Adv. Mater：生物可降解的光响应“纳米摇铃”实现癌症诊疗一体化

【引言】
将诊断和精准治疗相结合的多功能纳米平台用于癌症的诊断与治疗，在纳米生物技术方面表现出巨大的潜力。在不同的生物成像技术中，超声成像因具有实时成像、对组织无损伤、花费低等优点，成为临床上普遍应用的诊断技术。装载各种治疗剂的微泡则被广泛用作超声造影剂（UCAs）。通常来说超声造影剂是由惰性的全氟化碳气体和聚合物或蛋白质组合而成，但是惰性气体在体温的环境下会发生膨胀而从松散的外壳中扩散出来，因而半衰期很短（<20 min）；另外，微泡的直径较大（通常为1-8 μm），进一步阻碍了造影剂在非微米血管组织周围的渗透。因此，提高超声造影剂的稳定性和肿瘤穿透性对研究者来说仍然是重大的挑战。

【成果简介】
近日，深圳大学黄鹏教授和温州大学杨云研究员（共同通讯作者）团队在Advanced Materials在线发表了一篇题为“Light-Responsive Biodegradable Nanorattles for Cancer Theranostics”的文章，介绍了一种生物可降解的光响应纳米摇铃，可以在激光激发下利用超声/光声双模态成像对癌症进行诊断，同时实现癌症光热治疗。该研究最大的创新点在于研究者将金纳米棒（GNR）与全氟戊烷（PFP）同时负载到介孔二氧化硅中，得到光响应纳米摇铃：GNR@SiO2-PFP，利用GNR的光热效应激发PFP产生微泡得到高质量的图像，同时实现对癌症的光热治疗作用；另外，利用介孔二氧化硅作为载体，不仅可以延长其血液循环时间，而且可生物降解降低体内毒性。这一材料的发明为后续癌症的诊断与治疗研究提供了新的方向和思路。

【图文导读】

图1. GNR@SiO2-PFP纳米摇铃的表征

a） GNR@ZnO的TEM表征。

b） GNR@SiO2的TEM表征。

c） GNR@SiO2的SEM表征。

d） GNR、GNR@ZnO和GNR@SiO2溶液照片。

e） GNR和GNR@SiO2 的UV-vis-NIR光谱。

f） pH7.4环境下GNR和GNR@SiO2 的Zeta电位。

图2. GNR@SiO2-PFP在体外产生微泡过程表征

a） 808 nm，1 W/cm2，5 min条件下PBS和不同浓度的GNR@SiO2溶液（5,10,20,40,80 ppm of Au）的升温曲线。

b） PFP的GC-MS色谱图。

c） 42 ℃加热2 min后气泡产生情况。

d-e) 激光照射前后GNR@SiO2-PFP产生气泡的照片（808 nm，1 W/cm2，5 min）。

f-g) GNR@SiO2-PFP孵育后激光照射下A375细胞内产生气泡的照片（808 nm，1 W/cm2，5 min）。

图3. 孵育GNR@SiO2-PFP后A375细胞的生物电镜表征

a-b) GNR@SiO2-PFP孵育2小时后A375细胞的bio-TEM表征。

c-d) GNR@SiO2-PFP孵育5小时后A375细胞的bio-TEM表征。

e-f) GNR@SiO2-PFP孵育24小时后A375细胞的bio-TEM表征。

图4. 体外细胞实验

a） A375细胞分别孵育不同浓度（0-100 ppm）GNR@SiO2和GNR@SiO2-PFP纳米粒子24小时后的细胞毒性实验。

b） A375细胞孵育GNR@SiO224小时后激光照射（808 nm，1 W/cm2）不同时间的细胞活性实验（**P<0.01，***P<0.001）。

c） 不同处理方式处理A375后死/活细胞双染结果（calcein AM：活细胞，绿色荧光；PI：死细胞，红色荧光；GNR@SiO2内Au含量：25 ppm；808 nm，1 W/cm2，5 min）。

图5. 超声和光声（US/PA）成像

a） GNR@SiO2-PFP溶液加热前后以及激光照射后体外超声成像图（Au：10 ppm）。

b） GNR@SiO2-PFP溶液加热前后以及激光照射后体外超声成像图对应的灰度值（Au：10 ppm）。c） 不同浓度下GNR@SiO2-PFP溶液的体外光声成像图（OD：0.25-1.5）。

d） GNR@SiO2-PFP注射前后及激光照射前后的体内超声成像图。

e） GNR@SiO2-PFP注射前后及激光照射前后肿瘤组织的超声信号灰度值。

f） GNR@SiO2-PFP注射前以及注射后不同时间点的光声成像图。

g） GNR@SiO2-PFP注射前以及注射后不同时间点的光声信号值。

图6. GNR@SiO2-PFP对A375肿瘤老鼠体内治疗效果评价

a） PBS和GNR@SiO2-PFP注射24小时后激光照射老鼠的热成像示意图。

b） PBS和GNR@SiO2-PFP注射24小时后激光照射老鼠的温度变化。

c） 肿瘤体积的相对生长曲线。

d） 不同处理方式处理18天后肿瘤质量。

e） 不同处理组老鼠的照片。

f） 不同处理组老鼠肿瘤切片的H&E表征。

【小结】
GNR@SiO2-PFP纳米摇铃通过光响应可以释放微泡使超声成像质量提高，同时微泡可以穿透非微血管，增加肿瘤部位材料的富集；而且可在US/PA双模态成像的介导下对黑色素瘤进行光热治疗。这一纳米摇铃的发明实现了癌症的诊疗一体化，随着纳米医学的发展，该研究为癌症的诊断与治疗提供了新的研究思路。

文献链接：Light-Responsive Biodegradable Nanorattles for Cancer Theranostics（Advanced. Materials.，2017，DOI: 10.1002/adma.201706150）

本文由材料人编辑部南渡编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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