程亮&劉莊AM綜述：二維材料在癌癥治療診斷中的應用

【研究背景】

二維納米材料具有獨特的納米片結構、大的表面積和非凡的物理化學性能，引起了科研工作者極大的興趣。早在2008年，石墨烯及其衍生物在納米醫學領域的研究就開始了。從那時起，許多其他類型的二維納米材料，包括過渡金屬二硫化物、過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物、黑磷納米片、層狀雙氫氧化物和MOF納米片，在過去的十年中都在納米醫學領域得到了探索發展。特別是，大的表面積使得二維納米材料成為高效的藥物傳遞納米平臺。二維納米材料獨特的光學和/或x射線衰減特性可用于癌癥的光療或放療。此外，通過將二維納米材料與其他功能納米粒子集成或利用其固有的物理特性，二維納米材料也可以作為腫瘤多模態成像的納米探針。二維納米材料已經在癌癥治療診斷學中顯示出巨大潛力。

【成果簡介】

近期，蘇州大學程亮研究員與劉莊教授系統地總結了生物醫學中二維納米材料的最新進展，尤其是在癌癥治療診斷中的應用。首先，作者總結了各種類型的二維納米材料的合成和表面改性策略。然后介紹了不同類別的二維納米材料的生物醫學應用進展，包括石墨烯及其衍生物、過渡金屬二硫化物、過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物、黑磷納米片、層狀雙氫氧化物、二維MOF、Pd納米片、六方氮化硼納米片，銻烯納米片和二維硼納米片。最后討論了開發二維納米材料作為癌癥診斷納米平臺的當前挑戰和未來前景。作者希望這篇綜述能夠激發人們對二維納米材料相關應用和癌癥治療學的更廣泛興趣。該成果近日以題為“2D Nanomaterials for Cancer Theranostic Applications”發表在知名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

二維納米材料圖解示意圖，包括石墨烯、過渡金屬二硫化物、過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物、黑磷納米片、層狀雙氫氧化物、二維MOF和其他類型的二維納米片，用于癌癥治療診斷學中的各種應用。

1、二維納米材料的合成和表面改性的一般方法

迄今為止，已經開發了許多制備二維納米材料的方法，包括機械剝離法、液相剝離法、化學氣相沉積法和濕化學法。通常，這些方法可以分為兩類：自上向下法和自下向上法。此外，為了提高二維納米材料的溶液穩定性和生物相容性，研究者們采用了各種策略對其進行改性，以適應廣泛的生物應用。

