Small:带边电位影响声敏性能

  1. 研究背景

声动力治疗(SDT)作为一种非侵入性的无创肿瘤疗法,利用超声波激活声敏剂产生活性氧诱导肿瘤细胞死亡,具有良好的应用前景。基于超声波高组织穿透能力、非电离辐射和高可控性的特点,声动力疗法具有高效性和有限的副作用,更符合临床医学的期望。超声诱导的生物效应仍可能在声波范围内对健康组织和血管造成强度依赖的损伤。因此,开发高效的声敏剂对于在低超声强度下实现有效的肿瘤治疗尤为重要。一些有效的策略包括降低能隙、缺陷工程、电子构型调整等被用于改善声敏剂等性能,但忽视了声敏剂在超声辐照下的氧化还原电位对活性氧产生的影响。

  • 文章概述

最近,同济大学张兵波课题组通过过渡元素掺杂技术构建了一系列半导体异质结声敏剂,对其能带结构特别是还原电位进行了精细调控,旨在研究还原电位与活性氧产量的关系。掺杂过渡元素的异质纳米结构可以很容易地构建不同的能带结构和电子能级,这为低强度超声激发下高效声敏剂的研究供了可靠的策略。同时,超声激发的空穴可以将GSH氧化为GSSG,打破肿瘤病灶内氧化还原稳态,放大氧化应激反应。作者展示了利用量身定制的异质半导体声敏化剂来杀死肿瘤,并证实了其治疗效果不仅仅受益于能带结构的调整,并且与声敏剂特定还原电位相关。在0.5 W cm-2的低超声强度下,获得了显著的肿瘤抑制作用,并且没有辐射热效应或声损伤。异质半导体还具有荧光成像引导和酸响应功能,进一步提高了治疗效果。

图1.异质纳米棒在低强度超声照射下SDT/空穴协同抗肿瘤治疗示意图。

  • 图文导读

作者首先通过Cd元素掺杂制备了一系列的半导体异质纳米棒,并通过多种表征技术进行了详细验证。

图2. Ag2S-ZnxCd1−xS(AZCP)的主要结构特征。(A) Ag2S-ZnxCd1−xS异质纳米棒的TEM图像;(B-D)高角环暗场(HAADF)及STEM图像;Ag2S-ZnxCd1−xS异质纳米棒的(F)XRD谱图、(G)长径分布、(H)紫外-可见吸收光谱及(I)荧光光谱。

随后,研究了不同Cd摩尔分数的异质棒材的超声敏感性及其内在机制。AZCP-0.3相比对照组产生ROS的能力最优。AZCP在0≤1-x≤0.7范围内带隙能与ROS产量负相关。随着Cd摩尔分数变化,声敏剂边缘态的氧化还原电位发生相应的偏移,AZCP-0.3边缘态的还原电位与氧分子的还原电位一致。当AZCP-0.3将其低强度的超声激发的电子提供给周围的氧分子时,这种匹配的能量有利于超氧化物自由基中间体的生成,这促进了最终ROS的产生。

图3.超声诱导声敏剂ROS生成和GSH消耗性能。(A) 超声照射下声敏剂氧化DPBF和SOSG的对比。(B) 声敏剂的固体紫外-可见吸收光谱。声敏剂的(C)(ahu)1/2 vs. hu曲线、(D)UPS光谱和(E)能级图。(F)示意图说明声敏剂在超声辐照下ROS的生成和谷胱甘肽的消耗。(G)不同pH条件下声敏剂对DPBF 氧化效果的比较。(H)不同pH条件下溶液中DPBF的浓度。(I)超声催化不同浓度AZCP-0.3的GSH消耗行为。

由于合成的AZCP具有荧光特性,AZCP-0.3具有702 nm的荧光发射,可用于肿瘤成像,并进一步用于SDT的成像指导。治疗14天后,AZCP-0.3 + US-I/II组肿瘤生长明显受到抑制,疗效明显优于其他对照组。AZCP-0.3 + US I/II组小鼠肿瘤组织中ROS水平急剧升高,GSH含量显著降低,这种GSH-down和ROS-up模式放大了肿瘤内部的氧化应激,显著提高了抗肿瘤效果。此外,无论是否进行US辐照,血常规、肝肾功能血液生化分析等血液参数与对照组无显著差异。

图4. 体内荧光成像引导SDT/空穴协同抗肿瘤治疗。(A)活体荧光成像。(B)根据(A)中的图像对肿瘤部位荧光强度定量。(C) AZCP-0.3处理后主要器官和肿瘤组织的荧光成像。(D) SDT的体内治疗方案。(E) ICP-MS测定AZCP-0.3在小鼠体内的生物分布。(F)各组小鼠肿瘤生长曲线及(G)肿瘤抑制率。肿瘤组织的(H)TUNEL染色,(I) Ki-67染色,(J) H&E染色。(K) US-1: 1 MHz, 0.5 W cm-2,连续波照射5min后瘤内ROS和GSH水平。

同济大学边可新博士生为该论文第一作者,张兵波教授为该论文通讯作者。

论文信息:

Specific-Tuning Band Structure in Hetero-Semiconductor Nanorods to Match with Reduction of Oxygen Molecules for Low-Intensity Yet Highly Effective Sonodynamic/Hole Therapy of Tumors

Kexin Bian, Weitao Yang, Yan Xu, Weiwei Zeng, Hui Wang, Hongying Liang, Tianming Cui, Zhuo Wang, Bingbo Zhang*

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DOI: 10.1002/smll.202202921

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202202921