黑磷納米片在不同細(xì)胞株內(nèi)的攝取、降解和增殖抑制作用。(a)黑磷納米片在不同細(xì)胞株內(nèi)的攝取及降解;(b)黑磷納米片在不同細(xì)胞株內(nèi)所導(dǎo)致的磷酸水平升高;(c)和(d)黑磷納米片與不同細(xì)胞株孵育24h和48h所引起的細(xì)胞增殖抑制現(xiàn)象。

■本報(bào)記者 張晶晶

作為一種新型二維納米材料，黑磷因其獨(dú)特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，以及良好的生物相容性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。

近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員喻學(xué)鋒課題組在開(kāi)發(fā)天然生物活性納米化療藥物領(lǐng)域取得新進(jìn)展，提出了一種基于黑磷本征生物活性的癌癥活性磷療新技術(shù)。相關(guān)工作已經(jīng)發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》雜志上。

天然生物活性納米化療藥物

癌癥目前仍是人類健康的頭號(hào)殺手。盡管免疫細(xì)胞療法和靶向抗癌藥物，讓諸多癌癥患者看到希望，但這類新型抗腫瘤療法仍有著其缺陷。

例如，免疫細(xì)胞療法在白血病治療上取得了不錯(cuò)進(jìn)展，但其對(duì)實(shí)體瘤的治療效果仍有待提高。同時(shí)，靶向抗癌藥物對(duì)癌細(xì)胞的識(shí)別特異性仍不穩(wěn)定。因此，目前化學(xué)藥物治療仍是癌癥治療的主要手段。

然而，目前大多數(shù)的小分子化療藥物在殺傷癌細(xì)胞的同時(shí)，也會(huì)在正常組織或細(xì)胞中產(chǎn)生相似毒性，從而引起毒副作用，并給患者造成巨大痛苦。因此，對(duì)具有抗癌效用的新型藥物的篩選和開(kāi)發(fā)有重要的科研意義和臨床價(jià)值。

隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，各類新型的無(wú)機(jī)納米材料為癌癥的治療提供了新的思路和方法。一方面，納米材料可作為載體，有效提高藥物對(duì)重量的靶向性，增強(qiáng)藥效;另一方面，利用一些納米材料獨(dú)特的光熱、磁熱、光動(dòng)力效應(yīng)，有望發(fā)展新的腫瘤治療技術(shù)。

目前圍繞納米材料的腫瘤治療研究仍主要基于對(duì)其物理性能的開(kāi)發(fā)，而對(duì)于納米材料本身具有的生物活性研究嚴(yán)重滯后。近日，喻學(xué)鋒課題組報(bào)道的基于黑磷納米材料的天然生物活性納米化療藥物的研究則在充分揭示其作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，展示了癌癥治療領(lǐng)域的新思路。

如果說(shuō)石墨烯是材料領(lǐng)域內(nèi)的“材料之王”，那黑磷稱得上是材料領(lǐng)域內(nèi)的一匹“黑馬”。黑磷是磷的一種同素異形體，可剝離成類石墨烯的二維片層結(jié)構(gòu)。二維結(jié)構(gòu)的黑磷具有諸多優(yōu)異的物理化學(xué)特性，已經(jīng)在微電子、光電子、能源催化等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出不錯(cuò)的應(yīng)用前景。同時(shí)，作為一種由單一磷元素構(gòu)成的納米材料，它也具有良好的生物活性和生物相容性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。

喻學(xué)鋒告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，目前圍繞納米材料的腫瘤治療研究仍主要基于對(duì)其物理性能的開(kāi)發(fā)，而對(duì)于納米材料在與細(xì)胞內(nèi)環(huán)境相互作用時(shí)產(chǎn)生的生物活性，則僅被認(rèn)為是一種生物毒性作用而被忽視。

“針對(duì)這一問(wèn)題，我們以黑磷為模型，通過(guò)深入研究其化學(xué)生物活性，揭示了其作為高選擇性納米化療藥物的潛能。”

活性磷療BPT

喻學(xué)鋒介紹說(shuō)，在之前的研究中，他們已經(jīng)成功將黑磷納米材料應(yīng)用于腫瘤光熱治療、植入材料以及生物活性大分子的細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)等領(lǐng)域。

基于這些前期工作，以及在這些工作中發(fā)現(xiàn)的黑磷在生理環(huán)境下復(fù)雜的降解過(guò)程和多樣的活性中間產(chǎn)物，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探討了黑磷納米片在細(xì)胞內(nèi)降解過(guò)程的機(jī)理和可能誘發(fā)的生物學(xué)效應(yīng)。

