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新材料可高效吸收X射线杀灭癌细胞

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发布时间:Friday, September 30, 2022 已经查看了493次

癌症是全球范围内严重危害人类健康的疾病,其发病率呈逐年上升的趋势,光动力疗法成为近年来的研究热点。

近期,中国科学院院士黄维、南京工业大学安众福教授所带领的团队与厦门大学陈洪敏教授课题组合作,利用纯有机磷光闪烁体,实现了低X射线剂量下的高效光动力治疗。相关成果日前发表于国际学术期刊《自然?通讯》。


传统光动力疗法难以高效吸收X射线

“光动力疗法是一种利用特定波长的光,照射肿瘤部位的光敏剂,在光的作用下,光敏剂会把能量传递给肿瘤组织周围的基态氧分子,生成活性氧,继而与肿瘤细胞发生氧化反应,最终杀死肿瘤细胞或者病变组织的方法。”论文的共同通讯作者安众福告诉科技日报记者,目前临床上常用的肿瘤治疗方法如手术切除、放射疗法和化学疗法等都存在一定弊端,而传统的光动力疗法由于常见的激发光源,多为可见光和近红外光,在人体组织中的穿透深度通常小于1厘米,且由于转化路径复杂、能量损耗大,因而光动力疗法对实体瘤和深部肿瘤的疗效有限。

“光动力疗法可以通过激光靶向癌细胞进行治疗,不易产生耐药性、毒副作用低,也可以避免对其他身体组织的伤害,近年来被广泛用于皮肤癌、食道癌等的治疗。”安众福说。

但是,如何实现深层肿瘤的有效治疗,是肿瘤光动力治疗领域的主要挑战之一。


X射线诱导的光动力治疗是利用具有优异穿透能力的X射线,照射机体的深层肿瘤,使其产生活性氧物质,从而达到杀灭癌细胞的技术。这个方法结合了光动力治疗和放疗的优点,因而具有较好的应用前景。


目前常用的X射线诱导的光动力治疗技术多是将无机闪烁体和有机光敏剂结合起来,前者将X射线转换为可见光发射,再通过后者产生单线态氧,从而实现对肿瘤部位的杀伤。

“然而,传统的X射线诱导的光动力治疗技术需经过多重能量转移过程,能量利用率较低,使得在进行X射线光动疗时,所需的X射线剂量较高。”安众福解释。


加入重原子设计新结构,新材料能吸收更多的X射线杀灭癌细胞

针对这一难题,研究团队创造性地将有机磷光闪烁体和有机光敏剂合二为一,开发了一种在X射线辐照下,能直接产生单线态氧的有机磷光纳米闪烁体。


“常规的闪烁体是由碳氢氮氧等元素组成的纯有机分子,这些分子往往只能发荧光,75%的激子会被浪费,所以常规闪烁体对X射线的吸收较弱,杀灭癌细胞的效果较差。我们在一些芳香稠环分子上加入了重原子碘,这种结构可以减少激子耗散,大幅度提升激子利用率。磷光的发光时间更长,意味着有更多三线态激子与氧气相互作用,进一步提升X射线的能量转化效率。”安众福说,引入了重原子的闪烁体,在X射线的照射下,会在激发态和基态之间,实现系间窜跃,从而发出磷光,而相对于荧光,磷光的发光寿命更长,这意味着对光的利用率相较于荧光,在理论上至少能提升3倍。而闪烁体的发光时间越长,就越能激发光敏剂与氧气相互作用,产生更多单线态氧,以杀灭肿瘤。

在实验中,研究团队将有机磷光纳米闪烁体植入患有乳腺癌的小鼠体内,当闪烁体在肿瘤部位富集后,研究人员用X射线照射小鼠的肿瘤部位。用0.4戈瑞的X射线剂量仅仅照射一次,两周后观察发现,小鼠乳腺肿瘤几乎消失了。

“有机磷光闪烁体既可以直接吸收X射线,又可以作为光敏剂,这大大提高了X射线的能量转化效率,从而有效提升了X射线光动力治疗效果。”安众福介绍,传统X射线光动力治疗所需的剂量一般在1戈瑞以上,而他们在0.4戈瑞的低剂量辐照下,即可实现对小鼠乳腺癌的治疗,且对正常组织和细胞几乎无毒副作用。

“这一成果证明了有机磷光闪烁体在深层肿瘤治疗方面的应用潜力,有望为有机磷光闪烁体在生物医药和纳米技术等领域提供了参考路径。”但安众福坦言,有机磷光闪烁体的临床应用尚需时日。

他表示,目前,还只是在小鼠体内进行的实验,有机磷光闪烁体进入人体后是否能发挥同样的功效,还需在大型动物体内进行实验,并进行人体多期临床试验。


“此外,不同脏器在人体的深度不同,有机磷光闪烁体在人体不同部位接受X射线照射后的转换效率如何,是否对人体有副作用,都需要更加深入的系统研究。”安众福说。


2022-09-30 13:14:48  来源: 科技日报