光熱療法（Photothermal therapy, PTT）是一種新興的疾病治療手段，具有高選擇性、低侵入性以及無系統(tǒng)性副作用等優(yōu)點。特別是在癌癥治療領(lǐng)域，大量的研究表明這一療法表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗腫瘤性能。然而，在光熱治療過程中難以實現(xiàn)對病灶溫度的精準檢測，往往會造成治療效力無法控制的局面——要么升溫不足而無法殺死腫瘤細胞，要么升溫過高而對周邊正常組織造成熱損傷。因此，如何實現(xiàn)無熱損傷副作用的光熱治療是PTT進一步發(fā)展所需要解決的關(guān)鍵問題之一。
近期，中國科學院上海硅酸鹽研究所的常江團隊設(shè)計了一種釹摻雜的硅酸鈣生物活性玻璃（Nd-BG），并基于這一生物活性材料制備了可注射的玻璃/海藻酸（SA）復(fù)合水凝膠。這一復(fù)合水凝膠在體內(nèi)不僅能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱性能，還能實現(xiàn)溫度監(jiān)測和組織修復(fù)功能。相關(guān)工作以“Multifunctional bioactive Nd-Ca-Si glasses for fluorescence thermometry, photothermal therapy, and burn tissue repair”為題發(fā)表在Science Advances。
1、Nd-BG的制備和表征
為了制備Nd-BG，研究首先利用硝酸鈣、硝酸釹和硅酸鈉的共沉淀得到含釹-鈣-硅的前驅(qū)體。該前驅(qū)體粉末經(jīng)過高溫燒結(jié)及研磨過篩處理進一步得到微米級釹（Nd）摻雜的硅酸鈣（Nd-Ca-Si）生物陶瓷（Nd-BC）。這一生物陶瓷粉末再經(jīng)過壓片成型-氧氣氣流懸浮-二氧化碳激光熔融-驟冷凝固-研磨過篩等一系列無容器技術(shù)（containerless processing, CP）處理，最終形成微米級生物玻璃Nd-BG。此外，為了研究釹含量對生物玻璃的性能影響，研究人員制備了釹摻雜量不同的Nd-BG1（摩爾比，Nd：Ca：Si=1：9：20）、Nd-BG2（摩爾比，Nd：Ca：Si=2：8：20）、Nd-BG3（摩爾比，Nd：Ca：Si=3：7：20）以及無釹摻雜的硅酸鈣生物玻璃（CS-BG）（圖1）。
制備完生物活性玻璃后，研究對該玻璃材料進行了光熱及熒光性能表征。與CS-BG相比，808nm激光輻照下的Nd-BG系列材料具有顯著的升溫表現(xiàn)，其中Nd-BG1、Nd-BG2以及Nd-BG3的最終升溫分別達到了112.4、132.9和144.2℃（圖2A）。經(jīng)過四次激光開/關(guān)循環(huán)后，這些材料依然具備相同水平的升溫表現(xiàn)，說明了Nd-BG具有優(yōu)異的光熱穩(wěn)定性（圖2B）。此外，808nm激光輻照還能導(dǎo)致Nd-BG在881-892、1062以及1336nm處出現(xiàn)特征熒光發(fā)射峰，其熒光強度展現(xiàn)出Nd摻雜量依賴性（圖2C）。特別是1062nm處的熒光強度與光熱升溫呈現(xiàn)線性相關(guān)（圖2D），這為實現(xiàn)體內(nèi)溫度監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。
2、Nd-BG2/海藻酸復(fù)合水凝膠的制備和表征
為了實現(xiàn)Nd-BG的體內(nèi)應(yīng)用，研究人員隨后將Nd-BG2集成到海藻酸基質(zhì)中形成可注射的Nd-BG2/海藻酸復(fù)合水凝膠（圖3A），利用這一復(fù)合水凝膠可以將Nd-BG2注射到腫瘤內(nèi)部進行應(yīng)用。圖3B及3C顯示， Nd-BG2/海藻酸復(fù)合水凝膠也展現(xiàn)出了與Nd-BG2粉末相似的光熱穩(wěn)定性以及與熒光強度的線性相關(guān)性，表明海藻酸聚合物不會影響Nd-BG2的性能。
