2-脱氧-D-葡萄糖修饰的金纳米粒子：一种增强放射治疗效果的新材料

《Results in Chemistry》：The 2-deoxy- d-glucose capped gold nanoparticles: a novel material to enhance the efficacy of radiation therapy

金纳米颗粒（AuNPs）通过表面修饰（2-脱氧-D-葡萄糖、柠檬酸、葡萄糖）实现选择性放疗增敏与正常细胞保护。研究显示，2DG-AuNPs在HeLa和A549癌细胞中显著增强γ射线诱导的细胞死亡率（DEF达1.36-1.64），同时使正常CHO细胞存活率高于其他修饰AuNPs（最高达77.5%）。机制涉及代谢靶向（GLUT1过表达）、形态差异（2DG-AuNPs呈现棘刺状结构）及表面电荷调控（2DG-AuNPs zeta电位-10~-15 mV）。该成果为肿瘤精准放疗提供了新策略。

　　### 金纳米颗粒在癌症治疗中的潜力

金纳米颗粒（AuNPs）因其高原子序数（Z=79）和对癌症细胞辐射损伤的增强能力，已成为放射治疗领域的重要研究对象。这些纳米颗粒能够通过增强光子吸收，提高肿瘤组织中辐射剂量的沉积，从而增强治疗效果，同时减少对健康组织的辐射暴露。这一特性使AuNPs在提高放疗效率方面具有巨大潜力。然而，传统AuNPs在区分癌细胞与正常细胞方面存在局限，导致其在临床应用中可能引发不必要的副作用。因此，通过表面工程策略，特别是选择特定的表面修饰剂，成为提升AuNPs靶向性和治疗特异性的重要手段。

本研究中，科学家们合成并评估了三种不同表面修饰的AuNPs：2-脱氧-D-葡萄糖（2DG）修饰的AuNPs（2DG-AuNPs）、柠檬酸修饰的AuNPs（Citrate-AuNPs）以及葡萄糖修饰的AuNPs（Glu-AuNPs）。这些纳米颗粒被用于评估其对正常细胞（CHO细胞）和癌细胞（HeLa和A549细胞）的细胞毒性和放射修饰效应。研究发现，2DG-AuNPs在癌细胞中表现出显著的放射增敏效果，而在正常细胞中则显示出良好的放射保护能力，这表明其在癌症治疗中可能具有双重功能，从而提高放疗的精准性和安全性。

### 实验方法与材料

本研究中使用的材料包括三氯化金（HAuCl?·3H?O）、葡萄糖、2DG以及用于细胞培养的DMEM培养基、胎牛血清（FBS）和抗生素（PSN）。CHO、HeLa和A549细胞在37°C、5% CO?的环境中培养。AuNPs的合成采用湿化学还原法，其中Citrate-AuNPs通过将1%三钠柠檬酸加入沸腾的1mM HAuCl?溶液中，形成稳定的纳米颗粒。Glu-AuNPs和2DG-AuNPs则通过调整pH值至约10，并在加热条件下合成。所有合成的纳米颗粒均经过0.22μm的无菌过滤后用于细胞实验。

为了评估细胞毒性，研究团队使用MTT法和克隆形成实验对不同浓度的AuNPs进行处理，并在γ射线照射下观察其对细胞存活的影响。这些实验方法能够有效评估纳米颗粒对细胞的生长抑制作用以及其在放射治疗中的辅助效果。

### 实验结果与分析

在对正常CHO细胞的实验中，结果显示2DG-AuNPs和Glu-AuNPs在低浓度（5-90μM）下对细胞存活率影响较小，而Citrate-AuNPs在70-90μM浓度范围内显著降低了细胞存活率。这表明，Citrate-AuNPs对正常细胞具有较高的毒性，而2DG-AuNPs和Glu-AuNPs则表现出较低的细胞毒性，尤其在较低浓度下对正常细胞几乎没有影响。

在癌细胞（HeLa和A549）中，2DG-AuNPs表现出显著的放射增敏效应。在γ射线照射下，2DG-AuNPs在低剂量（如3Gy）时显著降低了细胞存活率，而在较高剂量（如8Gy）时，其效果更为明显。相比之下，Citrate-AuNPs在HeLa细胞中表现出一定的放射增敏作用，但在A549细胞中则显示较弱的效果。Glu-AuNPs在两种癌细胞中均表现出一定的放射增敏作用，但其效果不如2DG-AuNPs显著。

