层状金-铁微盘的光热与磁机械联合治疗对细胞活力的影响研究

《Magnetochemistry》：Impact of Photothermal and Magnetomechanical Treatments with Au-Fe Layered Microdisks on Cell Viability

　　

摘要专业翻译 混合磁性-等离子体纳米颗粒通过结合局部光热加热与远程激光照射和低频交变磁场下的纳米尺度机械刺激，为癌症治疗提供了一个有前景的平台。然而，联合这些效应的治疗潜力仍未得到充分探索。本研究利用两种不同层序的层状金-铁（Au-Fe）微盘（直径约1000 nm），即Au(10)/Fe(70)/Au(10)（AFA）和Fe(50)/Au(10)/Fe(50)（FAF）（括号内数值表示以纳米为单位的层厚度），在体外研究了光热治疗（PTT）和磁机械治疗（MMT）对Huh7肝癌细胞活力的单独及联合效应。AFA和FAF微盘在琼脂糖中的光热转换效率分别为35%和53%，高于在水溶液中测得的值。孵育24小时后，两种微盘在高达100 μg/mL的浓度下均表现出较低的内在细胞毒性，此时细胞活力降低不超过7%。单独应用PTT或MMT均增强了两种微盘的细胞毒性。PTT对AFA微盘更为有效，导致29%的细胞死亡，而MMT对FAF微盘显示出更高的疗效，诱导了17%的细胞死亡。值得注意的是，同时进行PTT和MMT产生了最强且协同的治疗效果，导致约50%的细胞死亡。这些发现证明了混合Au-Fe微盘作为光热和磁机械联合癌症治疗的多功能制剂的潜力。

论文解读

一、研究背景与研究意义

癌症治疗领域一直在寻求更有效、更具特异性的治疗策略。纳米颗粒因其在提高治疗特异性和疗效方面的巨大潜力而受到广泛关注。无机纳米颗粒尤其引人注目，因为它们可以通过工程化设计形成具有多种有机和无机功能层的复合纳米结构，其物理化学性质可通过控制组成、尺寸和形貌进行精确调控，从而实现对电磁场的可调响应。

磁机械治疗（MMT）利用低频交变磁场中磁性纳米颗粒的运动对癌细胞产生机械破坏。有效的MMT需要纳米颗粒具有足够大的磁矩，以在实际磁场强度下产生足够的机械力。然而，小尺寸的超顺磁纳米颗粒虽然具有优异的胶体稳定性和可忽略的剩磁，但其相对较低的磁矩使其需要更强的磁场和更高的场梯度才能达到治疗效果。光热治疗（PTT）则是另一种基于纳米颗粒的癌症治疗策略，利用吸收光能转化为热能来诱导局部肿瘤消融。等离子体纳米颗粒，特别是金纳米颗粒，因其强局域表面等离子体共振（LSPR）而被广泛用作光热剂。然而，小球形金纳米颗粒在近红外区域的吸收较弱，需要通过增大粒径、改变形貌等方式来调控其光学性质。

将多种治疗方式整合到单一纳米平台可以进一步提高治疗效果。特别是PTT与MMT的联合具有产生协同抗癌效应的潜力。然而，尽管已有大量研究分别优化PTT或MMT的纳米颗粒，但专门设计用于PTT和MMT联合治疗的纳米平台报道仍然相对稀少。此外，纳米颗粒在生理条件下的生物动力学、生物分布和胶体稳定性也是必须考虑的重要因素。磁性纳米颗粒容易因强磁偶极-偶极相互作用而发生聚集，这会影响其生物分布、循环时间和治疗效果。为解决这一问题，研究者提出了多种设计方案，包括采用具有磁涡旋基态的盘状纳米颗粒，或设计具有交替磁性和非磁性层的合成反铁磁结构。介观尺度纳米颗粒虽然太大而不适合通过血液循环进行全身给药，但非常适合局部或浅表治疗应用，如肿瘤切除后的术后辅助治疗。

二、研究内容概述

研究人员制备了两种层状金-铁微盘，直径约1 μm，通过剥离光刻和电子束沉积技术制造：Au(10)/Fe(70)/Au(10)（AFA）和Fe(50)/Au(10)/Fe(50)（FAF），括号中数值为层厚度（nm）。研究评估了这些微盘的磁学、光学和光热性能，并系统研究了单独及联合PTT和MMT对Huh7肝癌细胞活力的影响。研究发现，联合治疗特别是同时应用两种治疗方式时产生了显著的协同抗癌效果。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：利用扫描电子显微镜（SEM）表征微盘形貌和尺寸分布；利用能量色散X射线光谱（EDS）分析元素组成；利用振动样品磁强计（VSM）测量磁化曲线；利用分光光度计记录光学密度（OD）光谱；利用红外激光二极管和红外热像仪评估光热性能；利用WST-1法检测细胞活力；利用荧光显微镜结合Calcein-AM、Hoechst 33342和碘化丙啶（PI）染色分析细胞形态。细胞实验采用人肝癌细胞系Huh7（来自CLS Cell Lines Service GmbH）。磁机械治疗采用定制的气芯线圈系统产生脉冲磁场。

