中科院深圳研究院AFM：磷酸钙矿化黑磷具有显著提升的抗癌活性和诊疗应用潜力

【研究背景】

无机纳米粒子具有独特的物理性质，如尺寸、化学性质以及光学/磁性等，因此在肿瘤治疗领域得到了广泛关注。然而，它们固有的化学和生物活性却被大大低估或忽视。近年来对可生物降解无机纳米材料的研究表明，由于降解相关的生物活性，可以通过扰动癌细胞内的离子平衡来调节固有的抗癌活性。作为一类新兴的二维纳米材料，黑磷纳米片（BPs）独特的抗肿瘤活性源于肿瘤细胞内强烈的氧化应激和能量代谢，加速细胞内降解，导致细胞内磷酸根离子浓度急剧升高，细胞内离子平衡发生剧烈变化。相比之下，BPs对正常细胞具有较好的生物相容性。然而，基于BPs的药物特异靶向作用机理还不清楚，而且由于BPs表面没有反应性的有机功能单元，因此BPs的表面功能化对于进一步的应用极具挑战。

【成果简介】

近日，中国科学院深圳先进技术研究院喻学锋研究员与周文华副研究员联合报道了一种原位磷酸钙（CaP）矿化策略，以提高黑磷纳米片（BPs）的抗癌活性。利用BPs作为磷源和生长模板，合成的CaP矿化BPs（CaBPs）既保留了BPs的固有特性，又对各种荧光素具有很高的负载能力，可以进行有效的生物成像和示踪。与BPs相比，CaBPs由于改善了癌细胞的pH响应降解行为和细胞内Ca²⁺荷载，显示出更强的选择性抗癌活性。此外，CaBPs靶向线粒体并引起结构损伤，从而导致线粒体介导的癌细胞凋亡。静脉注射后，CaBPs可以靶向原位乳腺癌细胞，显著抑制肿瘤生长，且不会产生不良反应或毒性。结果表明，CaBPs作为靶向抗癌药物具有巨大的潜力，同时CaP矿化方法为纳米药物提供了一种多功能的表面功能化策略。该文章近日以题为“Calcium Phosphate Mineralized Black Phosphorous with Enhanced Functionality and Anticancer Bioactivity”发表在知名期刊Adv. Funct. Mater.上，论文共同第一作者是潘婷博士、硕士研究生付文和暨南大学辛洪宝教授。

【图文导读】

图一、CaBPs的表征

（a）CaBPs的合成示意图。

（b-d）BPs的TEM，AFM以及HR-TEM图像。

（e-g）CaBPs的TEM，AFM以及HR-TEM图像。

（h）CaBPs的暗场图像和元素图mapping。

（i）BPs和CaBPs的拉曼散射光谱。

（j）CaBPs在不同pH值下的降解速率。

图二、CaBPs的对荧光素负载和细胞内递送能力

（a）CaBPs包封FITC过程的示意图。

（b）FITC/CaBPs释放FITC的荧光发射光谱（λ_ex= 480nm）（FITC/CaBPs投料比分别为0.4, 1, 2.5 ,5, 7.5, 10）。

（c）不同FITC/CaBPs投料比下CaBPs的FITC负载量（w/w%）。

（d）在PBS溶液中，FITC/CaBPs或FITC/BPs释放的FITC荧光光谱（FITC/CaBPs投料比为7.5）。

（e-f）用4µg mL⁻¹FITC/CaBPs或FITC/BPs处理12小时后MCF-7细胞的CLSM和流式细胞图像对比。

图三、CaBPs的特异性抗癌活性

（a）CaBPs与正常细胞hBMSCs和癌细胞MCF-7共孵育24小时和48小时的剂量依赖毒性。

（b）不同剂量下对应的细胞周期分布。

（c）流式细胞术分析CaBPs治疗后hBMSCs和MCF-7细胞凋亡。

图四、CaBPs诱导MCF-7细胞线粒体功能障碍及线粒体介导的凋亡

（a）用JC-1染色评估BPs或CaBPs治疗后MMP的变化。

（b）通过荧光ATP检测分析细胞内ATP水平。

（c）用WB检测不同浓度CaBPs对MCF-7细胞Bcl-2和Bax表达的影响。

（d）用WB分析不同剂量CaBPs处理的MCF-7细胞释放细胞色素C（Cyto C）的影响。

（e）不同浓度CaBPs处理MCF-7细胞48h后Caspase 3/7活性。

（f）四个独立实验中不同浓度CaBPs处理48h后细胞内GSH水平的变化。

图五、CaBPs靶向线粒体并引起线粒体结构损伤

（a）CLSM显示用CaBPs （2µg mL⁻¹）处理6小时和24小时的MCF-7细胞，DAPI染色的细胞核显示为蓝色，Mito-Tracker染色的线粒体显示为红色，绿点代表FITC标记的CABP。

