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ACS Nano | 配位驱动增强纳米药物肿瘤放射治疗

作者：X-MOL 2021-04-08

英文原题：Coordination-Driven Enhancement of Radiosensitization by Black Phosphorus via Regulating Tumor Metabolism

通讯作者：陈填烽，暨南大学

作者：Leung Chan, Xiaodan Chen, Pan Gao, Jun Xie, Zhongyang Zhang, Jianfu Zhao, Tianfeng Chen

黑磷(Black Phosphorus, BP)作为单质磷中最稳定的同素异形体具有大的比表面积、生物降解性、可调节的禁带宽度等优点，在光电、能源、电池以及催化等领域应用广泛。随着纳米技术的高速发展，黑磷在肿瘤光热治疗和光动力治疗中展现出巨大的潜力。黑磷在黑暗环境下表现出来良好的生物安全性和生物相容性，而经不同波长的激发光照射后，黑磷可以增加体系中活性氧的生成，如550 nm下促进三线态氧到单线态氧的转化，而450 nm 时促进羟基自由基产生。然而传统的激光容易被机体的组织吸收，到达病灶部位的激光不足以激活黑磷的抗肿瘤活性。本课题在前期研究中发现黑磷在低剂量X射线照射下可以产生大量的单线态氧，具有一定的放疗增敏潜力。但是其稳定性差、无选择性和低的X射线质量衰减系数等缺点，均不利于黑磷在放疗中的应用。因此，发展功能化黑磷纳米材料在临床应用中具有重要意义。

为了解决上述问题，暨南大学陈填烽教授团队制备了一种由配位驱动修饰的黑磷纳米材料(RGD-Ir@BP)用于肿瘤放疗增敏。这种放疗增敏剂具有更好的光电性能，其光触发电流提高到0.06 nA，放疗活性提高了14倍，安全指数达到144，这种配位驱动的表面修饰为改善半导体材料的放疗活性提供了新的思路(图1)。铱配合物自身不具有放疗增敏能力，但通过配位键结合到黑磷表面可以降低其禁带宽度，提高其阻抗、光触发电流以及载流子动力学，最终提高X射线引起的活性氧产生，实现更高效的肿瘤放射治疗。而且，铱配合物还可以与RGD肿瘤靶向多肽共价结合，提高纳米体系对肿瘤细胞的选择性。可见，配位修饰的策略是改善黑磷等半导体材料其放疗增敏能力的理想方法。

图1：RGD-Ir@BP的形貌表征和元素分析。

与单独的黑磷相比，配位修饰后的RGD-Ir@BP在X射线的作用下可以产生更多的单线态氧具有更好的放疗增敏能力(图2)。为了探究该纳米体系放疗增敏的原由，文章分别测试了铱配合物自身是否具有放疗增敏效果，同时对 RGD-Ir@BP纳米体系进行一系列的光电流实验。结果显示，单独的铱配合物在X射线作用下不产生单线态氧。但是其配位到黑磷表面后，可以使黑磷表面的禁带宽降低到1.62 eV，这与三线态氧到单线态氧的激活能更加匹配。此外，铱配合物可以提高黑磷的阻抗以及光触发电流(0.06 nA)，并且可以改善黑磷的载流子动力学，加速纳米体系的能量向活性氧的转移。以上实验显示，铱配合物的配位修饰可以通过改善黑磷的光电性能和载流子动力学，实现更高效的放疗增敏。

图2：RGD-Ir@BP的光电性能以及放疗增敏机制。

该报道中，对RGD-Ir@BP放疗增敏剂治疗的肿瘤细胞进行了代谢组学研究。结果显示，RGD-Ir@BP联合放疗不仅可以产生大量的单线态氧杀死肿瘤细胞，并且可以通过下调肿瘤修复相关的前列腺素E2，抑制肿瘤细胞对放疗损伤的修复，实现高效的肿瘤放射治疗。同时动物实验进一步验证RGD-Ir@BP的体内抗肿瘤活性。荷瘤裸鼠经静脉注射给药后通过低剂量的X射线照射后，肿瘤增殖明显受到抑制。并且H&E染色实验显示RGD-Ir@BP对心、肝、脾、肺、肾等重要器官没有明显的损伤。进一步通过肿瘤组织的免疫荧光实验也证实了，RGD-Ir@BP联合放疗可以引起肿瘤DNA损伤，进而诱导细胞凋亡，表明这是一款高效低毒的放疗增敏剂。