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深圳先进院在新型声敏剂超声治疗肿瘤方面取得

近日,中国科学院深圳先进技术研究院蔡林涛团队合成了系列新型金属卟啉配合物,并利用白蛋白重组技术构建了纳米配合物声敏剂,在超声激发下,实现了声动力无创深层肿瘤的精准治疗。相关论文《基于金属卟啉配合物的纳米声敏剂用于深层肿瘤的无创声动力治疗》(Metalloporphyrin Complex-Based Nanosonosensitizers for Deep-Tissue Tumor Theranostics by Noninvasive Sonodynamic Therapy)发表在国际学术期刊Small上。

肿瘤是威胁人类健康的最危险疾病。作为一种新型肿瘤治疗技术,声动力疗法利用超声的强大穿透能力,深入组织内部,激活声敏剂产生活性氧进而杀伤肿瘤细胞,达到治疗目的。

肿瘤声动力疗法是通过超声波激发声敏剂使其产生具有细胞毒性的活性氧物种来杀伤肿瘤的策略。超声治疗利用超声波在组织中很强的穿透能力,被认为是很有前途的无创深度疗法,而声敏剂的研发是声动力疗法发展的关键。

近日,中国科学院声学研究所超声技术中心副研究员白立新与北京化工大学生命科学技术学院教授刘惠玉团队合作,首次发现金属有机骨架衍生的含有类卟啉结构的介孔碳球可作为一种高效无机声敏剂用于声动力治疗,克服了传统有机声敏剂在水中溶解度低、易于从血液循环中消除,在肿瘤部位积蓄量少的问题,增强了其声动力治疗效果。相关研究成果2018年4月在线发表于国际学术期刊《先进材料》(Advanced materials,DOI: 10.1002/adma.201800180)。北京化工大学潘雪婷为第一作者,刘惠玉为通讯作者,白立新作为第二作者负责声空化相关研究。

蔡林涛课题组成员马爱青、陈华清和郑明彬等以四甲苯基卟啉为配体,以Mn、Ti为金属中心,合成了一系列新型配合物,并以人血白蛋白为载体构建了高效的纳米配合物声敏剂。这类声敏剂在厚达10厘米以上的肌肉模拟组织中仍具有声能激发响应特性。尾静脉给药荷瘤鼠后,低功率超声波穿透荷瘤鼠身体,能够有效激发肿瘤内富集的声敏剂产生单线态氧,进而抑制表层及深层肿瘤生长,同时对正常组织和器官并未造成损伤。实验和理论计算结果还证实了不同金属中心的配合物在相同超声激发下效果差异较大,这为后续新型声敏剂的研发提供了思路和理论及实验依据。

声动力治疗需要声敏剂的协助。研究人员以沸石咪唑类骨架材料ZIF-8作为模板,通过高温煅烧合成介孔碳球,其类卟啉结构、高比表面积和多孔道结构带来了大量气核,降低了空化阈值。这些气核在超声的作用下发展成空泡,增强了超声的空化效应。

该项目获得国家自然科学基金、科技部国际合作、广东省自然科学基金研究团队、广东省纳米医药重点实验室、深圳市科创委基础研究项目和中国博士后科学基金等的资助。

通过高速摄像机配合高倍率的显微镜头,研究人员首次直观地观察到了在介孔碳球存在的情况下,超声过程中空泡的生长溃灭现象,捕捉到了微射流的产生过程,并发现介孔碳球溶液中的空泡数目和空泡直径明显比水中的更大。

论文链接

实验表明,介孔碳球作为声敏剂,不仅能够产生类卟啉结构直接杀死肿瘤细胞,而且还可以借助其多通道结构增加气核,强化空化效应,进而强化声动力治疗。

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这一工作将有助于深入探索与金属有机骨架衍生的碳纳米结构相关的声动力治疗机制,设计具有高细胞毒性氧自由基产率和优异稳定性的无机声敏剂。

白蛋白负载的金属卟啉配合物声敏剂用于深度声动力无创治疗示意图

论文信息:PAN Xueting, BAI Lixin, WANG Hui, WU Qingyuan, WANG Hongyu, LIU Shuang, XU Bolong, SHI Xinghua, LIU Huiyu. Metal-Organic-Framework-Derived Carbon Nanostructure Augmented Sonodynamic Cancer Therapy. Advanced Materials (Epub 2018 Apr 19). DOI: 10.1002/adma.201800180.

论文链接

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图1. 介孔碳球的声动力治疗过程示意图

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图2. 动画展示介孔碳球强化的超声空化(拍摄速度12000帧每秒)

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