四、研究结果

4.1 结构与表征

SEM图像显示AFA微盘直径为1031 ± 117 nm，FAF微盘直径为967 ± 53 nm。EDS分析显示AFA微盘的金铁原子比约为0.21，FAF微盘约为0.06。磁化曲线测量表明，AFA微盘的矫顽力为197 Oe，FAF微盘为126 Oe；剩磁比M_r/M_s分别从AFA的0.199降至FAF的0.113。AFA和FAF微盘的饱和磁化强度估算值分别为65 emu/g和38 emu/g。光学密度谱显示两种微盘在约800 nm附近达到宽峰，AFA样品在整个光谱范围内的光学密度约为FAF样品的1.5倍。

4.2 微盘的光热性能

在琼脂糖凝胶中，100 μg/mL浓度的微盘悬浮液在激光照射下的最大温升约为8 °C，两种微盘的温升差异约为0.5 °C。AFA微盘的光热转换系数为35 ± 2%，FAF微盘为53 ± 3%，均高于先前在水悬浮液中测得的数值（AFA为27 ± 1%，FAF为30 ± 1%）。这一增加主要归因于琼脂糖样品中光散射贡献的降低，而非吸收性能的增强。

4.3 微盘的细胞毒性

WST-1检测结果表明，两种微盘均诱导了剂量依赖性的Huh7细胞活力抑制。在10 μg/mL浓度下两种微盘均未表现出显著毒性。在100 μg/mL浓度下，FAF微盘导致约5%的细胞死亡，AFA微盘导致约7%的细胞死亡。根据ISO 10993-5标准，两种微盘在所有测试浓度下均可视为生物相容。因此，后续实验采用100 μg/mL浓度。

4.4 体外光热治疗

在PTT实验中，激光照射后，对照组样品温度从37 °C升至38.5 °C，而孵育了AFA或FAF微盘的Huh7细胞达到42.5 °C。AFA微盘的PTT使细胞毒性增加至约29%，净效应约22%；FAF微盘的PTT使细胞毒性增加至约18%，净效应约13%。尽管两种微盘诱导了相似的温度升高，AFA微盘却产生了更大的细胞活力降低，这可能归因于金层附近产生的更高局部温度。

4.5 体外磁机械治疗

MMT采用脉冲磁场方案，包括三个10分钟的磁场暴露周期，间隔10分钟的弛豫时间。FAF微盘的MMT使细胞活力额外降低约12%，而AFA微盘的MMT仅使细胞活力额外降低约2%。磁力矩相关的最大力估计约为1-10 nN，梯度力约为1 pN，表明机械作用主要由磁力矩主导。基于单独PTT和MMT效果的比较分析，FAF微盘被认为是联合治疗应用中更有前景的候选材料。

4.6 FAF微盘的联合光热和磁机械治疗

在序贯治疗实验中，先进行MMT再进行PTT使细胞活力降低约29%，净联合治疗效果为24%。值得注意的是，MMT后的光热加热表现出显著的变异性，最大温度低于单独PTT，这可能归因于磁机械刺激过程中微盘的聚集改变了其有效光吸收截面。

在同时应用PTT和MMT的实验中，激光和磁场暴露均限制为20分钟，磁场采用脉冲激活方案，包括三个3.5分钟的脉冲磁场暴露周期，间隔3.5分钟的弛豫时间，总磁场暴露时间为10.5分钟，比单独MMT治疗短三倍。尽管磁场暴露时间更短，联合治疗却产生了研究中最强的治疗响应，将Huh7细胞活力降低了近50%，净疗效为45%。荧光显微镜分析证实，联合治疗后PI阳性（死亡）细胞数量显著增加，与WST-1检测结果一致。

五、讨论与结论

研究人员将不同治疗方式的效果进行了汇总比较：FAF微盘单独孵育诱导约5%的细胞毒性；单独PTT和MMT分别使细胞活力降低约13%和12%；序贯应用MMT后PTT使细胞活力降低约29%；同时应用两种治疗方式则产生协同效应，使细胞活力降低约50%。所有治疗组之间的差异均具有统计学显著性。

研究人员将这种增强效应主要归因于两种治疗方式同时应用时的协同相互作用。同时进行的MMT和PTT可能诱导更快速和持续的热与机械应激，从而比序贯治疗更有效地压倒细胞稳态和修复机制。在序贯治疗方案中，治疗间隔可能允许细胞启动保护性反应，如热休克蛋白表达、瞬时膜修复或暂时性代谢适应，从而降低后续PTT的疗效。此外，微盘在磁场中的取向也可能对协同效应有物理贡献——微盘在磁场中取向平行于激光束时，其光学吸收和散射截面依赖于相对入射光的取向，减少光散射的取向可能增加吸收光能的比例，从而增强光热加热效率。

本研究表明，由金和铁交替层组成的微盘在联合抗癌治疗中具有应用前景。在微盘未表现出细胞毒性效应的浓度下，所实施的治疗具有高效率。未来研究应考虑微盘的聚集问题，以及开发生物相容性聚合物材料的包覆方案。