ACS Nano：二维石墨烯增强TiO2基声敏剂声催化效率用于声动力学治疗

【引言】

理想的癌症治疗方法需要实现肿瘤特异性，靶向肿瘤位点杀死癌细胞，而又不会对正常的组织和器官产生伤害。为了实现靶向治疗，许多科学家致力于有关肿瘤微环境响应型的疗法研究。但是，这些疗法实际上都或多或少的受到肿瘤的类型和位置，不同病人之间个体差异的影响，致使其灵敏性和特异性都很低，达不到临床水平。相比之下，外部触发剂却可以精准、可控地靶向肿瘤位点。不过，大家熟知的放射疗法和光动力学疗法（PDT）也存在副作用大、穿透性差的缺点。

异军突起的声动力学疗法（SDT），是利用超声波活化声敏剂，产生具有杀死肿瘤细胞作用的活性氧，从而达到治疗目的。虽原理上同光动力学疗法有类似之处，但超声波的非侵入性和强组织穿透性使其在临床应用上更具潜力！目前，声动力学疗法的阻碍在于声敏剂稳定性差、易排出及效率低等问题，因此，未来研究的着力点也将在开发新型的声敏剂，提高活化效率等方面。

【成果简介】

最近，同济大学医学院的吴蓉副教授、复旦大学附属肿瘤医院的张盛箭副教授以及上海硅酸盐研究所陈雨研究员（共同通讯）在ACS Nano上发表了题为“Two-Dimensional Graphene Augments Nanosonosensitized Sonocatalytic Tumor Eradication”的研究论文，文中报道了将二维还原石墨烯纳米片同TiO₂基声敏剂整合，大幅提升声动力学治疗效率的工作，二维石墨烯超高的电导率有利于电子-空穴对的分离，而其光热转换能力又使SDT/PTT协同治疗效率显著增强。这项工作给大家提供了一种增强TiO₂基声敏剂催化效率的方法，同时也证实了新型声敏剂可以提高声动力学治疗肿瘤的效率。

【图文导读】

图1：MnO_x/TiO₂-GR-PVP的合成及磁共振成像指导的SDT/PTT协同疗法

（a）MnO_x/TiO₂-GR-PVP的合成示意图；
（b）MnO_x/TiO₂-GR-PVP用于肿瘤治疗的原理图。

图2：TiO₂-GR 和 MnO_x/TiO₂-GR纳米复合物的表征

（a）高分散GO纳米片的TEM图片；
（b）TiO₂-GR纳米复合物的TEM图片；
（c）TiO₂-GR纳米复合物的SEM图片；
（d）TiO₂-GR纳米复合物的高分辨TEM图片；
（e）TiO₂和MnO_x在GR纳米片表面生长的三维示意图；
（f）MnO_x/TiO₂-GR纳米复合物的TEM图片；
（g）MnO_x/TiO₂-GR纳米复合物的SEM图片。

图3：MnO_x/TiO₂-GR纳米复合物的结构组成表征

（a）MnO_x/TiO₂-GR纳米复合物的SEM元素面扫图，包括C，O，Ti，Mn四种元素；
（b）MnO_x/TiO₂-GR纳米复合物的EDS谱图；
（c）MnO_x/TiO₂-GR纳米复合物的EELS谱图；
（d）MnO_x/TiO₂-GR和MnO_x/TiO₂-GR-PVP纳米片的动态光散射的粒径分布；
（e）GO和TiO₂间Ti-C键的三维示意图；
（f）在C1s区域MnO_x/TiO₂-GR的XPS图谱；
（g）在Ti2p区域MnO_x/TiO₂-GR的XPS图谱。

图4：MnO_x/TiO₂-GR纳米复合物的体外声催化和光热试验

（a）GR增强声动力学疗法中纳米TiO₂声敏剂效率的原理图；
（b）EIS测试的MnO_x/TiO₂-GR和TiO2的奈氏图；
（c）TiO₂和MnO_x/TiO₂-GR存在时，紫外线持续照射下DPBF的紫外-可见吸收光谱；
（d）TiO₂和MnO_x/TiO₂-GR分别存在时，在不同辐射时间下，DPFB在410 nm处的相对吸收的衰减曲线；
（e）MnO_x/TiO₂-GR浓度在4.69， 9.38， 18.8， 37.5 和 75.0 ppm时的紫外吸收光谱；
（f）不同浓度的MnO_x/TiO₂-GR在808 nm激光（2.0 W cm^-2）照射下的光热曲线；
（g）激光（808 nm，2.0 W cm^-2）辐射下MnO_x/TiO₂-GR的光热效率；
（h）热转移的时间常数为146.71s；
（i）五个激光（808 nm，2.0 W cm^-2）辐射周期下，MnO_x/TiO₂-GR的循环加热曲线。

