏氧腫瘤細胞的壞死和凋亡,顯著抑制乏氧腫瘤的生長,從而達到乏氧腫瘤可控治療的目的(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, DOI: 10.1002/anie.201504536)。
該系列研究得到了國家自然
科學(xué)基金委員會、
上海市
科學(xué)技術(shù)委員會等相關(guān)基金資助,將有望在未來針對惡性乏氧實體瘤的診治過程中發(fā)揮重要作用,同時也為拓展臨床某些重大疾病的多模態(tài)影像介導(dǎo)下的高效原位治療等新型醫(yī)療
技術(shù)提供借鑒性研究思路。
圖1.基于“克服乏氧”的策略高效治療乏氧實體腫瘤的示意圖
圖2.基于“利用乏氧”的策略高效治療乏氧實體腫瘤的示意圖
圖3.基于“規(guī)避乏氧”的策略高效治療乏氧實體腫瘤的示意圖
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