深圳市二维材料孔雀团队
【Adv. Mater.】二维铋烯面内异质结——一型光动力机制提高乏氧肿瘤微环境中的光动力治疗疗效

        深圳大学张晗教授课题组、南方医科大学鲍世韵团队和美国纽约州立大学Paras N. Prasad教授课题组合作,在知名材料学期刊Advanced Materials《先进材料》上发表了题为“A Regioselectively Oxidized 2D Bi/BiOx Lateral Nano-Heterostructure for Hypoxic Photodynamic Therapy”的研究成果。


        以石墨烯、黑磷等为代表的众多二维材料具备极大的比表面积、强光-物质相互作用和小到纳米尺寸的平均粒径,已被用于光动力抗癌治疗应用,但它们仅能在常氧环境下介导光动力治疗,却难以在肿瘤深处的缺氧环境下仍保持良好的光动力疗效。铋烯是二维材料家族中的一员,因在重元素中难得一见的优秀生物相容性而吸引了众多生物行业研究人员的目光。本文报道了一种可大批量制备粒径较为均一的铋烯纳米颗粒的超声-溶剂热两步法,采用侧面选择性的氧化策略,通过配体定向修饰的途径将经由两步法所得产物氧化为具备良好的肿瘤穿透性和胞摄能力的铋/氧化铋面内异质结构纳米颗粒。


       实验结果表明此种独特的铋/氧化铋面内异质结构纳米颗粒能在660nm的激光照射下于常氧环境下产生单线态氧自由基(1O2)、超氧阴离子自由基(·O2)和羟基自由基(·OH)自由基,更能在肿瘤深处缺氧环境下同时产生羟基自由基(·OH)和氢气,由此在缺氧环境下仍能提供良好的光动力疗效。此外,该纳米颗粒不仅生物相容性良好,且在完成光动力治疗任务后还能于细胞内部被彻底地生物降解,不会遗留长期的细胞毒性。这种新型二维铋烯治疗纳米平台具有优异的PDT效率和固有的生物安全性,为下一代精准医学研究提供了一个新的思路。



图1 本工作的机理图

(a).将以超声-溶剂热两步法制得的铋烯纳米颗粒先做定向配体修饰,使其上下表面皆被配体覆盖,再做主动氧化得到仅有侧面被氧化的铋/氧化铋异质结构纳米颗粒。随后,在此纳米颗粒表面经酰胺化作用接上第二配体,提升其生物相容性和分散稳定性;(b).在肿瘤外缘的常氧环境下,铋/氧化铋异质结构纳米颗粒可在光照下经由II型光动力过程产生单线态氧自由基(1O2)和超氧阴离子自由基(·O2),同时也经由I型光动力过程产生羟基自由基(·OH)自由基。在肿瘤内部的缺氧环境下,此纳米颗粒仍能于光照下经由I型光动力过程产生羟基自由基(·OH)自由基和氢气,从而在肿瘤内部仍能提供良好的光动力疗效。



图2 材料表征结果。

(a).以超声-溶剂热两步法制得铋烯纳米颗粒的HRTEM照片;(b).经由配体修饰的定向氧化策略制得铋/氧化铋异质结构纳米颗粒的HRTEM照片;(c,d).铋烯纳米颗粒的AFM照片和粒径、厚度分布图;(e-h).铋/氧化铋异质结构纳米颗粒的元素分布图;两者的:(i).拉曼曲线;(j).XRD曲线;(k,l).XPS曲线;铋/氧化铋异质结构纳米颗粒在刚制备出来时、pH=7.4的中性环境和模拟肿瘤内部pH=6.0酸性环境下的(m,n).Zeta电势图和(o,p). DLS图。



