Adv. Funct. Mater.：仿生合成CuS用于化疗-放疗联合治疗

【引言】

放化疗联合治疗是临床肿瘤治疗中应用最广的治疗手段之一。经研究发现，电离辐射（例如X射线）能显著增加细胞对多种纳米粒子及其携带的化疗的内吞，同时明显地减少它们的外排。这可能是由于X射线诱导改变了细胞周期，同时使与纳米材料内吞相关的关键通道蛋白Caveolin-1上调。文中以黑色素为模板合成了PEG修饰的仿生CuS颗粒，并装载了抗癌药物阿霉素（DOX）用于肿瘤的化疗放疗联合治疗。这种CuS@Melanin-PEG纳米颗粒，可以作为放射增敏剂增加X射线诱导的细胞凋亡，更为重要的是在电离辐射的辅助下，可以将更多的化疗药DOX运输至肿瘤细胞中，增加协同治疗效果。

【成果简介】

近日，苏州大学放射医学与防护杨凯副教授团队在肿瘤联合放化疗方面取得了一定的研究进展，文章第一作者为其博士生易玄。通过在以生物聚合的黑色素为模板合成了CuS@Melanin纳米颗粒，进一步在 CuS@Melanin上修饰上聚乙二醇。合成的CuS@Melanin-PEG在X射线的诱导下，更多的纳米材料能进入细胞，同时也减少了纳米材料从病灶部位（肿瘤部位）的外排。CuS@Melanin-PEG可以用来能够装载小分子化疗药物DOX，同时也是一种放射增敏剂促进X射线诱导下的细胞凋亡。此项研究成果以“Biomimetic Copper Sulfide for Chemo-Radiotherapy: Enhanced Uptake and Reduced Efflux of Nanoparticles for Tumor Cells under Ionizing Radiation”为题发表在Advanced Functional Materials上。

【图文导读】

图1：复合纳米药物（CuS@Melanin-PEG/DOX）结构设计与表征。

（a）复合纳米药物（CuS@Melanin-PEG/DOX）的合成过程；（b）以黑色素（Melanin）为模板合成的的CuS纳米颗粒(CuS@Melanin)的透射电镜图像；（c）CuS@Melanin纳米颗粒的高倍透射电镜图像；（d）CuS@Melanin纳米颗粒的能量色散X射线光谱(EDX)；（e）CuS@Melanin， CuS@Melanin-PEG和CuS@Melanin-PEG/DOX 纳米颗粒的粒径分布；（f）纳米颗粒Cit-CuS（柠檬酸盐法制备的CuS）， Melanin 和 CuS@Melanin-PEG的UV–vis–NIR （紫外-可见-红外）光谱图；（g）不同DOX投料下得到的CuS@Melanin-PEG/DOX纳米颗粒的UV–vis–NIR （紫外-可见-红外）光谱图。

图2：X射线辐照下肿瘤细胞对纳米材料的内吞与外排实验。

（a）X射线辐照下细胞对纳米材料的内吞与外排实验设计示意图；（b）X射线辐照下细胞对不同纳米材料的内吞增加与外排减少；在X射线的照射下细胞对实验中的纳米材料均表现出明显的内吞增多与外排减少。而在X射线的照射下细胞对小分子药物如阿霉素（DOX）则没有表现出这一现象。

图3：细胞实验。

（a）MCF-7、A549、Hela、HUVEC、NIH-3T3等细胞在X射线释照射下对CuS@Melanin-PEG的内吞增加；（b）MCF-7、A549、Hela、HUVEC、NIH-3T3等细胞在X射线释照射下对CuS@Melanin-PEG的外排减少；（c）在X射线释照射下4T1细胞对不同粒径的SiNP粒子（42 nm、82nm、188nm）的内吞增加；（d）在X射线释照射下4T1细胞对不同粒径的SiNP粒子（42 nm、82nm、188nm）的外排减少；（e）细胞在不同剂量的X射线辐照下对CuS@Melanin-PEG的内吞增加情况；（f）细胞在不同剂量的X射线辐照下对CuS@Melanin-PEG的外排减少情况。

