新型纳米闪烁体助力深部肿瘤的诊断与治疗

【字体: 时间:2019年02月25日 来源:上海交通大学

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  一种基于新型铽(Tb)掺杂钨酸钆纳米闪烁体(GWOT NPs)的多功能纳米诊疗试剂,它不仅实现了对肿瘤组织的双重造影(X射线计算机断层扫描(CT)核磁共振成像(MRI))和对肿瘤组织的X射线激发光动力治疗(X-PDT)及放疗(RT)的协同治疗,同时表现出低生物毒性,表明该新型纳米闪烁体在深部肿瘤的诊断与治疗领域应用前景广阔。

  

上海交大金属基复合材料国家重点实验室李万万研究员科研团队在癌症诊疗一体化纳米生物材料领域取得了新的研究进展,研究成果以“CT/MRI-Guided Synergistic Radiotherapy and X-ray Inducible Photodynamic Therapy Using Tb-Doped Gd-W-Nanoscintillators”为题,发表在综合化学领域的权威学术期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition,2019, 58, 2017-2022)上。该研究报道了一种基于新型铽(Tb)掺杂钨酸钆纳米闪烁体(GWOT NPs)的多功能纳米诊疗试剂,它不仅实现了对肿瘤组织的双重造影(X射线计算机断层扫描(CT)核磁共振成像(MRI))和对肿瘤组织的X射线激发光动力治疗(X-PDT)及放疗(RT)的协同治疗,同时表现出低生物毒性,表明该新型纳米闪烁体在深部肿瘤的诊断与治疗领域应用前景广阔。

X射线激发光动力(X-PDT)通过利用高穿透性X射线作为激发源有望实现传统光动力(PDT)在肿瘤治疗上的革新,使其具备可用于深部肿瘤治疗的潜能。纳米闪烁体作为X射线能量吸收的基体和将其转换为可被光敏剂吸收的紫外-可见光的媒介在X-PDT治疗过程起着重要的作用,但是目前报道的纳米闪烁体均从传统闪烁体材料纳米化而来,材料功能较为单一,因此设计并制备出多功能的新型纳米闪烁体成为该领域的热点和难点。由于对闪烁体基体材料的调控不仅能够调节X射线荧光光谱以匹配合适的市售光敏剂,在选择材料的具体组成时还可考虑把其他成像功能和治疗功能有机结合起来,如可选择含有高原子序数元素的材料使基体材料在进行X-PDT的同时还可用于RT和CT成像等,从而构建出多功能纳米诊疗体系。

稀土掺杂钨酸盐纳米材料是一类潜在的纳米闪烁体,其中钨酸根离子由于含有高原子序数的钨元素和内在的能级跃迁特性(np6→nd)而具有X射线吸收特性,经能量转移后有望通过掺杂元素的能级释放能量产生荧光。李万万研究员研究团队通过水热合成方法以及引入表面活性剂,成功制备了尺寸为50-100 nm的铽掺杂钨酸钆纳米材料,发现该纳米材料具有很强的X射线激发荧光,表面聚乙二醇修饰后的产物GWOT-PEG NPs的X射线激发荧光光谱峰完全处在光敏剂MC540的吸收范围内,经物理吸附后可得到约为12.8%负载效率的GWOT@MC540纳米诊疗试剂,可进行有效的PDT治疗。由于Tb3+掺杂的钨酸钆纳米材料中含有多种高原子序数的元素(Gd和W),在进行X-PDT的同时也能够用于RT。此外,Gd3+本身具有良好的MRI T1造影效果,而W元素等则可具有较好的CT效果。因此该纳米材料在瘤内注射后能够得到非常显著的双模态肿瘤成像效果,也可用于MRI和CT成像。小鼠体内肿瘤治疗模型表明,X射线激发光动力和放射治疗的协同治疗效果明显,在5 Gy的X射线剂量下对肿瘤杀伤与抑制的效果显著高于6 Gy下的纯放射治疗效果。相比空白组小鼠肿瘤约为19倍的最终相对体积率,6 Gy协同治疗只有3.8倍,仅为20%。

此外,大部分注射到小鼠体内的纳米材料在30天内能够逐渐代谢出小鼠体外,整个过程中小鼠的生理指标以及主要器官病理均没有出现明显的变化。显然,由于GWOT@MC540纳米诊疗试剂同时具备高穿透性的双模态(CR/MRI)成像性能和协同治疗(X-PDT/RT)的效果,并且只需要X射线一种激发媒介便能够发挥对深部肿瘤诊断和治疗方面的作用,而这两个治疗手段联用还可有效降低所用X射线的能量,从而减小对患者的辐射副作用,因此具有重要的临床意义。

论文第一作者为于绪江博士,李万万研究员为本文的通讯作者。这项工作得到了苏州大学医学部放射医学与防护学院的杨凯教授和美国国立卫生研究院(National Institutes of Health, NIH) 陈小元教授的帮助。同时,研究工作得到了国家重点研发计划纳米专项、国家自然科学基金面上项目和上海市科委基金项目等的资助。

原文标题:

CT/MRI-Guided Synergistic Radiotherapy and X-ray Inducible Photodynamic Therapy Using Tb-Doped Gd-W-Nanoscintillators

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