J. Am. Chem. Soc.: 生物可降解二维碳化铌在近红外生物窗口Ⅰ,Ⅱ用于肿瘤光热治疗

【引言】

光，作为一种外场刺激，为高效的肿瘤光治疗提供了很多益处。光热肿瘤治疗是利用近红外激光针对患处进行辐照，通过光热转换的物理放热过程来实现局部热消融肿瘤组织。为了获得高效的肿瘤治疗效果，应当减小输入光能量的在软组织中散射和吸收，进而提高光热转换效果。之前提升光热治疗效果的主要研究集中在近红外生物窗口Ⅰ（750-1000 nm）下的光热治疗效应，而在近红外生物窗口Ⅱ(1000-1350 nm)地研究很少，相比于近红外生物窗口Ⅰ，近红外生物窗口Ⅱ具有更大皮肤可承受光暴露能量上限以及更优的激光穿透深度。
另外，2D 纳米材料由于他们超薄片层结构和丰富的物理化学性质，特别是MXenes，一种新的多功能2D材料，包括碳化物，氮化物，以及碳氮化物。这个工作，探索了新型的超薄二维Nb₂C，用于在近红外生物窗口Ⅰ和生物

【成果简介】

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所的施剑林教授和陈雨教授（共同通讯作者）课题组在J. Am. Chem. Soc.上发表了题为“A Two-Dimensional Biodegradable Niobium Carbide (MXene) for Photothermal Tumor Eradication in NIR‑I and NIR-II Biowindows”的研究论文。首次报道了一种在近红外生物窗口Ⅰ和Ⅱ响应的肿瘤光热剂，二维碳化铌纳米片（Nb₂C）。二维Nb₂C纳米片通过简单的两步液体剥离法（抽出和插层）制备得到，这种横向纳米尺度在150 nm左右，厚度在1 nm左右的的Nb₂C 纳米片展现了良好的光热治疗效果：在近红外生物第一窗口下光热转换效率达到36.4%，在近红外生物第二窗口下光热转换效率达到45.65%。在两个近红外生物窗口下都可以实现在活体中的高效肿瘤消除，并且具有很好的循环光热稳定性。同时，Nb₂C纳米片具有酶响应降解特性，在人体的髓过氧化物酶（hMPO）催化下可以实现生物降解，达到低毒以及良好的生物相容性。

