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[转载]Advanced Materials | 无线充电一氧化氮释放装置用于远程控制的癌症

已有 301 次阅读 2020-3-16 21:07 |个人分类:热点研究|系统分类:论文交流|关键词:学者|文章来源:转载

研究背景:

光疗是精确而高效治疗癌症的方法,包含广泛应用的光热治疗和光动力学治疗。但是,他们都面临着光的穿透性不足的问题。即使近红外光比可见光有着更强的穿透能力,也只能达到10毫米左右的组织穿透距离,很难对皮肤下的肿瘤造成有效的杀伤作用。而利用无线输电技术,电能可以轻易地穿过人体组织到达体内,再将其转化成光能,就相当于将光源移动到了体内,从而规避光穿透性不足的问题。另一方面,一氧化氮(NO)等气体分子在高浓度下具有显著的抗肿瘤作用,而且副作用较一般化疗药物小。但是由于一氧化氮供体在体内不稳定,难以实现有效的控制释放。


关键挑战1:光的穿透性

光疗相比化疗的优势主要在于,激光是具有严格方向性的能量传播介质,可以定点对病灶部位进行照射。因此,光疗可以实现肿瘤的高效、精确治疗。但是光的致命弱点就在于它的穿透性,可见光只能穿透10毫米以下的人体组织,这对于体内的肿瘤就无法发挥作用了。但是如果可以将光源移植到体内,就可以规避光穿透性不足的问题,从近距离对病灶部位实施治疗。


关键挑战2:一氧化氮的控制释放

一氧化氮在体内的应用主要通过NO供体在体内释放实现。但是,NO供体在体内容易受到体液里金属离子、酶等影响而迅速释放,无法实现精确的控制释放。如果利用包裹的方式将一氧化氮供体和体液隔离,通过光控有可能实现一氧化氮在时间和空间上的精确控制释放。



研究的出发点:

基于上述科学问题,武汉大学张先正教授团队设计并构建了可植入式NO释放装置,将小型LED光源和一氧化氮供体包封后植入小鼠体内,通过无线充电远程提供体内光照进行肿瘤治疗,相关成果在Advanced Materials 发表实验表明:该NO释放装置(NO-wLED)可以在无线充电时释放足量的NO杀死肿瘤细胞;并且在小鼠体内具有很强的稳定性,明显提高NO在体内的释放时间。通过原位和术后结肠癌的小鼠模型,验证NO-wLED可以有效的抑制肿瘤生长,并且能够防止肿瘤复发。因此,NO-wLED能够克服传统光疗中光穿透力不足的问题,提供了一种远程控制并进行精准气体治疗的方法。本文研究的重点在于提出了一种远程精确控制体内气体释放用于疾病治疗的策略。

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图1 NO-wLED的植入、抗肿瘤以及远程控制示意


研究内容:

1、NO-wLED的组装与表征

将小型无线LED(wLED)与NO供体亚硝基谷胱甘肽(GSNO)用聚二甲氧基硅烷(PDMS)封装在一起,构成了无线一氧化氮释放装置(NO-wLED)。在用绿色或紫色LED照射时,光的波长与GSNO的吸收波长相匹配,促使GSNO分解释放NO。LED是与无线充电线圈通过电感耦合点亮的,所以在线圈中位置不同,电磁感应强度不同,越靠近线圈,wLED的功率就越大。NO-wLED在PBS中以及Cu2+、Fe2+溶液中具有很好的稳定性,并且能够在光的控制下随时开关NO释放。NO的最低释放速率在绿色wLED的照射下达到了0.43 mM min-1。

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图2 NO-wLED的组装与表征


2、GSNO的细胞实验

细胞实验证明:GSNO可以在光照下在细胞内产生NO,而不光照时几乎不会产生。并且,产生的NO对CT26小鼠结肠癌细胞具有明显的杀伤作用。通过流式细胞术验证GSNO在光照下会引起细胞凋亡和坏死,并且所需NO浓度低于NO-wLED光照释放NO的最低浓度,证明NO-wLED产生的NO可以起到杀死肿瘤细胞的效果。

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图3 GSNO的细胞实验


3、原位结肠癌模型的动物实验

将NO-wLED植入BALB/c小鼠体内,发现NO-wLED的植入不会对小鼠的活动和生理指标造成影响,并且在光照后能够在体内产生NO。通过构建原位结肠癌模型,将NO-wLED植入肿瘤附近,通过无线充电进行每3天一次,每次1小时的治疗。21天后,光照组的肿瘤得到了明显的抑制,而非光照组的肿瘤生长不受控制。由此可见,NO-wLED可以在体内实现长期有效的肿瘤抑制,并且可以通过远程控制进行治疗程序的设定。

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图4 原位结肠癌模型的动物实验


4、NO治疗机制以及肿瘤切除术后模型的动物实验

测量肿瘤内的NO浓度,进行TUNEL实验和凋亡酶3免疫荧光染色,确认了NO-wLED能够在肿瘤内产生NO,并造成DNA损伤和细胞凋亡。之后通过构建术后肿瘤模型,同样验证了NO-wLED光照时可以抑制肿瘤生长,预防复发

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图5 肿瘤切除术后模型的动物实验


总结与展望:本文构建了一种NO释放装置NO-wLED,可以通过无线充电功能实现体内肿瘤的气体治疗。结合无线接收器还能实现远程控制和定时气体释放。NO-wLED可以长时间在体内实现一氧化氮释放,并且通过原位和术后肿瘤模型验证了其肿瘤抑制效果。这里,我们提出了一种体内长时间、可控气体释放用于肿瘤治疗的策略,该策略也可以用于其他气体的释放、治疗其他疾病,或者与其他治疗手段进行联合治疗。



致谢:感谢国家自然科学基金的资助。


| 本文由通讯作者张先教授、第一作者李彬同学提供。


点击链接查看原文:

https://onlinelibrary.wiley.xilesou.top/doi/abs/10.1002/adma.202000376



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