图5：体外SDT/PTT协同肿瘤治疗

（a）4T1细胞分别于不同浓度的MnO_x/TiO₂-GR-PVP纳米复合物孵育24及48小时后的相对活性；
（b）MnO_x/TiO₂-GR-PVP用于SDT/PTT协同治疗肿瘤的原理图；
（c）4T1细胞同FITC标记的MnO_x/TiO₂-GR-PVP孵育0，1，2，4和8小时后的CLSM图，比例尺为20 µm；
（d）4T1细胞在经过不同处理后的相对存活率，包括不加任何试剂（空白对照），只加MnOx/TiO2-GR-PVP，单一激光照射，单一超声，TiO₂-PEG结合超声，MnO_x/TiO₂-GR-PVP结合超声，MnO_x/TiO₂-GR-PVP结合激光照射以及MnO_x/TiO₂-GR-PVP、激光、超声联用；
（e）不同处理条件下的4T1细胞，采用钙黄绿素AM和碘化丙啶溶液染色后的CLSM图片。

图6：体内及体外MnO_x/TiO₂-GR-PVP作用下的肿瘤对比增强pH响应的磁共振成像

（a）微酸性的肿瘤微环境下MnO_x/TiO₂-GR-PVP中Mn-O键断裂的示意图；
（b）不同pH的缓冲液中湿润4小时后，MnO_x/TiO₂-GR-PVP的Mn浓度同1/T₁的关系；
（c）体外，MnO_x/TiO₂-GR-PVP在不同pH的缓冲液中湿润4小时后的磁共振T₁加权像；
（d）不同pH的缓冲液中湿润4小时后，MnO_x/TiO₂-GR-PVP的Mn浓度同1/T₂的关系；
（e）体外，MnO_x/TiO₂-GR-PVP在不同pH的缓冲液中湿润4小时后的磁共振T₂加权像；
（f）乳腺癌小鼠静脉注射MnO_x/TiO₂-GR-PVP纳米片后，不同时间的T₁加权像；
（g）乳腺癌小鼠静脉注射MnO_x/TiO₂-GR-PVP纳米片后，不同时间的相应磁共振成像信号强度。

图7：SDT/PTT协同疗法的体内实验

（a）给肿瘤小鼠静脉注射MnO_x/TiO₂-GR-PVP纳米片3 h和24 h后，其在体内的分布；
（b）静脉注射MnO_x/TiO₂-GR-PVP纳米片后的血液循环曲线；
（c）根据血液循环曲线中浓度与时间的关系所得的消除速率曲线；
（d）接受和不接受静脉注射MnO_x/TiO₂-GR-PVP纳米片的乳腺癌裸鼠在激光照射不同时间后的红外热成像图；
（e）在乳腺癌裸鼠肿瘤部位激光持续照射600s的温度变化；
（f）使用SDT和PTT的肿瘤治疗方案；
（g）不同治疗方案下肿瘤体积随时间的变化曲线；
（h）不同治疗方案下小鼠的体重随时间的变化曲线；
（i）不同方法治疗后小鼠肿瘤的数码照片；
（j）不同方法治疗后肿瘤组织染色后的图片，其中（I-VIII）：不加任何试剂（空白对照），只加MnO_x/TiO₂-GR-PVP，单一激光照射，单一超声，TiO₂-PEG结合超声，MnO_x/TiO₂-GR-PVP结合超声，MnO_x/TiO₂-GR-PVP结合激光照射以及MnO_x/TiO₂-GR-PVP、激光、超声联用。

【小结】

本文巧妙利用的石墨烯的物理化学性质，将二维石墨烯同TiO₂整合成了新型的声敏剂，提高了声催化效率的同时还可以实现SDT/PTT协同治疗效率的大大提高，为声动力学疗法研究提供了新思路。

文献链接：Two-Dimensional Graphene Augments Nanosonosensitized Sonocatalytic Tumor Eradication.(ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b05215)

本文由材料人编辑部生物材料组Jing供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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