长春应化所王帆/同济大学杨洋《AM》:可直接注射DNA无机杂化水凝胶材料用于肿瘤光热治疗

随着技术的进步以及人们生活水平的提高,人类的平均寿命在不断提升。然而不可避免的,DNA等遗传物质在复制和修复过程中不断累积的错误最终导致了癌症的发生。恶性肿瘤仍是现阶段危害人类生存及健康的首要因素,且缺乏行之有效的治疗手段。其中,手术治疗是当前应用最广的针对实体肿瘤的治疗办法,除了较高的手术风险,还会造成临近脏器的功能损害。非手术治疗,如放疗或化疗,风险相对较低。但辐射引起的炎症等副作用使许多患者无法忍受。

最近,中国科学院长春应用化学研究所稀土国重室王帆副研究员与同济大学附属肺科医院杨洋教授合作共同研发了可直接局部注射治疗的DNA-无机杂化光热水凝胶材料,为肿瘤的光热治疗提供了新的思路。

长春应化所王帆/同济大学杨洋《AM》:可直接注射DNA无机杂化水凝胶材料用于肿瘤光热治疗

上转换纳米颗粒的另一种用途

与以往将稀土掺杂荧光上转换纳米颗粒作为荧光探针用于检测不同,本实验合成的稀土-金杂化纳米材料(UCNP-AuNPs)中,上转换纳米颗粒作为可接收近红外光的能量中转站来使用,通过荧光共振能量转移,将能量传递给表面的各向同性超小金纳米粒子,后者通过表面等离子体共振将能量以热能的形式释放出去。

长春应化所王帆/同济大学杨洋《AM》:可直接注射DNA无机杂化水凝胶材料用于肿瘤光热治疗

图1.可注射用DNA-无机杂化光热水凝胶(DNA-UCNP-Au)的合成示意图。

UCNP-Au NPs的紫外吸收峰正好匹配UCNP经808nm激光照射后在可见光区的发射峰,二者之间通过非辐射的方式实现能量传递,从而高效的将光能转换为热能。

天然长链DNA的新用途

随后研究者将带有正电荷的UCNP-AuNPs与经过退火处理带有负电荷的鲑鱼精DNA(smDNA)通过物理缠绕、氢键和静电力作用进行复合,从而得到了可注射稀土-DNA杂化水凝胶(DNA-UCNP-Au hydrogel)。复合后的DNA-UCNP-Au水凝胶相比单纯UCNP-AuNPs具有良好的生物相容性,通过增加单位体积光热纳米粒子的浓度,有效提升了光热转换效率(42.67% vs 32.44%)。

长春应化所王帆/同济大学杨洋《AM》:可直接注射DNA无机杂化水凝胶材料用于肿瘤光热治疗

图2. A:DNA-UCNP-Au水凝胶与UCNP-Au NPs的光热转换对比; B:DNA-UCNP-Au水凝胶与UCNP-Au NPs分别注入小鼠体内后的荧光对比图片; C:DNA-UCNP-Au水凝胶与UCNP-Au NPs分别注入小鼠体内后经808nm激光照射后的局部升温效果。

同时,由于其可注射性,该水凝胶可通过瘤旁注射的方式精确地加载于肿瘤周围,从而将肿瘤与正常组织隔绝,利用光照产生的高温及活性氧有效的杀灭肿瘤细胞,相较于UCNP-Au NPs组肿瘤复发率明显降低。且可通过调控DNA分子和稀土基纳米材料的比例,实现任意时间周期内光热水凝胶的降解。根据治疗需要延长或缩短治疗周期,避免多次给药造成耐药性的产生。

长春应化所王帆/同济大学杨洋《AM》:可直接注射DNA无机杂化水凝胶材料用于肿瘤光热治疗

图3. A:DNA-UCNP-Au水凝胶与UCNP-Au NPs经瘤旁注射后的光热抗肿瘤效果对比; B:观察期末肿瘤解剖图; C:相对肿瘤大小变化; D:肿瘤部位H&E染色; E:光热水凝胶治疗机理图。

该研究的意义在于,通过材料的组合应用,开拓了稀土掺杂荧光上转换纳米材料的光热性能;相较于静脉应用以及局部注射光热纳米材料,局部注射光热凝胶抗肿瘤效果更为确切,为其他光热材料的研发提供了启示作用。

 

论文信息:

Injectable and NIR‐Responsive DNA–Inorganic HybridHydrogels with Outstanding Photothermal Therapy, Bin Liu, Jing Sun, Junjie Zhu,Bo Li, Chao Ma, Xinquan Gu, Kai Liu, Hongjie Zhang, Fan Wang, Juanjuan Su, YangYang, Adv. Mater., 2020, DOI:10.1002/adma.202004460.

全文链接:

https://doi.org/10.1002/adma.202004460

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