【图文导读】

示意图1 修饰PVP的二维生物可降解Nb₂C纳米片在近红外生物窗口Ⅰ和Ⅱ下的活体肿瘤光热治疗示意图

图1 Nb₂C纳米片的合成和性质表征

A.超薄Nb₂C 纳米片的制备示意图：HF刻蚀和TPAOH插层过程

B-E.块体Nb₂C材料的电子照片，整体、局部扫描电镜以及高分辨透射电镜图（插图为对应的选区电子衍射花样）

F-I.多层Nb₂C纳米片材料的电子照片，整体、局部扫描电镜以及高分辨透射电镜图（插图为对应选区电子衍射花样）

J-M.单层Nb₂C纳米片材料的电子照片，整体、局部扫描电镜以及高分辨透射电镜图（插图为对应选区电子衍射花样）

图2 Nb₂C纳米片组分，表面修饰以及体外的生物降解性能

A.Nb₂AlC块体和Nb₂C纳米片的XRD表征

B.Nb₂AlC块体和Nb₂C纳米片的Raman表征

C.Nb₂AlC块体和Nb₂C纳米片的XPS表征

D.Nb₂C纳米片的AFM表征

E.Nb₂C纳米片的横向尺寸和厚度统计分布

F.原子力显微镜3D视角Nb₂C纳米片

G.Nb₂C-PVP在 水，磷酸盐缓冲液，过氧化氢，髓过氧化物酶下的照片

H.Nb₂C-PVP在不同处理条件下的粒径分布

I.Nb₂C-PVP在不同处理条件下的可见-红外吸收光谱

J.PVP-Nb₂C纳米片通过不同处理后（水，磷酸盐缓冲液，过氧化氢，髓过氧化物酶）生物降解24h的透射电镜

图3 Nb₂C纳米片光热转换性能以及光热稳定性

A.不同浓度（2.5，5，10，20 ug/ml）的Nb₂C纳米片悬浮液的可见光-近红外吸收光谱

B.Nb₂C纳米片在808 nm和1064 nm的质量消光系数

C.Nb₂C纳米片溶液在近红外生物窗口I (808nm)下的光热升温曲线：激光功率分别为0.5，0.75，1.0，1.0，1.25，1.5 W ·cm^-2

D.Nb2C纳米片溶液在近红外生物窗口II (1064nm)下的光热温度曲线：激光功率分别为0.5，0.75，1.0，1.0，1.25，1.5W ·cm^-2

E.Nb₂C纳米片溶液在808 nm光热转变：温度随着照射时间的变化

F.Nb₂C纳米片溶液在1064 nm光热转变: 温度随着照射时间的变化

G.Nb₂C纳米片悬浮液在五次激光循环（1.5W· cm^-2）的温度曲线

H.Nb₂C纳米片的在近红外光照射前后的吸收光谱对比

I.Au NRs在近红外光照射前后的吸收光谱对比

J.ICG在近红外光照射前后的吸收光谱对比

K.辐照30min前后Nb₂C纳米片和Au NRs的透射电镜图

图4 在两个近红外窗口（I & II）下体外光热转换效果，体内体外组织穿透深度衡量和对应的体内效果评估

A.检测穿透深度的装置示意图及装置图

B.不同厚度的鸡胸组织固定在透明管里

C.Nb₂C纳米片水悬浮液光热转换检测示意图

D.Nb₂C纳米片水悬浮液光热转换装置图

E.在808 nm下辐照不同深度的激光能量变化

F.在1064 nm下辐照不同深度的激光能量变化

G.Nb₂C纳米片溶液通过组织在近红外生物窗口Ⅰ，Ⅱ下基于光热转化的温度变化

H.在近红外下，活体中光热转换穿透的肿瘤组织深度示意图

I.肿瘤组织不同深度处解剖后的抗原Ki-67免疫荧光染色情况

图5 体外光热治疗效果

A.4T1细胞和U87细胞与不同浓度的Nb₂C-PVP共同孵育后相对细胞活性

B.4T1细胞与40ug/mL Nb₂C-PVP孵育后在不同功率下进行光热治疗后细胞活性

C.U87细胞与40 ug/mL Nb₂C-PVP孵育后在不同功率下进行光热治疗后细胞活性

D.细胞与40 ug/mL Nb₂C-PVP孵育后进行不同处理后的细胞活性的共聚焦成像

E.4T1细胞与FITC标记的Nb2C-PVP孵育随着时间(0, 1, 2, 4, 8 h)的变化追踪：细胞核被DAPI染料染色（蓝色），被FITC标记的Nb₂C-PVP（绿色）

F.不同时间细胞中摄取的DAPI和FITC信号的变化以及Nb₂C-PVP浓度变化

图6 Nb₂C-PVP 在活体毒性表征

A.Nb₂C-PVP注射1，7，28天后小鼠静脉血管中的血液常规参数分析

B.Nb₂C-PVP注射后不同处理条件下小鼠的血液生化指标分析

C.Nb₂C-PVP注射后不同处理条件下小鼠1, 7, 28天时主要器官（心，肝，脾，肺，肾）的H&E组织染色

图7 活体中系统光热治疗评价，药代动力学和组织分布分析

A.Nb₂C-PVP静脉注射后血液循环半衰期：计算得半衰期大约为1.31h.

B.Nb元素在主要组织和肿瘤中的定量分布

C.不同处理下肿瘤小鼠肿瘤部位的温度值：NIR-Ⅰ照射，NIR-Ⅱ照射，Nb₂C-PVP + NIR-Ⅰ，Nb₂C-PVP + NIR-Ⅱ，

D.不同处理下肿瘤小鼠肿瘤部位的红外成像：NIR-Ⅰ照射，NIR-Ⅱ照射，Nb₂C-PVP + NIR-Ⅰ，Nb₂C-PVP + NIR-Ⅱ

E.不同处理组的肿瘤小鼠肿瘤生长情况：NIR-Ⅰ照射，NIR-Ⅱ照射，Nb₂C-PVP + NIR-Ⅰ，Nb₂C-PVP + NIR-Ⅱ，Nb₂C-PVP，空白组

F.不同处理组的小鼠体重变化：NIR-Ⅰ照射，NIR-Ⅱ照射，Nb₂C-PVP + NIR-Ⅰ，Nb₂C-PVP + NIR-Ⅱ，Nb₂C-PVP，空白组

G.不同处理组小鼠的存活率：NIR-Ⅰ照射，NIR-Ⅱ照射，Nb₂C-PVP + NIR-Ⅰ，Nb₂C-PVP + NIR-Ⅱ，Nb₂C-PVP，空白组

H.不同处理组的小鼠16天后的照片：NIR-Ⅰ照射，NIR-Ⅱ照射，Nb₂C-PVP + NIR-Ⅰ，Nb₂C-PVP + NIR-Ⅱ，Nb₂C-PVP，空白组

I.不同组小鼠肿瘤组织的H&E组织病理染色

J.不同组小鼠肿瘤组织的TUNEL组织病理染色

K.不同组小鼠肿瘤组织的Antigen Ki-67免疫荧光、染色

【小结】

二维超薄Nb₂C首次被报道用于近红外窗口（I & II）响应的高效活体肿瘤光热治疗。Nb₂C纳米片表现出良好的光热稳定性，高的光热转化效率。进一步表面修饰PVP的Nb₂C纳米片展现了很好的生物相容性和低毒性，更重要的是，Nb₂C纳米片具有髓过氧化物酶响应的特点，能在该酶的作用下实现生物降解，这对其生物医学上的安全应用有着重要意义。

文献链接：A Two-Dimensional Biodegradable Niobium Carbide (MXene) for Photothermal Tumor Eradication in NIR‑I and NIR-II Biowindows(J. Am. Chem. Soc. 2017, DOI：10.1021/jacs.17b07818)

其他相关工作

(1) ATwo-Dimensional Biodegradable Niobium Carbide (MXene) for Photothermal Tumor Eradication in NIR‑I and NIR-II Biowindows(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.17b07818);

(2)Two-Dimensional Ultrathin MXene Ceramic Nanosheets for Photothermal Conversion(Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04339)

本文由材料人编辑部生物材料组Antily供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

参与生物材料话题讨论或了解生物材料小组招募详情，请加入材料人生物材料交流群（124806506）。

欧洲足球赛事 网专注于跟踪材料领域滚球体育 及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域滚球体育 进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入材料人编辑部。欢迎大家到材料人宣传滚球体育 成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

材料测试，数据分析，上测试谷！