（b）CaBP处理的MCF-7细胞的透射电镜图像，其中N代表细胞核，M代表健康线粒体，DM表示线粒体受损。

图六、MCF-7荷瘤小鼠的体内抗肿瘤作用研究

（a）治疗过程示意图。

（b）小鼠治疗结束后肿瘤的照片。

（c）不同处理后荷瘤小鼠的平均肿瘤生长曲线。

（d）从小鼠身上切除的肿瘤重量对比。

（e）治疗期间裸鼠的体重变化。

（f）小鼠治疗后代表性肿瘤组织的组织学显微镜和TUNEL分析图像。

（g）小鼠治疗后主要器官的代表性组织学显微镜图像。

图七、CaBPs静脉给药对原位乳腺癌模型的体内抗肿瘤作用

（a）Cy5.5/CaBPs@PPF注射后不同时间点小鼠的活体荧光图像。

（b）Cy5.5/CaBPs@PPF注射后不同时间点小鼠不同器官的离体荧光图像。

（c）（b）中荧光强度的量化对比。

（d）治疗过程示意图。

（e）不同治疗组荷瘤小鼠的平均肿瘤生长曲线。

（f）从具有代表性的小鼠身上切除的肿瘤重量。

（g）治疗过程中小鼠体重变化。

（h）小鼠治疗结束后肿瘤的照片。

（i）治疗后小鼠肿瘤组织的TUNEL和H&E染色图像。

【结论展望】

综上所述，原位磷酸钙（CaP）矿化是BPs表面功能化的一种理想的方法，可以显著提高BPs的抗癌活性和荧光成像。CaP沉积不影响BPs的固有性质和形态，同时增加荧光团的负载能力，以便于生物成像和追踪。得到的CaBPs比BPs具有更高的抗癌活性，这是由于CaBPs的pH响应性降解增强和细胞内额外的Ca²⁺释放。此外，CaBPs还可以靶向线粒体，引起线粒体介导的细胞凋亡。体内实验证实经静脉注射的CaBPs和PFF修饰的CaBPs确实可以靶向原位乳腺癌细胞，以抑制肿瘤生长，而不会产生不良反应或毒性。CaBPs具有良好的靶向抗癌活性，在肿瘤治疗中具有广阔的应用前景，近一步拓展了活性磷疗技术，也为无机活性纳米制剂的开发及修饰提供了新思路。

文献链接：Calcium Phosphate Mineralized Black Phosphorous with Enhanced Functionality and Anticancer Bioactivity(Adv. Funct. Mater.2020, 2003069)

课题组简介：

喻学锋，1996-2008年先后获得武汉大学物理学学士、微电子学与固体电子学硕士、光学博士学位；2003年硕士毕业留校任教，历任武汉大学物理科学与技术学院助教、讲师、副教授，获珞珈青年学者；2012-2013年赴香港城市大学等离子体实验室工作，担任高级副研究员；2014年至今在中国科学院深圳先进技术研究院工作，担任研究员/博士生导师；2016年创立了材料界面研究中心，担任中心主任；2017年任命为院材料/化学学科组副组长；2019年起担任为院材料科学与工程研究所副所长、深圳电子材料国际创新院副院长。近五年承担各级纵向科研项目10多项，包括国家自然科学基金面上项目（3项）、国家973子课题、中科院前沿重点研究项目、中科院STS项目、深圳市基础研究布局项目、深圳市工程中心等，累计获批科研经费5000余万元；获企业横向科研项目4项，经费累计3200余万元。近五年以通讯作者发表JCR一区 SCI 论文51篇，其中影响因子大于10的有34篇，16篇论文被选为期刊封面论文。论文共被引用7200余次，14篇论文先后入选ESI高被引论文。

课题组主页：中国科学院深圳先进技术研究院材料界面研究中心

周文华，中科院深圳先进技术研究院副研究员，2005年获得中山生命科学学士学位，2006年-2012年先后获得英国伦敦帝国理工学院生物医学工程/生物医学研究双硕士和生物医药博士学位，2012-2015年在英国伦敦帝国理工学院国家心肺研究所完成博士后研究，2015年至今在中国科学院深圳先进技术研究院工作。主要研究方向有：1、生物分子的高敏检测分析（单分子荧光检测技术）；2、基于CRISPR基因编辑体系的新型诊疗技术开发（新型CRISPR转运平台、基于CRISPR等温扩增技术的生物芯片等）；3、纳米材料的生物学功能及应用（纳米材料的生物活性机理、智能纳米载体等）。近五年承担各级纵向科研项目3项，包括英国心脏基金会项目、国家自然科学基金青年基金项目、深圳市国际合作项目累计获批科研经费300余万元；获企业横向科研项目1项，经费累计100万元。目前该团队拥有来自材料、电子、物理、化学、生物、工程等多学科领域科研人员15人。共发表 SCI 论文20余篇，其中影响因子>10的第一作者论文有3篇。

课题组主页：CRISPR生物芯片团队

本文由大兵哥供稿。

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

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenvip。