Adv. Funct. Mater.：仿生合成CuS用于化療-放療聯合治療

【引言】

放化療聯合治療是臨床腫瘤治療中應用最廣的治療手段之一。經研究發現，電離輻射（例如X射線）能顯著增加細胞對多種納米粒子及其攜帶的化療的內吞，同時明顯地減少它們的外排。這可能是由于X射線誘導改變了細胞周期，同時使與納米材料內吞相關的關鍵通道蛋白Caveolin-1上調。文中以黑色素為模板合成了PEG修飾的仿生CuS顆粒，并裝載了抗癌藥物阿霉素（DOX）用于腫瘤的化療放療聯合治療。這種CuS@Melanin-PEG納米顆粒，可以作為放射增敏劑增加X射線誘導的細胞凋亡，更為重要的是在電離輻射的輔助下，可以將更多的化療藥DOX運輸至腫瘤細胞中，增加協同治療效果。

【成果簡介】

近日，蘇州大學放射醫學與防護楊凱副教授團隊在腫瘤聯合放化療方面取得了一定的研究進展，文章第一作者為其博士生易玄。通過在以生物聚合的黑色素為模板合成了CuS@Melanin納米顆粒，進一步在 CuS@Melanin上修飾上聚乙二醇。合成的CuS@Melanin-PEG在X射線的誘導下，更多的納米材料能進入細胞，同時也減少了納米材料從病灶部位（腫瘤部位）的外排。CuS@Melanin-PEG可以用來能夠裝載小分子化療藥物DOX，同時也是一種放射增敏劑促進X射線誘導下的細胞凋亡。此項研究成果以“Biomimetic Copper Sulfide for Chemo-Radiotherapy: Enhanced Uptake and Reduced Efflux of Nanoparticles for Tumor Cells under Ionizing Radiation”為題發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖1：復合納米藥物（CuS@Melanin-PEG/DOX）結構設計與表征。

（a）復合納米藥物（CuS@Melanin-PEG/DOX）的合成過程；（b）以黑色素（Melanin）為模板合成的的CuS納米顆粒(CuS@Melanin)的透射電鏡圖像；（c）CuS@Melanin納米顆粒的高倍透射電鏡圖像；（d）CuS@Melanin納米顆粒的能量色散X射線光譜(EDX)；（e）CuS@Melanin， CuS@Melanin-PEG和CuS@Melanin-PEG/DOX 納米顆粒的粒徑分布；（f）納米顆粒Cit-CuS（檸檬酸鹽法制備的CuS）， Melanin 和 CuS@Melanin-PEG的UV–vis–NIR （紫外-可見-紅外）光譜圖；（g）不同DOX投料下得到的CuS@Melanin-PEG/DOX納米顆粒的UV–vis–NIR （紫外-可見-紅外）光譜圖。

圖2：X射線輻照下腫瘤細胞對納米材料的內吞與外排實驗。

（a）X射線輻照下細胞對納米材料的內吞與外排實驗設計示意圖；（b）X射線輻照下細胞對不同納米材料的內吞增加與外排減少；在X射線的照射下細胞對實驗中的納米材料均表現出明顯的內吞增多與外排減少。而在X射線的照射下細胞對小分子藥物如阿霉素（DOX）則沒有表現出這一現象。

圖3：細胞實驗。

（a）MCF-7、A549、Hela、HUVEC、NIH-3T3等細胞在X射線釋照射下對CuS@Melanin-PEG的內吞增加；（b）MCF-7、A549、Hela、HUVEC、NIH-3T3等細胞在X射線釋照射下對CuS@Melanin-PEG的外排減少；（c）在X射線釋照射下4T1細胞對不同粒徑的SiNP粒子（42 nm、82nm、188nm）的內吞增加；（d）在X射線釋照射下4T1細胞對不同粒徑的SiNP粒子（42 nm、82nm、188nm）的外排減少；（e）細胞在不同劑量的X射線輻照下對CuS@Melanin-PEG的內吞增加情況；（f）細胞在不同劑量的X射線輻照下對CuS@Melanin-PEG的外排減少情況。

