中國科學(xué)院生物物理研究所研究員秦燕課題組、陳潤生院士課題組和北京科技大學(xué)教授王天宇、姜健壯合作，開展了癌癥的動態(tài)可轉(zhuǎn)換核磁共振成像（MRI）診斷以及鐵死亡治療、光熱治療和化學(xué)治療的協(xié)同治療研究。研究將癌癥診斷和治療協(xié)同，利用鐵的核磁性質(zhì)診斷、引發(fā)細(xì)胞快速死亡的特性殺滅腫瘤細(xì)胞。相關(guān)成果11月20日在線發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》。
根據(jù)全球癌癥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)告，2020年全世界有1930萬癌癥確診病例，且有1000萬人死于癌癥，死亡人數(shù)比2017年增長了130萬。目前，人們尚未徹底了解癌癥的發(fā)病機(jī)制，以及徹底治愈各類腫瘤的有效方法。臨床上，手術(shù)、放療或化療仍然是癌癥的常規(guī)治療首選，它們雖然能取得一定的療效，但均具有其局限性。探索更加高效、普適、低成本的癌癥診療方法是很多科學(xué)家的心愿。
“過去二十年，將功能化的納米藥物用于癌癥治療得到已經(jīng)取得不少研究結(jié)果。特別是在生物成像診斷和藥物遞送領(lǐng)域方面，納米藥物表現(xiàn)出無與倫比的優(yōu)勢。”論文共同通訊作者、干細(xì)胞及轉(zhuǎn)化國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家秦燕對《中國科學(xué)報(bào)》說。
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她介紹說，納米材料通常具有獨(dú)特的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)。結(jié)合這些性質(zhì)，科研人員已經(jīng)開發(fā)出多種基于生物功能納米材料的非侵入式腫瘤成像診斷技術(shù)，如光聲成像、磁共振成像、X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描和普通X線成像（如放射性同位素成像），以及多種癌癥治療方法，如光熱治療、光動力治療、聲動力治療、化學(xué)動力治療以及聯(lián)合治療，等等。因此，同時將生物功能納米材料的診斷和治療功能結(jié)合在一起，有望推動個性化的臨床應(yīng)用。
“鐵元素是血紅蛋白和許多維持生命的不同酶中的主要功能元素，人體內(nèi)適量的鐵離子對健康有益。但值得注意的是，鐵離子在癌細(xì)胞中的積累能導(dǎo)致癌細(xì)胞死亡，這也使得鐵離子成為未來最有潛力的腫瘤治療方法之一。”論文第一作者、北京科技大學(xué)與生物物理所聯(lián)合培養(yǎng)博士生楊包產(chǎn)對《中國科學(xué)報(bào)》說。
但他表示，現(xiàn)有的鐵基生物功能納米材料用于癌癥治療時仍然存在幾個不可避免的缺點(diǎn)，如許多鐵基生物納米材料只有單一模式的化學(xué)動力學(xué)治療（CDT），通常抑制實(shí)體瘤的生長，卻不能達(dá)到完全的腫瘤抑制。同時，幾乎所有的鐵基生物納米材料都嚴(yán)重依賴弱酸性的腫瘤微環(huán)境，導(dǎo)致鐵元素的利用率降低。
此外，腫瘤微環(huán)境的另一個特點(diǎn)是存在過量的谷胱甘肽（GSH），GSH是細(xì)胞氧化防御系統(tǒng)之一，是限制CDT作用的極大障礙。并且，對于MRI成像診斷，幾乎所有的鐵基生物納米材料作為MRI造影劑主要實(shí)現(xiàn)單一的橫向弛豫性成像效果，這對于低分辨的組織和腫瘤部位難以實(shí)現(xiàn)顯著的成像診斷。因此，開發(fā)低成本和高效的鐵基生物納米材料，增強(qiáng)的腫瘤聯(lián)合治療，實(shí)現(xiàn)鐵基生物納米材料的高效腫瘤診療一體化具有重要意義。
在此背景下，秦燕與合作者開展了癌癥的動態(tài)可切換MRI診斷和鐵死亡治療以及光熱、化療協(xié)同治療研究。他們開發(fā)了多層次的氧化鐵（Fe2O3）結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步結(jié)合靶向分子葉酸（FA）和化療藥物（Dox），得到多功能腫瘤診療納米藥物UF@PPDF NPs。
據(jù)介紹，該藥物分級組裝結(jié)構(gòu)大大提高了鐵的利用效率，可以快速釋放鐵離子和化療藥物，從而實(shí)現(xiàn)了鐵死亡治療以及光熱治療和化療相結(jié)合的三功能協(xié)同腫瘤治療。對于MRI，該藥物可通過動態(tài)T2-T1成像切換清晰地顯示腫瘤組織的大小和致密度，實(shí)現(xiàn)了腫瘤的高分辨診斷。在陳潤生院士組的幫助下，通過差異表達(dá)基因的RNA測序（RNA-Seq）分析也表明，UF@PPDFNPs的三功能協(xié)同腫瘤治療在癌細(xì)胞信號傳導(dǎo)中具有多方面的作用。其中，細(xì)胞呼吸和電子傳輸被顯著上調(diào)，而表觀遺傳途徑，包括染色質(zhì)修飾和轉(zhuǎn)錄活性被嚴(yán)重下調(diào)，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。
研究者表示，該藥物為高效的深部腫瘤診療提供了新的可能性。其結(jié)構(gòu)調(diào)制策略也為開發(fā)鐵基生物納米材料用于癌癥治療及多種疾病的治療提供了借鑒意義。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1002/adfm.202211251
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