Advanced Functional Materials:热响应纳米材料在肿瘤乏氧可控调节及增强光治疗性能中的应用

与传统肿瘤治疗方法相比,光热疗法(PTT)和光动力疗法(PDT)等光疗技术具有毒性低、创伤小、选择性高等优点。在光治疗过程中,光敏剂在诱导肿瘤组织坏死中发挥重要作用。在光照射下,用于PTT的光敏剂可以将光能转化为热能实现局部热疗以杀死癌细胞,而用于PDT的光敏剂可以将氧气转化为活性氧物质(ROS)以杀死肿瘤细胞。

在PDT中,氧气通常是ROS产生的关键因素之一。然而,肿瘤细胞的快速增殖和肿瘤血管的不规则发育导致氧气供应不足并最终形成肿瘤内的乏氧微环境,严重限制了PDT的治疗效果。迄今为止,研究者们采取了多种方法来解决肿瘤内的乏氧问题,例如:使用全氟碳作为氧气载体将氧气输送到肿瘤中或采用药物如二甲双胍降低肿瘤细胞消耗氧气的速率,以缓解肿瘤乏氧,但以上方法仍然具有局限性,特别是对于远离血管的肿瘤细胞;另一种解决方案是通过催化剂分解肿瘤细胞内生的H2O2产生氧气,改善肿瘤内的乏氧问题。在不同类型的催化剂中,MnO2基纳米结构由于其与H2O2的独特反应产生氧气而得到广泛研究。然而,MnO2在改善肿瘤乏氧以及提高肿瘤治疗中的功效与肿瘤微环境中有限的H2O2浓度休戚相关;同时,已报道的纳米结构中MnO2并不总是被密封覆盖,导致其在治疗前就已经开始持续消耗H2O2并产生氧气,这些预先生成的氧气会在肿瘤细胞中扩散并被进一步消耗,降低氧气的利用率并限制光动力效果。因此,开发新型的MnO2基纳米结构,实现严格可控的肿瘤内原位产氧,改善肿瘤乏氧和提高PDT效率具有重要意义。

围绕这一目标,南京工业大学董晓臣课题组应用热响应相变材料(PCM),通过再固化方法实现有机光敏剂(IR780)和超小MnO2纳米颗粒的共同负载,得到的IR780-sMnO2-PCM纳米粒子可实现肿瘤内可控产氧和增强肿瘤光治疗性能。IR780-sMnO2-PCM中疏水性IR780表现出比游离IR780更好的光稳定性;同时,在没有光照条件下,sMnO2与外界H2O2被蜡状PCM隔绝,而在治疗开始时,IR780在光照下产生的热效应可以促使PCM溶解并释放二氧化锰,与外界H2O2快速产生氧气,进一步增强IR780的光动力效果。尾静脉注射后,活体光声成像、荧光成像和体外生物分布检测证明IR780-sMnO2-PCM在肿瘤处有较高的富集;肿瘤乏氧免疫荧光显示,非光照条件下,即使存在二氧化锰,肿瘤内的乏氧也得不到明显的减缓;而光照条件下,肿瘤内部的氧气含量会大幅提升,表明该纳米颗粒可以实现肿瘤内乏氧的精准可控调控。活体PTT和PDT协同治疗证明,光照条件下,注射IR780-sMnO2-PCM的小鼠肿瘤生长比注射IR780-PCM的小鼠得到了更好的抑制效果。该工作中制备的IR780-sMnO2-PCM是一种可以实现可控改善肿瘤内乏氧并实现成像介导光治疗的潜在多功能纳米药剂,为推动肿瘤光治疗的发展提供了更多可能性。相关论文以“Phase‐Change Materials Based Nanoparticles for Controlled Hypoxia Modulation and Enhanced Phototherapy”为题,在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201906805)。