图4： X射线对细胞摄入机制的影响。

（a）通过X射线诱导细胞周期调整和Caveolin-1蛋白表达上调来增强纳米颗粒内吞的机理示意图；（b）X射线照射0h、6h、12h和24h后，处于各周期的细胞比例；（c）免疫印迹法检测X射线照射0h、6h、12h和24h后，Caveolin-1蛋白的表达；（d）免疫荧光成像检测X射线照射0h、6h、12h和24h后，Caveolin-1蛋白的表达。

图5：体外实验研究。

（a）不同浓度的CuS@Melanin-PEG与4T1细胞共孵育；（b）CuS@Melanin-PEG、PBS与4T1共孵育，不同剂量的X射线照射下细胞克隆形成率；（c）荧光共聚焦检测CuS@Melanin-PEG放疗作用,荧光共聚焦显示细胞在CuS@Melanin-PEG和X射线的共同作用下DNA双链断裂（γ-H2AX染色变红）。（d）γ-H2AX染色荧光定量分析；（e）体外检测CuS@Melanin-PEG/DOX 化疗-放疗联合治疗效果。

图6：活体光声成像。

（a）注射CuS@Melanin-PEG/DOX后0 h、2 h、6 h、24 h后肿瘤光声成像信号（激发波长900 nm）；（b）电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）监测CuS@Melanin-PEG/DOX的体内血液循环；（c）ICP-OES测试CuS@Melanin-PEG/DOX注射24 h后药物在生物体内的分布；（d）药物注射24 h后检测肿瘤细胞的平均DOX荧光强度。装载的DOX比游离的DOX有更好的入胞效果，在X射线的照射下DOX荧光强度与未照射相比有明显提高。

图7：体内放化疗联合治疗研究。

（a）不同治疗组小鼠14天内的肿瘤生长曲线；（b）接种癌细胞的小鼠经历不同的治疗方法后14天后收集的肿瘤照片；（c）不同治疗组小鼠肿瘤组织切片的TUNEL染色图。

【小结】

本文成功地设计并构建了一种多功能的的复合纳米药物CuS@Melanin-PEG/DOX用于化疗-放疗联合治疗。同时发现了X射线照射对纳米粒子内吞和外排的影响。由于X射线照射，导致细胞周期变化和caveolin-1上调，细胞对纳米颗粒及其携带的小分子化疗药物DOX内吞均明显增加，且外排明显减少。而小分子药物阿霉素则未观察到该现象。本文一方面提出了在电离辐射作用下的促进纳米药物进胞机制，另一方面构建了一种在放化疗联合治疗中效果显著的复合纳米药物CuS@Melanin-PEG/DOX。

文献链接：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）

【通讯作者简介】

杨凯, 博士, 副教授 , 硕士生导师，2006年获得安徽工程大学生化工程系工学学士学位，2009年获得苏州大学基础医学与生物科学学院理学硕士学位，2013年获得苏州大学功能纳米与软物质研究院理学博士学位，2012年至2013年在美国国立卫生研究院进行博士联合培养。2014年1月加入苏州大学医学部放射医学与防护学院，被聘为副教授，硕士生导师。自入职以来，以通讯作者在国际知名刊物上共发表SCI论文20余篇。本课题组的主要在纳米医学与放射医学这是一门交叉学科开展研究。

（1）对基于功能纳米材料的肿瘤放射治疗、以及放疗与其他治疗模式相结合展开了初步的探索性研究，取得了一定的研究成果。 相关成果发表在国际知名刊物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）在如何通过纳米技术改善肿瘤微环境来增强肿瘤放射治疗方面，我们也已经展开的初步的探索。通过内部刺激或者外部控制调节两种放射，改善肿瘤乏氧，提高肿瘤的放疗效果。相关成果发表在Adv Mater, 2015, 27, 6110-6117；Nano Research 2016, 9(11): 3267–3278； Theranostics，2017; 7(3): 614-623；Small 2017, 13, 1700640；

本文由材料人编辑部张雪豪整理编译，点我加入材料人编辑部。材料测试，数据分析，上测试谷！