### 纳米颗粒的结构与功能关系

研究还探讨了纳米颗粒的结构特征与其生物学行为之间的关系。通过FESEM和TEM分析，发现Citrate-AuNPs和Glu-AuNPs通常呈现球形结构，而2DG-AuNPs则具有独特的刺状或海胆形结构。这种形态差异可能影响纳米颗粒的细胞摄取效率和在细胞内的分布情况。2DG-AuNPs的海胆形结构可能增加了其表面积，从而增强了其与细胞膜的相互作用，并促进了在癌细胞中的积累。

此外，纳米颗粒的表面电荷也对其生物行为产生重要影响。Citrate-AuNPs表现出较强的负电荷（-30至-40mV），而Glu-AuNPs的负电荷较弱（约-20mV），2DG-AuNPs则显示出较弱的负电荷（-10至-15mV）。这些电荷差异可能影响纳米颗粒与细胞膜的相互作用，进而影响其细胞摄取效率和生物活性。尽管表面电荷在纳米颗粒与细胞的相互作用中起着重要作用，但研究发现，2DG-AuNPs的靶向能力主要依赖于其表面修饰剂——2DG的代谢靶向特性，而非单纯的电荷作用。

### 机制探讨

2DG作为一种葡萄糖类似物，能够干扰癌细胞的糖酵解过程。癌细胞通常表现出较高的葡萄糖转运蛋白（GLUTs）表达，这使得它们能够更有效地摄取2DG修饰的纳米颗粒。这种选择性摄取机制使得2DG-AuNPs在癌细胞中积累更多，从而增强其在放射治疗中的作用。在γ射线照射下，这些纳米颗粒可能通过增强活性氧（ROS）的生成，进一步促进癌细胞的凋亡或坏死。

另一方面，正常细胞由于GLUTs表达较低，对2DG-AuNPs的摄取较少，因此表现出较低的细胞毒性。这使得2DG-AuNPs在正常细胞中发挥放射保护作用，而对癌细胞则表现出放射增敏效应。这一机制为2DG-AuNPs在癌症治疗中的应用提供了理论支持，同时也为减少正常组织损伤提供了可能性。

### 与其他纳米结构的比较

与其他类型的AuNPs相比，2DG-AuNPs在放射增敏和细胞毒性方面表现出独特的特性。例如，PEG修饰的AuNPs在某些研究中显示出增强的ROS生成能力，从而提高放射治疗的效果。然而，这些纳米颗粒通常缺乏对癌细胞和正常细胞的选择性。相比之下，2DG-AuNPs不仅能够有效增强癌细胞的放射敏感性，还能在正常细胞中提供放射保护作用，这使其在肿瘤靶向治疗中具有独特的优势。

此外，研究还比较了2DG-AuNPs与其他已知的纳米结构，如磁性AuNPs、脂质体AuNPs和酚类修饰AuNPs。磁性AuNPs通过其磁性特性实现靶向治疗，而脂质体AuNPs则因其良好的生物相容性和稳定性而受到关注。酚类修饰AuNPs则通过调节氧化应激途径实现放射增敏。然而，这些纳米颗粒通常无法同时实现对癌细胞的增敏和对正常细胞的保护，而2DG-AuNPs则具备这一双重功能，使其成为一种有潜力的肿瘤特异性治疗工具。

### 结论与未来展望

综上所述，本研究展示了2DG-AuNPs在提高放射治疗效果方面的潜力。2DG-AuNPs在癌细胞中表现出显著的放射增敏作用，而在正常细胞中则表现出放射保护特性。这种双重功能使其在肿瘤靶向治疗中具有独特优势，有助于提高放疗的精准性和安全性。

未来的研究应进一步探索2DG-AuNPs在体内的行为，包括其在动物模型中的效果以及其与DNA修复机制的关系。此外，研究团队还建议进行共培养实验，以验证2DG-AuNPs在混合细胞环境中的选择性作用。这些研究将有助于推动2DG-AuNPs在临床应用中的发展，并为其作为新型肿瘤靶向治疗剂提供更坚实的理论基础和实验支持。