纳米工程化超小Ag@蒽核壳纳米颗粒用于X射线激发的持续单线态氧释放

《Surfaces and Interfaces》：Nanoengineered Ultra-Small Ag@Anthracene Core-Shell Nanoparticles for Sustained X-ray-Activated Singlet Oxygen Release

　　核心-壳层型超小Ag@蒽纳米颗粒被合成为X射线响应的表面工程平台。X射线激活通过蒽内过氧化物形成/逆环加成实现持续的单线态氧（1O?）释放。ESR/EPR测量验证了1O?相关机制，并揭示了照射后长寿命活性氧的生成。表面/界面化学决定了储存的内过氧化物物种的稳定性和释放动力学。MTT assays显示在相关浓度范围内具有细胞相容性，支持未来放疗辅助应用。放射性治疗是主要的癌症治疗方法，约在60%的病例中使用，利用电离辐射（通常为X射线）诱导癌细胞DNA损伤并触发程序性细胞死亡[1]。放射性治疗机制分为直接和间接损伤。直接损伤涉及X射线直接撞击DNA，导致断裂和突变，而间接损伤则源于X射线与周围分子（特别是水）的相互作用，产生活性氧物种（ROS），从而损伤包括DNA、脂质和蛋白质在内的细胞组分[2]。然而，实体肿瘤典型的缺氧环境因氧气供应不足而限制了ROS的产生，使放疗疗效降低多达三倍，因为氧气对于稳定DNA损伤并防止修复至关重要[3,4]。因此，提高肿瘤氧合已成为改善放疗效果的关键策略，纳米颗粒因其独特的增强治疗效果的特性而越来越多地被研究。多环芳烃（PAHs），如蒽，已被证明能够捕获、储存和释放活性氧，包括1O?和三线态氧（3O? – 基态）。与1O?反应时，蒽发生[4+2]环加成，形成内过氧化物（EPO），将1O?整合到其芳香骨架中[5]。在癌细胞中，1O?的释放可通过EPO逆环加成发生，由热[6]、光[7]或化学[8,5]触发。然而，蒽衍生物的热激活需要临床不实用的温度（>80°C），而光激活受限于可见光在生物组织中的低穿透性[9]。在此背景下，在X射线照射下触发1O?释放尤其具有前景，因为X射线对软组织具有深度穿透能力。蒽本质上是疏水的，在水环境中的分散体通常形成大于100 nm的颗粒。我们的研究小组开发了具有Ag和Au核及蒽壳的混合纳米颗粒，实现了50–70 nm范围内的更小、生物相容的尺寸，这对于细胞摄取至关重要[10]。银或金等金属核作为疏水表面来锚定蒽分子。除了有助于减小尺寸外，金属核还因其高电子密度（高Z）而增强与X射线的相互作用。从某种意义上说，金属@Ant结构可以执行两种优秀的功能，可协同提高放疗效果：增强辐射剂量和肿瘤氧合。如果氧气能够固定由X射线和γ射线等非带电粒子辐射引起的DNA损伤，我们推测1O?由于其高反应性将更加高效。由于金和氧化铁已在生物医学应用中得到广泛研究，我们旨在探索Ag纳米颗粒作为替代核，因为其相对较高的原子序数（Z=47）、成本效益、易于生产和出色的胶体特性。本研究旨在合成并表征用于在X射线照射下储存和释放1O?的核心-壳层超小银-蒽纳米颗粒（Ag@Ant）。超小纳米颗粒因其改善的组织穿透能力、增加到达肿瘤核心的概率、促进肾脏清除、增强的表面积与体积比以及逃避免疫反应和实现更长循环时间的能力而具有生物医学应用前景[11,12]。这些特性使其成为药物递送、诊断、成像和治疗平台的出色选择。因此，Ag@Ant超小纳米颗粒具有通过金属的高原子序数增强X射线相互作用、增加缺氧肿瘤中的氧气供应以及提供细胞毒性1O?来进一步增强放疗的潜力。超小Ag纳米颗粒（us-AgNPs）通过化学还原法在室温下合成，采用了Turkevich等人的方法的改良版本[10,13]。将AgNO?（16 mM）和PVA（1.5 mg/mL）的水溶液加入到新鲜配制的NaBH?溶液（32 mM）中，剧烈搅拌12小时以确保银离子的完全还原。所得的us-AgNPs胶体分散液对5 L的Milli-Q?水进行透析4天，每天更换水以去除……us-AgNPs（<5 nm）通过共沉淀法合成，使用NaBH?作为还原剂，随后进行4天透析以去除残余化合物（图1a）。透析前，TEM图像及相应的粒径分布直方图（图1b）显示us-AgNPs主要为非球形，平均直径为4.2 ± 1.1 nm（图1b）。透析后，us-AgNPs表现出良好的球形形态（图1c），平均直径为……在这项研究中，我们开发并表征了能够在X射线照射下储存和释放1O?的超小Ag@Ant核心-壳层纳米颗粒（<5 nm）。使用高浓度银前体的合成过程产生了稳定的银核。随后加入蒽形成薄壳，从而得到具有高稳定性的单分散Ag@Ant结构。通过荧光光谱法确认了Ag@Ant系统在1O?捕获方面的效果，显示出显著的淬灭……Mileni M. Isikawa：撰写 – 原稿，方法学，调查研究，形式分析，数据整理。Ettore A. dos Santos：撰写 – 审阅与编辑，调查研究，数据整理。Zeinaf Muradova：撰写 – 审阅与编辑，方法学，调查研究，数据整理。Toby Morris：撰写 – 审阅与编辑，方法学，数据整理。Ross I. Berbeco：撰写 – 审阅与编辑，监督，方法学。Eder J. Guidelli：撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理……作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或可能影响本文所报告工作的个人关系。作者感谢巴西资助机构CNPq、FAPESP（21/00786-0）和CAPES；感谢C.R. da Silva和E. de Paula的技术支持；感谢J. A. Maulin提供的TEM图像。E. J. Guidelli感谢富布莱特美国学者计划（由美国国务院和富布莱特巴西赞助）为本研究提供的财政支持。此外，M. M. Isikawa感谢桑坦德奖学金的财政支持以及全球研究指导的部分支持……Mileni M. Isikawa | Ettore A. dos Santos | Zeinaf Muradova | Toby Morris | Ross I. Berbeco | Eder J. Guidelli