哈佛大学首用锗烯!《Matter》锗烯水凝胶用于抗肿瘤复发和伤口感染

外科手术仍然是目前治疗实体瘤有效的疗法之一,新辅助疗法和术后辅助疗法在患者的临床结果中起着越来越重要的作用,因为肿瘤复发伤口感染是术后的两个主要挑战。因此,为了获得最大的治疗效果,有必要采用术前和术后辅助治疗相结合的方法来克服这两个挑战。类似于石墨烯锗烯(Ge;第14族,碳基)是最近描述的二维(2D) 烯,具有良好的稳定性,导热性和高光热转换效率。

【研究成果】

近日,哈佛大学医学院青年教师Wei Tao团队与浙江大学Ji Xiaoyuan、杭州师范大学Xie Tian合作在Cell杂志旗下顶级期刊《Matter》上发表了题为“Germanene-Based Theranostic Materials for Surgical Adjuvant Treatment: Inhibiting Tumor Recurrence and Wound Infection”的文章 (附Dr. Wei Tao课题组网页https://scholar.harvard.edu/wtao/bio)。作者首次把新发现的2D单元素材料Ge运用在生物医学,提出了基于2D Ge的手术前后辅助治疗策略的原理论证。剥落的Ge纳米片(NSs)表现出高载药量,多响应(pH和近红外[NIR]敏感)药物释放行为,NIR触发具有深部肿瘤渗透性,良好的生物相容性以及卓越的多峰成像指导治疗。当与水凝胶(由临床认可的琼脂糖和壳聚糖组成)结合使用时,开发载药的Ge 复合水凝胶在去除肿瘤后,将其涂在术后伤口表面。再进行NIR辐射,产生的局部热疗和NIR触发的药物释放立即达到了消除残留的肿瘤和抑制杀灭细菌作用,而水凝胶则起到了长期抗肿瘤,持久杀菌和加速伤口愈合的治疗作用。(下附原文链接和示意图1)

哈佛大学首用锗烯!《Matter》锗烯水凝胶用于抗肿瘤复发和伤口感染

哈佛大学首用锗烯!《Matter》锗烯水凝胶用于抗肿瘤复发和伤口感染
示意图1. 2D Ge作为药物递送平台的使用及其与水凝胶结合用于肿瘤外科辅助治疗的示意图:抑制肿瘤复发和伤口感染

 

【图文解析】

1. Ge基纳米片(NSs)的合成和表征,以及构建药物递送平台

Ge NSs是从Ge粉末通过简便的自上而下的液体剥离方法制备的。作者通过原子力显微镜(AFM)和透射电子显微(TEM)进行评估和分析了Ge NSs的形态。如所示图1A和B,其平均尺寸为约60 nm,厚度为约5 nm。利用X射线光电子能谱(XPS)确定化学组分,在29.4 eV处发现3d5/2的特征峰,在29.8 eV处发现3d3/2峰,这些符合Ge的化学特性 (图1C)。此外,为了提高Ge NSs的分散性和稳定性,作者对其修饰了聚乙二醇(PEG)。进一步表征了Ge NSs和PEG @ Ge NSs的拉曼光谱,结果证实了其可靠的反应性 (图1D)。随后他们负载了抗癌药阿霉素(DOX)(图1E),离心后发现PEG @ Ge / DOX NS沉淀物具有典型的DOX红色,但上清液未显示明显的红色(图1F)。图1 G展示了在不同条件下PEG @ Ge / DOX NSs的受控药物释放行为,同时也证实了PEG @ Ge NSs的光热响应药物释放。NIR照射后52小时(pH 5.0), DOX的累积释放量急剧增加至97%。

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图1. 基于2D Ge的药物递送平台的表征

 

2. 载药Ge基NSs的体外特性

首先,在不同细胞系和血细胞中证实了PEG @ Ge NSs 的良好体外生物相容性(图2 D)。根据药物释放行为的上述实验结果,PEG @ Ge / DOX NSs到达肿瘤部位后,pH和NIR激光会触发释放DOX。而且,小的药物分子将完全适合于深部肿瘤的渗透,因此,PEG @ Ge / DOX NSs有望通过近红外触发来实现增强的肿瘤渗透。经过NIR处理后,从肿瘤球体的外部到内部,包括更深的核心,观察到了更强的DOX荧光(图2 A)。对有或没有NIR激光照射的肿瘤球体的荧光强度进行了定量,并进一步证实了PEG @ Ge / DOX NSs的NIR诱导的肿瘤穿透性极佳(图2 B和2C)。作者接着评估了基于Ge的NSs的体外抗肿瘤功效。如图中所示图2 E,在用100 μg/ mL PEG @ Ge NSs和NIR辐射处理的4T1细胞中,有84%的细胞被杀死,少于同等浓度的PEG @ Ge / DOX NSs的NIR辐射(98%被杀死)。还可以通过活体和死亡染色直观地观察到PEG @ Ge / DOX NSs与NIR的联合治疗效果,而单独使用NIR,单独使用PEG @ Ge NSs和对照组则没有明显的毒性(图2G)。此外,仅用激光处理的4T1细胞,仅用PEG @ Ge NSs处理的细胞和对照组几乎没有绿色荧光和强红色荧光(图2F)。