圖4： X射線對細胞攝入機制的影響。

（a）通過X射線誘導細胞周期調整和Caveolin-1蛋白表達上調來增強納米顆粒內吞的機理示意圖；（b）X射線照射0h、6h、12h和24h后，處于各周期的細胞比例；（c）免疫印跡法檢測X射線照射0h、6h、12h和24h后，Caveolin-1蛋白的表達；（d）免疫熒光成像檢測X射線照射0h、6h、12h和24h后，Caveolin-1蛋白的表達。

圖5：體外實驗研究。

（a）不同濃度的CuS@Melanin-PEG與4T1細胞共孵育；（b）CuS@Melanin-PEG、PBS與4T1共孵育，不同劑量的X射線照射下細胞克隆形成率；（c）熒光共聚焦檢測CuS@Melanin-PEG放療作用,熒光共聚焦顯示細胞在CuS@Melanin-PEG和X射線的共同作用下DNA雙鏈斷裂（γ-H2AX染色變紅）。（d）γ-H2AX染色熒光定量分析；（e）體外檢測CuS@Melanin-PEG/DOX 化療-放療聯合治療效果。

圖6：活體光聲成像。

（a）注射CuS@Melanin-PEG/DOX后0 h、2 h、6 h、24 h后腫瘤光聲成像信號（激發波長900 nm）；（b）電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）監測CuS@Melanin-PEG/DOX的體內血液循環；（c）ICP-OES測試CuS@Melanin-PEG/DOX注射24 h后藥物在生物體內的分布；（d）藥物注射24 h后檢測腫瘤細胞的平均DOX熒光強度。裝載的DOX比游離的DOX有更好的入胞效果，在X射線的照射下DOX熒光強度與未照射相比有明顯提高。

圖7：體內放化療聯合治療研究。

（a）不同治療組小鼠14天內的腫瘤生長曲線；（b）接種癌細胞的小鼠經歷不同的治療方法后14天后收集的腫瘤照片；（c）不同治療組小鼠腫瘤組織切片的TUNEL染色圖。

【小結】

本文成功地設計并構建了一種多功能的的復合納米藥物CuS@Melanin-PEG/DOX用于化療-放療聯合治療。同時發現了X射線照射對納米粒子內吞和外排的影響。由于X射線照射，導致細胞周期變化和caveolin-1上調，細胞對納米顆粒及其攜帶的小分子化療藥物DOX內吞均明顯增加，且外排明顯減少。而小分子藥物阿霉素則未觀察到該現象。本文一方面提出了在電離輻射作用下的促進納米藥物進胞機制，另一方面構建了一種在放化療聯合治療中效果顯著的復合納米藥物CuS@Melanin-PEG/DOX。

文獻鏈接：Biomimetic Copper Sulfide for Chemo-Radiotherapy: Enhanced Uptake and Reduced Efflux of Nanoparticles for Tumor Cells under Ionizing Radiation（Adv. Funct. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201705161）

【通訊作者簡介】

楊凱, 博士, 副教授 , 碩士生導師，2006年獲得安徽工程大學生化工程系工學學士學位，2009年獲得蘇州大學基礎醫學與生物科學學院理學碩士學位，2013年獲得蘇州大學功能納米與軟物質研究院理學博士學位，2012年至2013年在美國國立衛生研究院進行博士聯合培養。2014年1月加入蘇州大學醫學部放射醫學與防護學院，被聘為副教授，碩士生導師。自入職以來，以通訊作者在國際知名刊物上共發表SCI論文20余篇。本課題組的主要在納米醫學與放射醫學這是一門交叉學科開展研究。

（1）對基于功能納米材料的腫瘤放射治療、以及放療與其他治療模式相結合展開了初步的探索性研究，取得了一定的研究成果。 相關成果發表在國際知名刊物Biomaterials, 2015, 66, 21-28；Adv. Funct. Mater.2015, 25, 7327–7336；Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 7327–7336；Adv. Funct. Mater. 2018, 1705161 。

（2）在如何通過納米技術改善腫瘤微環境來增強腫瘤放射治療方面，我們也已經展開的初步的探索。通過內部刺激或者外部控制調節兩種放射，改善腫瘤乏氧，提高腫瘤的放療效果。相關成果發表在Adv Mater, 2015, 27, 6110-6117；Nano Research 2016, 9(11): 3267–3278； Theranostics，2017; 7(3): 614-623；Small 2017, 13, 1700640；

本文由材料人編輯部張雪豪整理編譯，點我加入材料人編輯部。材料測試，數據分析，上測試谷！