哈佛大學首用鍺烯!《Matter》鍺烯水凝膠用於抗腫瘤復發和傷口感染

外科手術仍然是目前治療實體瘤有效的療法之一,新輔助療法和術後輔助療法在患者的臨床結果中起著越來越重要的作用,因為腫瘤復發傷口感染是術後的兩個主要挑戰。因此,為瞭獲得最大的治療效果,有必要采用術前和術後輔助治療相結合的方法來克服這兩個挑戰。類似於石墨烯鍺烯(Ge;第14族,碳基)是最近描述的二維(2D) 烯,具有良好的穩定性,導熱性和高光熱轉換效率。

【研究成果】

近日,哈佛大學醫學院青年教師Wei Tao團隊與浙江大學Ji Xiaoyuan、杭州師范大學Xie Tian合作在Cell雜志旗下頂級期刊《Matter》上發表瞭題為“Germanene-Based Theranostic Materials for Surgical Adjuvant Treatment: Inhibiting Tumor Recurrence and Wound Infection”的文章 (附Dr. Wei Tao課題組網頁https://scholar.harvard.edu/wtao/bio)。作者首次把新發現的2D單元素材料Ge運用在生物醫學,提出瞭基於2D Ge的手術前後輔助治療策略的原理論證。剝落的Ge納米片(NSs)表現出高載藥量,多響應(pH和近紅外[NIR]敏感)藥物釋放行為,NIR觸發具有深部腫瘤滲透性,良好的生物相容性以及卓越的多峰成像指導治療。當與水凝膠(由臨床認可的瓊脂糖和殼聚糖組成)結合使用時,開發載藥的Ge 復合水凝膠在去除腫瘤後,將其塗在術後傷口表面。再進行NIR輻射,產生的局部熱療和NIR觸發的藥物釋放立即達到瞭消除殘留的腫瘤和抑制殺滅細菌作用,而水凝膠則起到瞭長期抗腫瘤,持久殺菌和加速傷口愈合的治療作用。(下附原文鏈接和示意圖1)

哈佛大學首用鍺烯!《Matter》鍺烯水凝膠用於抗腫瘤復發和傷口感染

哈佛大學首用鍺烯!《Matter》鍺烯水凝膠用於抗腫瘤復發和傷口感染
示意圖1. 2D Ge作為藥物遞送平臺的使用及其與水凝膠結合用於腫瘤外科輔助治療的示意圖:抑制腫瘤復發和傷口感染

【圖文解析】

1. Ge基納米片(NSs)的合成和表征,以及構建藥物遞送平臺

Ge NSs是從Ge粉末通過簡便的自上而下的液體剝離方法制備的。作者通過原子力顯微鏡(AFM)和透射電子顯微(TEM)進行評估和分析瞭Ge NSs的形態。如所示圖1A和B,其平均尺寸為約60 nm,厚度為約5 nm。利用X射線光電子能譜(XPS)確定化學組分,在29.4 eV處發現3d5/2的特征峰,在29.8 eV處發現3d3/2峰,這些符合Ge的化學特性 (圖1C)。此外,為瞭提高Ge NSs的分散性和穩定性,作者對其修飾瞭聚乙二醇(PEG)。進一步表征瞭Ge NSs和PEG @ Ge NSs的拉曼光譜,結果證實瞭其可靠的反應性 (圖1D)。隨後他們負載瞭抗癌藥阿黴素(DOX)(圖1E),離心後發現PEG @ Ge / DOX NS沉淀物具有典型的DOX紅色,但上清液未顯示明顯的紅色(圖1F)。圖1 G展示瞭在不同條件下PEG @ Ge / DOX NSs的受控藥物釋放行為,同時也證實瞭PEG @ Ge NSs的光熱響應藥物釋放。NIR照射後52小時(pH 5.0), DOX的累積釋放量急劇增加至97%。

哈佛大學首用鍺烯!《Matter》鍺烯水凝膠用於抗腫瘤復發和傷口感染
圖1. 基於2D Ge的藥物遞送平臺的表征

2. 載藥Ge基NSs的體外特性

首先,在不同細胞系和血細胞中證實瞭PEG @ Ge NSs 的良好體外生物相容性(圖2 D)。根據藥物釋放行為的上述實驗結果,PEG @ Ge / DOX NSs到達腫瘤部位後,pH和NIR激光會觸發釋放DOX。而且,小的藥物分子將完全適合於深部腫瘤的滲透,因此,PEG @ Ge / DOX NSs有望通過近紅外觸發來實現增強的腫瘤滲透。經過NIR處理後,從腫瘤球體的外部到內部,包括更深的核心,觀察到瞭更強的DOX熒光(圖2 A)。對有或沒有NIR激光照射的腫瘤球體的熒光強度進行瞭定量,並進一步證實瞭PEG @ Ge / DOX NSs的NIR誘導的腫瘤穿透性極佳(圖2 B和2C)。作者接著評估瞭基於Ge的NSs的體外抗腫瘤功效。如圖中所示圖2 E,在用100 μg/ mL PEG @ Ge NSs和NIR輻射處理的4T1細胞中,有84%的細胞被殺死,少於同等濃度的PEG @ Ge / DOX NSs的NIR輻射(98%被殺死)。還可以通過活體和死亡染色直觀地觀察到PEG @ Ge / DOX NSs與NIR的聯合治療效果,而單獨使用NIR,單獨使用PEG @ Ge NSs和對照組則沒有明顯的毒性(圖2G)。此外,僅用激光處理的4T1細胞,僅用PEG @ Ge NSs處理的細胞和對照組幾乎沒有綠色熒光和強紅色熒光(圖2F)。

