程亮&刘庄AM综述：二维材料在癌症治疗诊断中的应用

【研究背景】

二维纳米材料具有独特的纳米片结构、大的表面积和非凡的物理化学性能，引起了科研工作者极大的兴趣。早在2008年，石墨烯及其衍生物在纳米医学领域的研究就开始了。从那时起，许多其他类型的二维纳米材料，包括过渡金属二硫化物、过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物、黑磷纳米片、层状双氢氧化物和MOF纳米片，在过去的十年中都在纳米医学领域得到了探索发展。特别是，大的表面积使得二维纳米材料成为高效的药物传递纳米平台。二维纳米材料独特的光学和/或x射线衰减特性可用于癌症的光疗或放疗。此外，通过将二维纳米材料与其他功能纳米粒子集成或利用其固有的物理特性，二维纳米材料也可以作为肿瘤多模态成像的纳米探针。二维纳米材料已经在癌症治疗诊断学中显示出巨大潜力。

【成果简介】

近期，苏州大学程亮研究员与刘庄教授系统地总结了生物医学中二维纳米材料的最新进展，尤其是在癌症治疗诊断中的应用。首先，作者总结了各种类型的二维纳米材料的合成和表面改性策略。然后介绍了不同类别的二维纳米材料的生物医学应用进展，包括石墨烯及其衍生物、过渡金属二硫化物、过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物、黑磷纳米片、层状双氢氧化物、二维MOF、Pd纳米片、六方氮化硼纳米片，锑烯纳米片和二维硼纳米片。最后讨论了开发二维纳米材料作为癌症诊断纳米平台的当前挑战和未来前景。作者希望这篇综述能够激发人们对二维纳米材料相关应用和癌症治疗学的更广泛兴趣。该成果近日以题为“2D Nanomaterials for Cancer Theranostic Applications”发表在知名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

二维纳米材料图解示意图，包括石墨烯、过渡金属二硫化物、过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物、黑磷纳米片、层状双氢氧化物、二维MOF和其他类型的二维纳米片，用于癌症治疗诊断学中的各种应用。

1、二维纳米材料的合成和表面改性的一般方法

迄今为止，已经开发了许多制备二维纳米材料的方法，包括机械剥离法、液相剥离法、化学气相沉积法和湿化学法。通常，这些方法可以分为两类：自上向下法和自下向上法。此外，为了提高二维纳米材料的溶液稳定性和生物相容性，研究者们采用了各种策略对其进行改性，以适应广泛的生物应用。

