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黄维院士、赵强教授课题组提出一种全新的单线态氧释放策略,可实现乏氧肿瘤的光动力治疗

作者: Research编辑部

时间: 2019-12-11 16:35

关键词: 光动力治疗,实体肿瘤,聚合物单线态氧载体,DMN

近日,黄维院士和赵强教授课题组报道了一种新型的聚合物单线态氧载体,实现了乏氧肿瘤内单线态氧的高效、可控释放,成功抑制了肿瘤的生长。该工作以“De Novo Design of Polymeric Carrier to Photothermally Release Singlet Oxygen for Hypoxic Tumor Treatment”为题发表在Rsearch上(Research, 2019, 9269081, DOI: 10.34133/2019/9269081)。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

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论文地址:https://spj.sciencemag.org/research/2019/9269081/

研究背景

光动力治疗(Photodynamic therapy,PDT)因具有较小的侵入性和较高的空间与时间精确度等特点,已经成为了一种新兴的癌症治疗手段。光动力治疗通过光敏剂被特定波长的光敏化后在病灶组织内产生具有细胞毒性的活性氧物种,从而达到治疗目的。光动力治疗已被应用于年龄相关性黄斑变性、病毒感染、动脉粥样硬化和皮肤癌等疾病,并在深层实体肿瘤的治疗中展现出巨大潜力。然而,实体肿瘤具有异常的血管分布和代谢,使其内部处于乏氧环境,限制了单线态氧的产生。并且,光动力治疗过程中会消耗氧气,使肿瘤的乏氧程度增加,导致临床上PDT对肿瘤的治疗效果受到限制。

研究进展

黄维院士和赵强教授课题组设计、合成了一种新型的聚合物单线态氧载体(P1),如图1所示。该聚合物由1,4-二甲基萘衍生物(DMN)、氮杂氟化硼二吡咯化物(B1)和水溶性的聚乙二醇(PEG)构成。其中,DMN能与单线态氧反应生成内过氧化物且在受热时释放出单线态氧,B1由于其较大的摩尔消光系数和较强的近红外吸收、发射,使其不仅能作为光热试剂,还是一种良好的近红外成像试剂,可有效增强组织穿透深度。同时,PEG的引入提高了聚合物载体的水溶性,也增强了对肿瘤组织的靶向性。

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图1 聚合物载体捕获和释放单线态氧机理

首先,作者研究了该聚合物载体的光物理性质、光热性能和单线态氧捕获及释放性能,如图2所示。从吸收光谱上可以看出P1在243 nm和689 nm的吸收分别与DMN和B1单体吻合。当负载了单线态氧后,P1-SO在243 nm的吸收较P1明显较弱,这是由于单线态氧的捕获打破了DMN的共轭结构,导致243 nm处的吸收急剧下降。P1和P1-SO的最大发射峰均在730 nm处,与B1单体的发射峰吻合。P1可捕获单线态氧形成内过氧化物P1-SO,并在乏氧环境中,通过光照快速释放单线态氧。

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图2 (a)-(c)B1和聚合物载体的紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱;(d)P1的单线态氧捕获性能;在乏氧环境中,不同温度(e)和光照后(f)P1-SO的单线态氧释放性能

接着,作者研究了P1-SO在癌细胞中的光动力治疗效果,如图3所示。发现在光照后,P1-SO可以在乏氧的癌细胞中释放大量的单线态氧,具有较强的光毒性,并对乏氧癌细胞有很好的光动力治疗效果。

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图3 (a)P1和P1-SO在光照后ROS产生;(b)孵育过P1和P1-SO的Hela细胞凋亡成像;P1和P1-SO(c和d)的细胞暗毒性和光毒性;孵育P1和P1-SO(e和f)后Hela细胞在光照后的流式细胞术结果

最后,作者将P1-SO应用于小鼠活体肿瘤治疗中,证明了富集在肿瘤部位的P1-SO在光照后能快速大量的释放出单线态氧,并进一步实现了活体乏氧肿瘤的光动力治疗,如图4所示。

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图4 小鼠的肿瘤相对大小变化(a),小鼠的体重变化(b)以及治疗结束后解剖小鼠获得的肿瘤照片(c)

研究展望

乏氧,一直以来是限制光动力治疗效果的一个重要因素,严重阻碍了光动力治疗的进一步发展和临床应用。目前解决实体肿瘤乏氧的策略均是利用自供氧材料体系,而其实际效果有限。作者设计的多功能集成单线态氧载体在光动力治疗中不需要氧气的参与,为乏氧肿瘤的光动力治疗提供了新的思路,对光动力治疗在临床应用上的发展具有重要意义。

专家简介

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黄维,Research主编(中国)、中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院院士。有机电子学/柔性电子学家。“长江学者”特聘教授,国家杰出青年科学基金获得者,“千人计划”(溯及既往)国家特聘专家,“973”项目首席科学家。亚太地区工程组织联合会(FEIAP)副主席(候任主席)、英国谢菲尔德大学名誉博士、英国皇家化学会会士、美国光学学会会士、国际光学工程学会会士。黄维院士是国际上最早从事聚合物发光二极管显示研究并长期活跃在有机光电子学、柔性电子学领域的知名学者之一。从九十年代初开始致力于跨物理、化学、材料、电子、信息、生命和医学等多个学科、交叉融合发展起来的有机(光)电子学、塑料电子学、印刷电子学和柔性(光)电子学等国际前沿学科研究,在构建有机光电子学科的理论体系框架、实现有机半导体的高性能化与多功能化、推进科技成果转化与产业化方面做了大量富有开拓性、创新性和系统性的研究工作,是中国有机(光)电子学科和柔性(光)电子学科的奠基人与开拓者。以通讯作者身份在Nature、Nature Materials、Nature Photonics、Nature Nanotechnology、Nature Communications等SCI学术期刊发表研究论文700余篇,H因子为101,国际同行引用逾50000余次,是材料科学与化学领域全球高被引学者,SciVal(全球顶级科技论文数据库)材料学科以及OLEDs、Solar Cells和Conjugated Polymers领域排名全球第一,获授权美国、新加坡和中国等国发明专利280余项,出版了《有机电子学》《生物光电子学》《有机薄膜晶体管材料器件和应用》《OLED显示技术》等学术专著。曾两次获得国家自然科学奖二等奖、三次获得高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)自然科学奖一等奖以及何梁何利基金“科学与技术进步奖”,成果入围中国“高等学校十大科技进展”、中国“高等学校十大科技进展”30项候选项目。

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赵强,南京邮电大学有机电子与信息显示国家重点实验室培育基地教授、博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者。长期致力于有机与生物光电子领域的研究,重点围绕高性能与智能响应型有机半导体的结构设计、性能调控及其在光电器件和生物医学领域的应用开展了系统性和创新性的研究工作。近年来,作为通讯或第一作者在Nature Communications、Chemical Reviews、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials等期刊发表SCI论文160余篇。论文被SCI引用超过8000次,H指数49。获授权中国发明专利31件。研究成果多次被Nature、Nature Asia、Chemical & Engineering News、Phys.org、MaterialsViews、ChemistryViews等作为研究亮点进行专题评述。获国家自然科学奖二等奖、教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖、江苏省科学技术奖一等奖等科技奖励。入选国家“万人计划”青年拔尖人才、教育部“长江学者奖励计划”青年学者、教育部新世纪优秀人才等计划。

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