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图2. 基于Ge的药物递送平台的体外特性

 

3. 用于手术治疗和抑制肿瘤复发的载药Ge 复合水凝胶

作者制备了掺有DOX负载的Ge NS,壳聚糖和低熔点琼脂糖混合的复合水凝胶(Ge/DOX@hydrogel)(图4 A)。图4B的TEM图像展示了其形貌。图4 C展示了NIR激光曝光可观察到温度提高加速药物释放行为。几轮辐照后,上清液变成典型的DOX红色,这表明NIR引发了Ge/DOX@hydrogel中DOX的剧烈释放(图4 D)。为了进一步评估Ge/DOX@hydrogel在术后治疗中对肿瘤复发的抑制作用,作者建立了原位乳腺脂肪垫肿瘤模型,G1-G4参考而G5是注射的Ge/DOX@hydrogel凝胶。如图4E 所示,在处理期间观察到G4和G5明显的温度升高。术后每2天检查一次手术部位以确定肿瘤是否复发。此外,图4F-4H描绘了G5中观察到最佳的肿瘤复发抑制(4/5无复发,而1/5复发肿瘤生长缓慢)。这些结果证实了Ge / DOX @水凝胶在术后局部治疗期间具有优异的肿瘤复发抑制作用,从而扩展了Ge NSs的应用。

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图4. 载药Ge 水凝胶用于术后治疗和抑制肿瘤复发。G1, surgery; G2, surgery + Ge@hydrogel; G3, surgery + DOX@hydrogel; G4, surgery + Ge@hydrogel + NIR; and G5, surgery + Ge/DOX@hydrogel + NIR。

 

4. 载药的Ge @ Hydrogel的抗菌效果和潜在加速的伤口愈合的验证

考虑到细菌伤口感染是癌症手术后常见的术后并发症之一,作者试图证实载药的Ge/DOX@hydrogel更具广谱抗菌作用。金黄色葡萄球菌(阳性)和大肠杆菌(阴性)分为六组:G1,对照组;G2,hydrogel;G3,DOX @hydrogel;G4,Ge @hydrogel;G5,Ge @hydrogel+ NIR;和G6,Ge/DOX@hydrogel+ NIR。如图5A和5B所示,由于Ge的即时光热杀灭与壳聚糖的长期抗菌作用极好的结合,采用NIR辐射(G5和G6)的Ge/DOX@hydrogel对几乎100%的细菌进行了灭菌。为了进一步研究术后感染的体内抗菌作用,作者在小鼠中建立了伤口感染模型,并观察了不同处理(G1-G6)后的伤口闭合和细菌残留。如图5C所示 ,水凝胶治疗的伤口显示出显著更快的愈合速率比对照组的。此外,G5和G6的伤口在手术后12天内几乎完全愈合,而对照组的伤口面积仍约为原始伤口的16.7%±4.1%。在水凝胶处理的组中发现更多的具有致密结构的肉芽组织,而在对照组中观察到更多的坏死组织和更少的肉芽组织(图5D)。手术后,在G2-G6中发现的细菌要比G1中少得多。由于该处理具有出色的抗菌效果,因此特别难以检测G5和G6中的细菌。(图5E)。

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图5. 载药的Ge @ Hydrogel的抗菌效果和潜在加速的伤口愈合验证

 

【陈述总结】

作者提供了基于药物的Ge NSs纳米片作为智能肿瘤手术辅助疗法应用的原理证据。其基于以下事实:剥落的Ge NSs可以作为药物递送平台开发,与临床水凝胶结合使用时,可以涂敷在肿瘤切除术后的伤口表面上。可以引入亲水性药物(例如DOX,装入聚合物纳米颗粒中)到此智能系统中。该策略证明了显着的残留肿瘤消除,灭菌和潜在的伤口愈合效果。因此,这种策略不仅首次将2D Ge的生物应用提供给实体肿瘤外科辅助治疗,而且还可能鼓励未来对2D Ge的不同生物医学应用进行研究。

 

全文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520301934#!

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