哈佛大學首用鍺烯!《Matter》鍺烯水凝膠用於抗腫瘤復發和傷口感染
圖2. 基於Ge的藥物遞送平臺的體外特性

3. 用於手術治療和抑制腫瘤復發的載藥Ge 復合水凝膠

作者制備瞭摻有DOX負載的Ge NS,殼聚糖和低熔點瓊脂糖混合的復合水凝膠(Ge/DOX@hydrogel)(圖4 A)。圖4B的TEM圖像展示瞭其形貌。圖4 C展示瞭NIR激光曝光可觀察到溫度提高加速藥物釋放行為。幾輪輻照後,上清液變成典型的DOX紅色,這表明NIR引發瞭Ge/DOX@hydrogel中DOX的劇烈釋放(圖4 D)。為瞭進一步評估Ge/DOX@hydrogel在術後治療中對腫瘤復發的抑制作用,作者建立瞭原位乳腺脂肪墊腫瘤模型,G1-G4參考而G5是註射的Ge/DOX@hydrogel凝膠。如圖4E 所示,在處理期間觀察到G4和G5明顯的溫度升高。術後每2天檢查一次手術部位以確定腫瘤是否復發。此外,圖4F-4H描繪瞭G5中觀察到最佳的腫瘤復發抑制(4/5無復發,而1/5復發腫瘤生長緩慢)。這些結果證實瞭Ge / DOX @水凝膠在術後局部治療期間具有優異的腫瘤復發抑制作用,從而擴展瞭Ge NSs的應用。

哈佛大學首用鍺烯!《Matter》鍺烯水凝膠用於抗腫瘤復發和傷口感染
圖4. 載藥Ge 水凝膠用於術後治療和抑制腫瘤復發。G1, surgery; G2, surgery + Ge@hydrogel; G3, surgery + DOX@hydrogel; G4, surgery + Ge@hydrogel + NIR; and G5, surgery + Ge/DOX@hydrogel + NIR。

4. 載藥的Ge @ Hydrogel的抗菌效果和潛在加速的傷口愈合的驗證

考慮到細菌傷口感染是癌癥手術後常見的術後並發癥之一,作者試圖證實載藥的Ge/DOX@hydrogel更具廣譜抗菌作用。金黃色葡萄球菌(陽性)和大腸桿菌(陰性)分為六組:G1,對照組;G2,hydrogel;G3,DOX @hydrogel;G4,Ge @hydrogel;G5,Ge @hydrogel+ NIR;和G6,Ge/DOX@hydrogel+ NIR。如圖5A和5B所示,由於Ge的即時光熱殺滅與殼聚糖的長期抗菌作用極好的結合,采用NIR輻射(G5和G6)的Ge/DOX@hydrogel對幾乎100%的細菌進行瞭滅菌。為瞭進一步研究術後感染的體內抗菌作用,作者在小鼠中建立瞭傷口感染模型,並觀察瞭不同處理(G1-G6)後的傷口閉合和細菌殘留。如圖5C所示 ,水凝膠治療的傷口顯示出顯著更快的愈合速率比對照組的。此外,G5和G6的傷口在手術後12天內幾乎完全愈合,而對照組的傷口面積仍約為原始傷口的16.7%±4.1%。在水凝膠處理的組中發現更多的具有致密結構的肉芽組織,而在對照組中觀察到更多的壞死組織和更少的肉芽組織(圖5D)。手術後,在G2-G6中發現的細菌要比G1中少得多。由於該處理具有出色的抗菌效果,因此特別難以檢測G5和G6中的細菌。(圖5E)。

哈佛大學首用鍺烯!《Matter》鍺烯水凝膠用於抗腫瘤復發和傷口感染
圖5. 載藥的Ge @ Hydrogel的抗菌效果和潛在加速的傷口愈合驗證

【陳述總結】

作者提供瞭基於藥物的Ge NSs納米片作為智能腫瘤手術輔助療法應用的原理證據。其基於以下事實:剝落的Ge NSs可以作為藥物遞送平臺開發,與臨床水凝膠結合使用時,可以塗敷在腫瘤切除術後的傷口表面上。可以引入親水性藥物(例如DOX,裝入聚合物納米顆粒中)到此智能系統中。該策略證明瞭顯著的殘留腫瘤消除,滅菌和潛在的傷口愈合效果。因此,這種策略不僅首次將2D Ge的生物應用提供給實體腫瘤外科輔助治療,而且還可能鼓勵未來對2D Ge的不同生物醫學應用進行研究。

全文鏈接:

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

相关新闻