近日，北京化工大學生命科學與技術學院劉惠玉教授團隊和中國科學院化學研究所黃志軍博士合作，開發了一種具有光動力、過氧化氫催化分解能力以及可降解性能的一維孔結構的納米鈀片（H-Pd NSs），該H-Pd NSs在近紅外光激發下能夠實現光熱/光動力協同治療腫瘤。此外，由于一維孔結構的構建，H-Pd NSs亦能夠高效催化過氧化氫分解產生大量氧氣，克服腫瘤乏氧，增強光動力治療效果，并在生理介質中快速降解。相關成果發表于J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.9b12929）。本文第一作者是北京化工大學生命學院碩士研究生李閃閃、顧凱和國家納米中心王會博士，劉惠玉教授和黃志軍博士為本文的通訊作者，國家納米中心施興華研究員團隊在理論計算方面提供了重要幫助。
雙光療（光熱/光動力治療，PTT/PDT）功能性納米診劑相比于單一的光熱劑或光敏劑，由于其更加理想的治療效果，在癌癥治療領域得到廣泛的關注。然而，乏氧是腫瘤微環境的重要特征之一，PDT療效受限于腫瘤的乏氧微環境，并且持續的氧氣損耗會進一步導致血管損傷加速腫瘤擴散惡化。此外，大部分已報道的雙光療納米診劑是由兩個或多個功能性單體整合而成，結構復雜、合成繁瑣，因此，開發可糾正腫瘤乏氧微環境的單組分雙光療納米診劑是一項技術難題。為此，劉惠玉教授團隊利用氧化刻蝕策略，在鈀納米片（Pd NSs）表面構建大量一維孔結構，開發了具有光動力性能的生物可降解的多孔鈀納米片（H-Pd NSs）。該生物材料具有如下特色：1）具有較高的光熱轉換效率，且在近紅外光觸發下，H-Pd NSs能夠高效敏化氧氣生成單線態氧，實現單組分雙光療診劑的成功構建；2）一維孔結構的構建使H-Pd NSs暴露出大量活性Pd(100)晶面，催化過氧化氫分解產生大量氧氣，可高效調節腫瘤乏氧微環境；3）Pd NSs的體內降解行為利于其未來向臨床轉化。
圖1. 具有光熱光動力功能單組分可降解特性的H-Pd NSs用于癌癥治療的示意圖
體外和體內研究表明，H-Pd NSs表現出優異的光熱穩定性、生物相容性和腫瘤特異性蓄積。在近紅外光激發下，能夠實現PTT/PDT協同治療，高效地抑制腫瘤生長。這項工作揭示了活性晶面與光動力性能之間的關系，為多功能單組分金屬基納米診劑的設計與構建提供了參考。
圖2. H-Pd NSs的制備以及形貌表征
要點：H-Pd NSs是一種制備工藝簡單、可控、粒徑均一的納米片層結構，表面具有大量有序一維孔結構，其最大暴露晶面為Pd(111)晶面，厚度為2.1 nm左右。
圖3. H-Pd NSs表面一維孔結構形成機理探究
要點：納米片表面Pd原子被氧化成PdO分子，并在溶液中溶解從納米片表面除去。當溴離子加入，優先吸附在Pd(100)晶面，一定程度上阻止了表面Pd原子的氧化過程。在表面Pd原子緩慢蝕刻后，高活性晶面，如Pd(100)和Pd(110)晶面暴露在氧化劑中，刻蝕速率增加。同時，溴離子的選擇性結合保護了Pd(100)晶面，導致了對角(110)方向的各向異性刻蝕，最終在納米鈀片中形成了具有Pd(100)活性晶面的一維孔結構。
圖4. H-Pd NSs光熱、光動力以及催化性能的表征
要點：相比于Pd NSs（30.9%），H-Pd NSs具有更高的光熱轉化效率（35.1%）。在近紅外光激發下H-Pd NSs能夠高效敏化氧氣生成單線態氧，其催化過氧化氫分解成氧氣的能力，進一步增強了其光動力效果。通過模擬計算證明其光動力性能與活性Pd（100）晶面暴露相關。
圖5. H-Pd NSs以及Pd NSs在體外模擬生理條件下的降解行為
要點：與Pd NSs相比，在模擬體液和模擬溶酶體液中，暴露更多Pd（100）晶面的H-Pd NSs降解速度更快。
圖6. 驗證H-Pd NSs細胞水平PTT/PDT協同治療效果
要點：H-Pd NSs能夠高效地被4T1細胞內化，并表現出相對良好的生物安全性。經近紅外光照射，能夠有效地實現PTT/PDT協同治療。
圖7. 驗證H-Pd NSs在4T1模型中的抗腫瘤效果
要點：H-Pd NSs有效在小鼠腫瘤部位積累并克服腫瘤乏氧。在4T1皮下瘤模型中實現了99.7%的腫瘤抑制率和體內降解。
論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1021/jacs.9b12929
劉惠玉教授，北京化工大學博士生導師，國家優秀青年科學基金獲得者。2007年獲得中國科學院理化技術研究所博士學位，畢業后留所工作。2015年被聘為北京化工大學生命學院教授，加入“軟物質科學與工程高精尖創新中心”與“有機無機復合材料國家重點實驗室”。長期從事納米生物材料的合成，在光控腫瘤治療方向取得了重要進展。先后主持5項國家自然科學基金。在Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，ACS Nano等國際期刊發表論文80余篇，引用4800余次，當期1% ESI高被引論文7篇，H因子33。兼任SCI期刊Journal of Nanoscience and Nanotechnology專刊客座編輯，生物化工青年工作委員會委員，中國生物醫學工程學會青年委員會委員，北京粉體技術協會第二屆理事會理事，北京生物醫學工程學會組織工程專業委員會委員，納米毒理委員會青年委員，中國醫藥生物技術協會納米生物技術分會常務委員。曾獲中國科學院盧嘉錫青年人才獎，中國科學院“青年創新促進會”首屆優秀會員，北京市科技新星等榮譽稱號。
劉惠玉課題組網頁：http://www.liuhuiyugroup.com