2、石墨烯作为抗癌药物

氧化石墨烯是一种含氧官能团的二维sp²碳原子层，在纳米医药等领域得到了广泛的应用。

纳米石墨烯在癌症治疗诊断领域的应用示意图。

（1）用于PTT的二维GO纳米片。

（2）用于PA成像的rGO纳米片。

（3）负载无螯合剂⁶⁴Cu的rGO纳米粒子用于体内PET成像。

（4）功能性GO作为纳米平台负载Ce6用于PTT增强的PDT。

（5）PEG化¹³¹I标记的rGO用于PTT和RT联合治疗。

（6）MnO_x/TiO₂-rGO纳米复合材料用于MR成像指导的SDT/PTT 协同治疗。

3、过渡金属二硫化物纳米片

用于多模式成像和药物输送的二维TMD。

（A）聚乙二醇化WS₂纳米片用作体内CT/PA成像引导的PTT的多功能治疗剂。

（B）用于PTT和化学组合疗法的载药聚乙二醇化MoS₂纳米片。

（C）使用二维MoS₂纳米片用于抑制细胞分泌增强的协同癌症疗法。

用于多模式成像引导联合治疗的二维TMD纳米复合材料。

（A）自下而上合成金属离子掺杂的WS₂纳米薄片，用于增强RT和PTT。

（B）氧化铁修饰的MoS₂纳米片（MoS₂-IO纳米复合材料），具有双PEG化，用于⁶⁴Cu标记和PET/PA/MRI成像引导的PTT。

（C）用于多模式肿瘤成像和组合PTT和RT的二维MoS₂/Bi₂S₃纳米复合材料。

（D）用于MRI/PET/CT/PA成像和PTT＆RT组合疗法的FeSe₂修饰的Bi₂Se₃纳米片（FeSe₂/Bi₂Se₃二维纳米复合材料）。

4、MXene纳米片

MXenes是一类含有大量过渡金属碳化物和碳氮化物的新型多功能二维纳米材料，具有许多优异的性质。

二维MXene纳米片成像引导的PTT。

（A）采用有机碱驱动插层分层法制备碳化钛(Ti₃C₂)纳米片，实现高效PTT。

（B）大豆磷脂改性超薄Ti₃C₂纳米片用于高效PTT。

（C）生物可降解碳化铌(Nb₂C)纳米片，用于在NIR-I和NIR-II窗口中光热根除肿瘤。

（D）用于PA/CT/MRI成像引导PTT的碳化钽(Ta₄C₃)/氧化锰(MnO_x)纳米复合材料。

二维MXene纳米片作为药物传递系统。

（A）装载DOX和透明质酸(HA)的逐层表面修饰Ti₃C₂纳米片，用于肿瘤靶向PTT/PDT/化疗。

（B）二维超薄Ti₃C₂纳米薄片作为协同化疗和PTT抗癌药物传递纳米平台。

二维MXene纳米复合材料用于多模态成像联合治疗。

（A）用于pH响应的MR/PA成像引导PTT的MnOx/Ti₃C₂-SP复合纳米片。

（B）二维超顺磁性碳化钽(Ta₄C₃-IONP-SPs)纳米复合材料，用于双模态增强MRI/CT成像引导PTT。

5、黑磷纳米片

黑磷纳米片是另一类二维材料，近年来在电池、场效应晶体管、电子、纳米医学等领域也得到了广泛的应用。

二维黑磷PTT/PDT。

（A）PEG化BP纳米片(BP-PEG)用于PA成像和PTT肿瘤治疗。

（B）超薄BP纳米片，用于高效光生单线态氧和PDT肿瘤治疗。

用于药物递送的2D黑磷和用于成像引导治疗的多功能BP纳米复合材料。

（A）BP纳米片作为一个纳米平台，用于光热、化学和生物反应诱导治疗中提供DOX、荧光染料和叶酸。

（B）将上转换纳米粒子与超薄BP (UCNP-BP纳米复合材料)集成，在808 nm光照射下实现高效PDT。

（C）Au和Fe₃O₄纳米粒子在超薄BP (BPs@Au@Fe₃O₄纳米复合材料)上的组装，用于靶向PTT和PDT。

6、层状双氢氧化物纳米片

层状双羟基化合物又称类水滑石化合物，是一类二维纳米材料，其化学成分为[M_1-x²⁺M_x³⁺(OH)₂]^x+[A_x/n]^n-·mH2O，其中M²⁺和M³⁺分别为二价和三价金属阳离子，A^m-为层间阴离子。

用于药物传递和核磁成像的二维LDH纳米片。

（A）MnFe-LDH二维纳米片作为pH响应的纳米平台用于同时进行癌症MRI成像和化疗。

（B）B）放射性同位素标记的LDH纳米片用于体内PET成像。

（C）LDH共转染结肠5-FU和siRNA，用于有效癌症治疗。

多功能二维LDH成像引导肿瘤治疗。

（A）在LDH和自制的CN/LDH纳米复合材料的作用下，限制合成氮化碳，对癌症治疗诊断表现出良好的荧光成像和光动力学治疗性能。

（B）pH敏感磁性纳米复合材料(Fe₃O₄@LDH)作为甲氨蝶呤(MTX)靶向抗癌传递系统。

7、二维MOF材料

由金属离子和有机桥联配体组成的二维MOF纳米片在催化、超级电容器、气体存储、生物传感、生物成像、肿瘤治疗等领域具有广阔的应用前景。

二维MOF纳米片用于成像和癌症治疗。

（A）二维Zn-TCPP MOFs对化疗和PDT的载药量显著增加，光触发单线态产氧增强。

（B）用于MRI和红外热成像引导PTT/PDT的超薄Cu-TCPP MOF纳米片。

（C）二维UiO MOF纳米片，用于顺铂与siRNA的协同传递，增强耐药卵巢癌细胞的治疗效果。

其他用于癌症治疗的二维纳米材料。

（A）超薄二维钯(Pd)纳米薄片显示对癌细胞有效的PTT。

（B）核-壳Pd@Au纳米板作为体内PA/CT成像引导PTT的治疗剂。

（C）用于抗癌药物的递送的高水溶性、多孔性和生物相容性的氮化硼(BN)。

其他用于癌症治疗的二维纳米材料。

（A）二维锑烯纳米点作为近红外光热剂用于有效的癌症治疗。

（B）二维锑烯-PEG/DOX纳米片作为光子纳米药物用于多模式成像引导的癌症治疗诊断。

（C）用于多模态成像引导联合治疗癌症的超薄二维硼纳米片。

【总结展望】

综上所述，二维纳米材料是一种独特类型的纳米结构，可以作为一个平台，实现高度集成的成像和治疗功能。与它们的纳米颗粒对应物不同，由于二维纳米材料中的大多数原子暴露在它们的表面上，因此二维纳米材料将显示出独特的物理和化学性质，并且可以表现出独特的表面化学。二维纳米材料，尤其是那些可生物降解的纳米材料，可能确实是用于癌症治疗应用的有前途的纳米医学系统。

文献链接：2D Nanomaterials for Cancer Theranostic Applications(Adv. Mater.2019, 1902333)

本文由大兵哥供稿。

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