γ辐射与氧化锌纳米颗粒双模态治疗对正常与恶性肺细胞的协同效应研究

《Journal of the Egyptian National Cancer Institute》：Dual-modality treatment using gamma radiation and ZnO nanoparticles: effects on normal and malignant lung cells

本研究针对肺癌放疗中肿瘤细胞放射抵抗和正常组织损伤的难题，探讨了氧化锌纳米颗粒(ZnO NPs)联合γ辐射对A549肺癌细胞和WI-38正常肺成纤维细胞的双重作用。通过MTT法和流式细胞术证实，ZnO NPs（IC50=26.78±0.44μg/mL）与15 Gy辐射协同显著降低癌细胞存活率（IC50=15.97±0.45μg/mL），诱导凋亡率达29.6%，为肺癌放疗增敏策略提供新思路。

　　

在全球癌症死亡原因中，肺癌始终占据着突出位置，每年约有180万新发病例。尽管放疗是肺癌治疗的重要手段，但肿瘤细胞的放射抵抗性和对正常组织的损伤限制了其疗效。传统的放疗需要高剂量聚焦辐射才能实现肿瘤细胞的有效杀灭，这往往伴随着严重的副作用。近年来，纳米技术的发展为肿瘤放疗带来了新的希望，特别是金属基纳米颗粒因其独特的物理化学性质和生物活性，展现出作为放射增敏剂的巨大潜力。

在这项发表于《Journal of the Egyptian National Cancer Institute》的研究中，Naglaa M. Ismail等人将目光投向了氧化锌纳米颗粒(ZnO NPs)。这种纳米材料具有尺寸小、比表面积大、生物相容性好等优点，更重要的是，它们能够在肿瘤微环境中促进活性氧(ROS)的产生，导致线粒体功能障碍和癌细胞凋亡。研究人员假设，将ZnO NPs与γ辐射结合使用，可以增强肺癌细胞的放射敏感性，同时减少对正常细胞的损伤。

为了验证这一假设，研究团队首先通过化学方法合成了ZnO NPs，并采用多种表征技术确认了其性质。X射线衍射(XRD)分析显示纳米颗粒具有良好的结晶性，高分辨透射电镜(HR-TEM)观察发现颗粒呈类球形，平均尺寸为22.94±4.77纳米。动态光散射(DLS)测定其平均粒径为24±3.06纳米，zeta电位为-21±2.40毫伏，表明颗粒在溶液中具有较好的稳定性。扫描电镜(SEM)和能量色散X射线分析(EDX)进一步证实了颗粒的球形形貌和元素组成（锌75.64%，氧24.36%）。差示扫描量热法(DSC)分析显示了纳米颗粒的热稳定性。

研究采用MTT法评估了不同处理条件下细胞的存活情况。单独使用γ辐射时，即使最高剂量15 Gy对A549肺癌细胞的杀伤效果也有限，细胞存活率仍超过70%。而ZnO NPs单独处理显示出中等程度的抗癌活性，IC₅₀值为26.78±0.44μg/mL。然而，当两者结合使用时，产生了显著的协同效应，IC₅₀值降至15.97±0.45μg/mL，降低了32.8%。这种增强的细胞毒性在癌细胞中尤为明显，而对正常WI-38细胞的影响相对较小，表明ZnO NPs具有选择性增敏作用。

流式细胞术检测细胞凋亡的结果进一步支持了上述发现。与单独处理相比，ZnO NPs联合15 Gy γ辐射处理显著提高了A549细胞的凋亡率，总凋亡细胞比例达到29.6%。研究人员认为，这种协同效应主要归因于ROS的过量产生。γ辐射通过水辐解产生ROS，而ZnO NPs的光催化特性进一步增强了这一过程，导致氧化应激水平升高，引起DNA损伤和线粒体功能障碍，最终触发癌细胞凋亡。

值得注意的是，虽然ZnO NPs在较高浓度下也对正常WI-38细胞产生毒性，但其IC₅₀值（81.91±0.96μg/mL）远高于癌细胞，且联合辐射后的IC₅₀值为49.88±0.65μg/mL，仍高于对癌细胞的毒性浓度，这表明ZnO NPs具有较好的治疗窗口。

讨论部分指出，ZnO NPs的放射增敏机制可能涉及多个方面。除了增强ROS产生外，ZnO NPs还可能干扰DNA修复通路，如同源重组和非同源末端连接，从而阻止癌细胞修复辐射引起的DNA双链断裂。此外，ZnO NPs在细胞内溶解后释放的Zn²⁺离子可能破坏细胞内锌离子稳态，进一步促进细胞死亡。

该研究的创新点在于系统评估了ZnO NPs联合γ辐射对肺癌细胞和正常肺细胞的双重作用，证实了其选择性增敏效果。这不仅为改善肺癌放疗效果提供了新策略，还可能通过降低辐射剂量减少对正常组织的损伤。然而，研究也存在一些局限性，如仅使用一种肺癌细胞系、未检测ROS水平、未进行分子机制验证等。此外，研究中使用的15 Gy单次高剂量辐射与临床常规分次放疗方案不同，未来研究需要采用更接近临床的辐射方案进行评估。

总之，这项研究为ZnO NPs作为肺癌放疗增敏剂的开发提供了重要的实验依据，展示了纳米材料在肿瘤放射治疗中的广阔应用前景。通过进一步优化给药策略和深入探索作用机制，这种联合治疗方案有望为肺癌患者带来更有效、更安全的治疗选择。