能量转换纳米医学和生物材料

来源：中国科学杂志社

中国科学院上海硅酸盐研究所陈雨教授总结了近年来在“能量转换生物材料”(包括光-热转换、光-化学能转换、超声-化学能、超声-热能转换、磁-热能转换和化学能-化学能转换)的设计、制备及其在癌症治疗中的应用, 并讨论了“能量转换纳米医学和生物材料”在未来临床转化中的应用前景和面临的挑战。相关专题论述在线发表于《中国科学：化学》中文刊。

癌症作为全球最致命的疾病之一, 目前仍然是人类健康面临的最严峻挑战。尽管世界各国在探索新的癌症疗法方面投入了大量的人力、物力和财力, 但是由于癌症的复杂性、多样性以及异质性等特点, 只有很少的治疗手段能够成功地应用于临床。目前最常用的仍是手术、放疗以及化疗等传统治疗方法。然而, 这些传统方法都有一定的弊端。例如, 手术对恶性肿瘤无法彻底清除; 放疗和化疗的严重毒副作用以及持续治疗引起肿瘤细胞的多药耐药性。因此, 针对癌症治疗面临的现状, 我们迫切需要探索高效和低毒副作用的新型治疗方法来有效解决癌症治疗中存在的诸多难题。 

通过外在刺激包括光、超声、辐射、磁场、微波、电场和射频激活的治疗策略有望代替传统的治疗方式。我们定义这类治疗方式为“能量转换纳米医学”, 其核心为“能量转换生物材料”。能量转换纳米医学主要依靠能量转换的方式产生或者释放活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)、光热效应、光电效应、康普顿效应、空化效应和机械效应等。这些效应能够有效地诱导肿瘤细胞凋亡/坏死, 并且不会损伤正常组织和细胞。

在目前存在的癌症治疗手段中, 能量转换纳米医学具有如下的优势: (1) 设计的能量转换生物材料可以通过外部刺激介导的靶向方式聚集在肿瘤区域。例如, 磁场可以提高磁性纳米治疗剂在肿瘤区域的富集量, 从而提高治疗效率; (2) 超声波、磁场、X射线、微波、电场和射频等外在刺激手段具有较强的组织穿透能力, 可以提高对深层肿瘤的治疗效率; (3) 外在刺激手段具有安全性高和非侵入的特点, 能够精确地聚焦肿瘤区域而不会损伤邻近的正常组织; (4) 某些类型的外在刺激可以调控肿瘤区域化疗药物的释放量, 以提高化疗的治疗效率, 降低不必要的副作用和减轻全身毒性。因此, 与传统的治疗方式(化疗、放疗和手术切除)相比, “能量转换纳米医学”能够明显地降低对正常组织的毒副作用, 并可以采用能量转换效率高的生物材料来改善治疗结果。

图 (a) 超薄Ti3C2纳米片的可控制备及其在光-热能量转换医学中的应用; (b) Ta4C3纳米片的制备及其应用于PA/CT成像导航下的光热消融; (c) Nb2C纳米片的可控制备及其在NIR-I和NIR-II的光热消融。

过去几十年见证了纳米技术和纳米医学的快速发展, 纳米颗粒介导的能量转换治疗方式引起了广泛关注。首先, 纳米治疗剂可以通过高渗透性和滞留(enhanced permeability and retention, EPR)效应以及精确调控纳米体系的表面特性、大小和形貌等, 快速地靶向肿瘤组织。此外, 纳米治疗剂可以将多种治疗方式和成像功能整合到单个纳米体系中以提高其治疗效率。具有能量转换功能的大多数纳米体系都是无毒的, 很容易被排出体外。在基于光的能量转换纳米医学中, 光能可以被吸收并分别通过光敏剂或光热纳米剂转换为具有细胞毒性的ROS或热效应。超声具有非侵入性和高组织穿透能力, 可通过纳米颗粒介导的能量转换诱导空化效应、热效应或机械效应。交变磁场可用于触发磁响应纳米制剂, 并通过有效的能量转换产生大量的热量。

因此, 该文重点探讨了该研究团队在“能量转换生物材料”的设计以及在光-热转换、光-化学能、超声-化学能、超声-热、磁-热和化学能-化学能等“能量转换纳米医学”领域的应用，点击左下角“阅读原文”可查阅全文 ▼

向慧静,  陈雨. 能量转换纳米医学和生物材料. 中国科学：化学, 2019. DOI: 10.1360/SSC-2019-0034