除了復(fù)合水凝膠自身的性能外，研究人員進一步檢測了水凝膠在動物組織中的性能情況。如圖3D顯示熒光強度隨著小鼠組織厚度的增加而減小，同時熒光強度和水凝膠溫度之間依然保持著良好的線性相關(guān)關(guān)系（圖3E），表明組織厚度并不影響溫度與熒光強度之間的關(guān)聯(lián)。特別是溫度差異與組織厚度之間呈現(xiàn)出近乎完美的線性相關(guān)，保證了復(fù)合水凝膠作為“溫度計”的可靠性（圖3F）。此外，盡管復(fù)合水凝膠的熒光在不同動物組織中發(fā)射強度不同（圖3G），溫度和熒光強度之間仍然維持著線性關(guān)系（圖3H），表明這一測溫方法適用于不同的組織環(huán)境。
3、Nd-BG2/海藻酸復(fù)合水凝膠的抗腫瘤光熱治療
對復(fù)合水凝膠進行全面的體外表征之后，研究人員緊接著研究了Nd-BG2/海藻酸復(fù)合水凝膠的抗腫瘤效果。如圖4A所示，研究人員將復(fù)合水凝膠注射入腫瘤內(nèi)，并通過改變激光參數(shù)來控制治療溫度。治療后發(fā)現(xiàn)，治療溫度高于48℃能夠有效抑制腫瘤的生長，而等于或小于48℃則無法抑制或者導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā)（圖4B、C）。同時，治療溫度在53或者60℃則會造成明顯的皮膚燒傷現(xiàn)象，并且治療溫度越高，燒傷面積越大（圖4D）。進一步表征顯示，60℃的高溫會嚴重燒傷皮膚，造成不可逆的組織損毀；而經(jīng)過53℃的治療的小鼠皮膚組織燒傷程度較輕，表明通過調(diào)節(jié)溫度來實現(xiàn)無燒傷副作用的光熱抗腫瘤治療是有可能的。
4、Nd-BG2/海藻酸復(fù)合水凝膠的燒傷組織修復(fù)能力
Nd-BG2作為一種生物活性玻璃，能夠釋放活性離子，可以調(diào)控細胞行為、促進細胞的增殖，從而有利于組織修復(fù)。因此，該研究認為Nd-BG2/海藻酸復(fù)合水凝膠在光熱治療的同時能夠釋放生物活性離子，幫助燒傷組織進行修復(fù)。對小鼠進行燒傷創(chuàng)面治療發(fā)現(xiàn)，復(fù)合水凝膠能夠在7天內(nèi)顯著減少燒傷創(chuàng)面，并在14天左右使創(chuàng)面基本消失（圖5A）。而與對照組相比，復(fù)合水凝膠的創(chuàng)面愈合速率也顯著提高了不少（圖5B）。圖5C則揭示了對照組的燒傷程度均較復(fù)合水凝膠處理組要嚴重，隨著時間的增加（到14天時），復(fù)合水凝膠處理組的燒傷區(qū)域的上皮組織甚至開始重新生長，證明復(fù)合水凝膠升溫到53℃時非常有利于燒傷組織的修復(fù)。
結(jié)論
該項工作合成了新型Nd-Ca-Si生物玻璃材料，基于這一多功能材料的可注射型復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱抗腫瘤性能。更重要的是，這一材料的光熱升溫又與其熒光發(fā)射強度呈現(xiàn)線性相關(guān)關(guān)系，基于這一強關(guān)聯(lián)發(fā)展了瘤內(nèi)熒光測溫技術(shù)，可以監(jiān)測光熱過程中的瘤內(nèi)溫度并對光熱治療溫度加以控制。經(jīng)過篩選，研究發(fā)現(xiàn)當光熱治療溫度在53℃時，腫瘤可以被完全消除，同時周邊正常組織的熱損傷也達到相對較低的程度。此外，在這一燒傷程度下，復(fù)合水凝膠中的生物活性物質(zhì)能夠誘導(dǎo)組織再生復(fù)原，表明這一新型生物材料有望實現(xiàn)無副作用的高效光熱治療。
參考文獻：
Multifunctional bioactive Nd-Ca-Si glasses for fluorescence thermometry, photothermal therapy, and burn tissue repair
文獻鏈接：