喻學(xué)鋒表示：“活性磷療的研究可以說(shuō)是一項(xiàng)意外所得。”

課題組研究發(fā)現(xiàn)，由于癌細(xì)胞旺盛的胞吞作用、較快的代謝速率和較強(qiáng)的氧化壓力，黑磷納米片易被癌細(xì)胞通過(guò)胞吞作用大量攝取，并被快速降解，在胞內(nèi)產(chǎn)生大量磷酸根離子。這一過(guò)程導(dǎo)致癌細(xì)胞內(nèi)環(huán)境改變，引起G2/M期阻滯，從而抑制癌細(xì)胞增殖。增殖抑制后的癌細(xì)胞進(jìn)一步通過(guò)凋亡和自噬的途徑進(jìn)入程序化細(xì)胞死亡。而對(duì)于正常細(xì)胞，由于其較弱的攝取活性和代謝速率，黑磷的攝取少且降解緩慢，從而保持了很高的生物相容性。

“細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，黑磷納米片展現(xiàn)出優(yōu)異的抗腫瘤功效，其對(duì)癌細(xì)胞的選擇性殺傷作用遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)化療藥物阿霉素(DOX)。并且這一抗腫瘤效應(yīng)在乳腺癌、肺癌和卵巢癌等細(xì)胞株中尤為明顯。”

研究團(tuán)隊(duì)將這一源自黑磷天然生物活性的癌細(xì)胞選擇性殺傷作用稱為“生物活性磷基藥物療法(Bioactive Phosphorus-based Therapy)”，簡(jiǎn)稱“活性磷療(BPT)”。該研究不僅展示了黑磷在納米化療藥物開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的巨大前景，同時(shí)也揭示了納米材料在腫瘤治療研究領(lǐng)域的新方向。喻學(xué)鋒介紹說(shuō)，進(jìn)一步的活體實(shí)驗(yàn)研究正在開(kāi)展，而距離真正制成藥物還需要很長(zhǎng)時(shí)間。

在抗腫瘤領(lǐng)域的其他潛在應(yīng)用

圍繞新型二維材料黑磷在腫瘤治療領(lǐng)域的潛力，喻學(xué)鋒團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了系列研究工作，先后在《自然—通訊》等國(guó)際權(quán)威刊物發(fā)表論文30多篇。

黑磷的優(yōu)異的近紅外光學(xué)特性被應(yīng)用于腫瘤的光熱治療中。光熱治療法是利用具有較高光熱轉(zhuǎn)換效率的材料，將其注射入人體內(nèi)部，利用靶向性識(shí)別技術(shù)聚集在腫瘤組織附近，并在外部光源的照射下將光能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)殺死癌細(xì)胞的一種治療方法。

研究團(tuán)隊(duì)采用了乳化溶劑揮發(fā)法，解決了裸露黑磷在生理環(huán)境下降解過(guò)快的問(wèn)題，制備了一種高分子聚合物(PLGA)包裹黑磷量子點(diǎn)(BPQDs)的核殼結(jié)構(gòu)納米球(BPQDs/PLGA)。細(xì)胞及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)都表明，BPQDs/PLGA具有很好的生物安全性和腫瘤被動(dòng)靶向性，并展現(xiàn)出很高的光熱治療效率，實(shí)施5分鐘的近紅外光照，即可有效地殺滅腫瘤。

除此之外，由于其優(yōu)異的表面特性，黑磷也被應(yīng)用于生物分子的轉(zhuǎn)運(yùn)。研究團(tuán)隊(duì)以超薄二維黑磷納米片為載體，通過(guò)靜電相互作用對(duì)CRISPR基因編輯復(fù)合體實(shí)現(xiàn)高效負(fù)載，從而構(gòu)建了一種高效的CRISPR/Cas9基因運(yùn)載體系。該轉(zhuǎn)運(yùn)體系具有極高的細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)效率，基因編輯效率和生物安全性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相對(duì)于其他納米材料載體，該基于黑磷納米片的CRISPR基因編輯復(fù)合體轉(zhuǎn)運(yùn)體系可在較低濃度下完成對(duì)不同細(xì)胞株以及動(dòng)物荷瘤模型的高效基因編輯和基因沉默。這一基于黑磷納米片的高效細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)體系，可進(jìn)一步用于其他生物活性大分子的高效細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)，從而具有重要的醫(yī)學(xué)研究和臨床應(yīng)用價(jià)值。

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