图3 (a).铋/氧化铋异质结构纳米颗粒的能带结构图:由于异质结的导带底电势高于将氧气分子还原为超氧阴离子自由基所需电势,以及将氢离子还原成氢气所需电势,且其价带顶电势低于将氢氧根离子氧化成羟基自由基所需电势,故在光照下异质结产生的光生载流子同时可介导I型和II型光动力过程;材料的:(b,c).UPS图,由图可算得其费米能级在真空能级下4.40eV处;(d).XPS价带谱,由图可算得其价带顶能级在费米能级下1.61eV处;(e).UV-DRS曲线,由图可算得其带隙为1.63eV;常氧和缺氧环境下材料于660nm光照时的:(f).ESR曲线,由图可知在常氧环境下材料能同时产生1O2、·O2和·OH自由基,在缺氧环境下则也能产生·OH自由基;(g).DPBF吸收曲线,由图可知在光照20分钟的整个测试过程中材料持续产生的活性氧自由基不断氧化DPBF,使其吸收强度持续下降;(h).材料的亚甲基蓝-铂复合物吸收曲线,由图可知在光照10分钟的整个测试过程中材料持续产生的氢气不断还原亚甲基蓝-铂复合物,使其吸收强度持续下降;(i).材料的对苯二甲酸荧光曲线,由图可知在光照10分钟的整个测试过程中材料持续产生的·OH自由基不断氧化对苯二甲酸,使其荧光强度持续上升。




图4 体外细胞实验:(a).加入10、50和100mg/mL浓度的异质结纳米颗粒后,A549、SMMC-7721、B16、L-O2、HeLa和HUVEC细胞的相对存活率;(b).与50mg/mL浓度的异质结纳米颗粒共培养的SMMC-7721细胞在660nm激光照射后的DCFH-DA荧光强度变化;与50mg/mL浓度异质结纳米颗粒下共培养的SMMC-7721细胞在常氧和缺氧环境下660nm激光照射后的:(c).AO/PI双染图;(d).细胞存活率;(e).与10、50和100mg/mL浓度的异质结纳米颗粒共培养的SMMC-7721细胞在常氧和缺氧环境下660nm激光照射后的流式图。



图5 体外细胞实验:与50和100mg/mL浓度的异质结纳米颗粒共培养的SMMC-7721细胞在在常氧和缺氧环境下660nm激光照射后的(a).g-H2AX蛋白共聚焦荧光图;(b).以Ellman法测得的胞内谷胱甘肽浓度;(c).胞内凋亡相关蛋白浓度;(d).电镜照片。




图6 动物实验:尾静脉注射修饰了荧光配体的铋纳米颗粒和异质结纳米颗粒12、24和48小时后,健康裸鼠心肝脾肺肾和肿瘤内的:(a).材料荧光强度;(b).半定量材料浓度;在14天疗程结束时,仅注射了生理盐水、仅尾静脉注射异质结纳米颗粒、仅以660nm激光照射肿瘤部位、注射了铋纳米颗粒且以660nm激光照射肿瘤部位,以及注射异质结纳米颗粒且以660nm激光照射肿瘤部位的患瘤裸鼠的:(c).肿瘤实拍照片;(d).相对肿瘤体积变化曲线;(e).TUNEL荧光染色图。

 

       中国海洋大学仇萌副教授、深圳市人民医院王斗研究员、深圳大学黄浩博士和殷腾博士为本文的共同第一作者,深圳市人民医院鲍世韵主任、美国Buffalo大学Paras N.Prasad教授和深圳大学张晗教授是共同通讯作者,深圳大学为第一完成单位。


【文章链接】

A Regioselectively Oxidized 2D Bi/BiOxLateral Nano-Heterostructure for Hypoxic Photodynamic Therapy

Meng Qiu, Dou Wang, Hao Huang, TengYin, Wenli Bao, Bin Zhang, Zhongjian Xie,Ni Xie, Zongze Wu, Chenchen Ge, QiWang, Meng Gu, Hilliard L. Kutscher, Liping Liu,Shiyun Bao, Paras N. Prasad,Han Zhang

Adv. Mater. 2021-10-13

DOI:10.1002/adma.202102562