2、石墨烯作為抗癌藥物

氧化石墨烯是一種含氧官能團的二維sp²碳原子層，在納米醫藥等領域得到了廣泛的應用。

納米石墨烯在癌癥治療診斷領域的應用示意圖。

（1）用于PTT的二維GO納米片。

（2）用于PA成像的rGO納米片。

（3）負載無螯合劑⁶⁴Cu的rGO納米粒子用于體內PET成像。

（4）功能性GO作為納米平臺負載Ce6用于PTT增強的PDT。

（5）PEG化¹³¹I標記的rGO用于PTT和RT聯合治療。

（6）MnO_x/TiO₂-rGO納米復合材料用于MR成像指導的SDT/PTT 協同治療。

3、過渡金屬二硫化物納米片

用于多模式成像和藥物輸送的二維TMD。

（A）聚乙二醇化WS₂納米片用作體內CT/PA成像引導的PTT的多功能治療劑。

（B）用于PTT和化學組合療法的載藥聚乙二醇化MoS₂納米片。

（C）使用二維MoS₂納米片用于抑制細胞分泌增強的協同癌癥療法。

用于多模式成像引導聯合治療的二維TMD納米復合材料。

（A）自下而上合成金屬離子摻雜的WS₂納米薄片，用于增強RT和PTT。

（B）氧化鐵修飾的MoS₂納米片（MoS₂-IO納米復合材料），具有雙PEG化，用于⁶⁴Cu標記和PET/PA/MRI成像引導的PTT。

（C）用于多模式腫瘤成像和組合PTT和RT的二維MoS₂/Bi₂S₃納米復合材料。

（D）用于MRI/PET/CT/PA成像和PTT＆RT組合療法的FeSe₂修飾的Bi₂Se₃納米片（FeSe₂/Bi₂Se₃二維納米復合材料）。

4、MXene納米片

MXenes是一類含有大量過渡金屬碳化物和碳氮化物的新型多功能二維納米材料，具有許多優異的性質。

二維MXene納米片成像引導的PTT。

（A）采用有機堿驅動插層分層法制備碳化鈦(Ti₃C₂)納米片，實現高效PTT。

（B）大豆磷脂改性超薄Ti₃C₂納米片用于高效PTT。

（C）生物可降解碳化鈮(Nb₂C)納米片，用于在NIR-I和NIR-II窗口中光熱根除腫瘤。

（D）用于PA/CT/MRI成像引導PTT的碳化鉭(Ta₄C₃)/氧化錳(MnO_x)納米復合材料。

二維MXene納米片作為藥物傳遞系統。

（A）裝載DOX和透明質酸(HA)的逐層表面修飾Ti₃C₂納米片，用于腫瘤靶向PTT/PDT/化療。

（B）二維超薄Ti₃C₂納米薄片作為協同化療和PTT抗癌藥物傳遞納米平臺。

二維MXene納米復合材料用于多模態成像聯合治療。

（A）用于pH響應的MR/PA成像引導PTT的MnOx/Ti₃C₂-SP復合納米片。

（B）二維超順磁性碳化鉭(Ta₄C₃-IONP-SPs)納米復合材料，用于雙模態增強MRI/CT成像引導PTT。

5、黑磷納米片

黑磷納米片是另一類二維材料，近年來在電池、場效應晶體管、電子、納米醫學等領域也得到了廣泛的應用。

二維黑磷PTT/PDT。

（A）PEG化BP納米片(BP-PEG)用于PA成像和PTT腫瘤治療。

（B）超薄BP納米片，用于高效光生單線態氧和PDT腫瘤治療。

用于藥物遞送的2D黑磷和用于成像引導治療的多功能BP納米復合材料。

（A）BP納米片作為一個納米平臺，用于光熱、化學和生物反應誘導治療中提供DOX、熒光染料和葉酸。

（B）將上轉換納米粒子與超薄BP (UCNP-BP納米復合材料)集成，在808 nm光照射下實現高效PDT。

（C）Au和Fe₃O₄納米粒子在超薄BP (BPs@Au@Fe₃O₄納米復合材料)上的組裝，用于靶向PTT和PDT。

6、層狀雙氫氧化物納米片

層狀雙羥基化合物又稱類水滑石化合物，是一類二維納米材料，其化學成分為[M_1-x²⁺M_x³⁺(OH)₂]^x+[A_x/n]^n- ·mH2O，其中M²⁺和M³⁺分別為二價和三價金屬陽離子，A^m-為層間陰離子。

用于藥物傳遞和核磁成像的二維LDH納米片。

（A）MnFe-LDH二維納米片作為pH響應的納米平臺用于同時進行癌癥MRI成像和化療。

（B）B）放射性同位素標記的LDH納米片用于體內PET成像。

（C）LDH共轉染結腸5-FU和siRNA，用于有效癌癥治療。

多功能二維LDH成像引導腫瘤治療。

（A）在LDH和自制的CN/LDH納米復合材料的作用下，限制合成氮化碳，對癌癥治療診斷表現出良好的熒光成像和光動力學治療性能。

（B）pH敏感磁性納米復合材料(Fe₃O₄@LDH)作為甲氨蝶呤(MTX)靶向抗癌傳遞系統。

7、二維MOF材料

由金屬離子和有機橋聯配體組成的二維MOF納米片在催化、超級電容器、氣體存儲、生物傳感、生物成像、腫瘤治療等領域具有廣闊的應用前景。

二維MOF納米片用于成像和癌癥治療。

（A）二維Zn-TCPP MOFs對化療和PDT的載藥量顯著增加，光觸發單線態產氧增強。

（B）用于MRI和紅外熱成像引導PTT/PDT的超薄Cu-TCPP MOF納米片。

（C）二維UiO MOF納米片，用于順鉑與siRNA的協同傳遞，增強耐藥卵巢癌細胞的治療效果。

其他用于癌癥治療的二維納米材料。

（A）超薄二維鈀(Pd)納米薄片顯示對癌細胞有效的PTT。

（B）核-殼Pd@Au納米板作為體內PA/CT成像引導PTT的治療劑。

（C）用于抗癌藥物的遞送的高水溶性、多孔性和生物相容性的氮化硼(BN)。

其他用于癌癥治療的二維納米材料。

（A）二維銻烯納米點作為近紅外光熱劑用于有效的癌癥治療。

（B）二維銻烯-PEG/DOX納米片作為光子納米藥物用于多模式成像引導的癌癥治療診斷。

（C）用于多模態成像引導聯合治療癌癥的超薄二維硼納米片。

【總結展望】

綜上所述，二維納米材料是一種獨特類型的納米結構，可以作為一個平臺，實現高度集成的成像和治療功能。與它們的納米顆粒對應物不同，由于二維納米材料中的大多數原子暴露在它們的表面上，因此二維納米材料將顯示出獨特的物理和化學性質，并且可以表現出獨特的表面化學。二維納米材料，尤其是那些可生物降解的納米材料，可能確實是用于癌癥治療應用的有前途的納米醫學系統。

文獻鏈接：2D Nanomaterials for Cancer Theranostic Applications (Adv. Mater. 2019, 1902333)

本文由大兵哥供稿。

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