Magnesium silicide nanoparticles as a deoxygenation agent for cancer starvation therapy

硅化鎂納米粒子作為癌癥饑餓療法的脫氧劑

來(lái)源：Nature Nanotechnology, Volume 12, pages 378–386 (2017)

《自然納米技術(shù)》，第12卷，2017年，第378–386頁(yè)

 

摘要

本研究報(bào)道了一種可注射的聚乙烯吡咯烷酮修飾的硅化鎂納米粒子作為脫氧劑，用于實(shí)現(xiàn)特異性腫瘤饑餓療法。在酸性腫瘤微環(huán)境中，這些納米粒子釋放硅烷，有效消耗組織溶解的和血紅蛋白結(jié)合的氧氣，生成二氧化硅聚集體。這些原位形成的二氧化硅阻塞腫瘤毛細(xì)血管，阻止腫瘤獲得新的氧氣和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。研究表明，通過(guò)提高氣體腔室中的氧氣分壓，可以安全地增加胰島表面密度，維持所有胰島的存活和功能。封裝胰島以高達(dá)4,800 IEQ/cm2的表面密度植入糖尿病大鼠中，能維持正常血糖超過(guò)7個(gè)月，并提供接近正常的靜脈葡萄糖耐量測(cè)試。

 

研究目的

本研究的主要目的是開(kāi)發(fā)一種能特異性清除腫瘤內(nèi)氧氣、防止再氧化的脫氧劑，用于癌癥饑餓療法。具體目標(biāo)是驗(yàn)證硅化鎂納米粒子在酸性腫瘤微環(huán)境中作為脫氧劑的有效性，通過(guò)消耗氧氣并形成副產(chǎn)物阻塞腫瘤血管，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期抑制腫瘤生長(zhǎng)。

 

研究思路

研究思路是通過(guò)自傳播高溫合成策略制備PVP修飾的硅化鎂納米粒子，并評(píng)估其作為脫氧劑的性能。在酸性條件下，納米粒子釋放硅烷，與氧氣反應(yīng)生成二氧化硅和水。通過(guò)體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量納米粒子的脫氧效果、氧氣消耗、腫瘤缺氧水平以及腫瘤生長(zhǎng)抑制。使用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)氧氣消耗和擴(kuò)散，驗(yàn)證設(shè)備設(shè)計(jì)。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. 納米粒子表征數(shù)據(jù)：通過(guò)掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡圖像顯示納米粒子的形貌和尺寸，如Figure 2a-f所示。研究意義：確認(rèn)納米粒子小于100納米，分散良好，具有核心-殼結(jié)構(gòu)，這確保了納米粒子的可注射性和在腫瘤組織中的滲透能力。

 

2. pH敏感性脫氧效果數(shù)據(jù)：測(cè)量不同pH值下溶解氧水平的變化，如Figure 3a所示。研究意義：表明納米粒子在酸性介質(zhì)中能顯著降低氧含量，而在中性pH下影響可忽略，這驗(yàn)證了其腫瘤特異性脫氧能力，避免了正常組織副作用。

 

3. 氧氣消耗和硅烷釋放數(shù)據(jù)：通過(guò)電感耦合等離子體光譜測(cè)量鎂和硅的釋放行為，如Figure 3b-c所示。研究意義：顯示在酸性介質(zhì)中鎂快速釋放，而硅釋放緩慢，證實(shí)了反應(yīng)機(jī)制中硅烷的逐步釋放，從而實(shí)現(xiàn)可控脫氧。

4. 體外癌細(xì)胞饑餓數(shù)據(jù)：使用熒光探針和PET/CT成像評(píng)估細(xì)胞內(nèi)氧氣水平和缺氧程度，如Figure 4a-f所示。研究意義：證明納米粒子處理導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)氧氣顯著下降，缺氧誘導(dǎo)因子表達(dá)增加，抑制細(xì)胞增殖，這直接驗(yàn)證了脫氧引發(fā)的饑餓效應(yīng)。

 

5. 體內(nèi)腫瘤缺氧和治療效果數(shù)據(jù)：通過(guò)光聲成像和氧氣微電極測(cè)量腫瘤內(nèi)氧氣飽和度及溶解氧水平，如Figure 5a-e所示。研究意義：顯示納米粒子注射后腫瘤氧氣快速耗盡，腫瘤生長(zhǎng)顯著抑制，證實(shí)了體內(nèi)脫氧的有效性和治療潛力。

 

6. 納米粒子在體內(nèi)演化數(shù)據(jù)：通過(guò)激光解吸/電離質(zhì)譜和透射電子顯微鏡分析硅和鎂的分布及形態(tài)變化，如Figure 6a-i所示。研究意義：揭示納米粒子在腫瘤中逐步轉(zhuǎn)化為二氧化硅微片，阻塞血管，并最終降解，這解釋了長(zhǎng)期缺氧維持機(jī)制和生物安全性。

 

 

結(jié)論

本研究得出結(jié)論，PVP修飾的硅化鎂納米粒子能作為有效的脫氧劑，通過(guò)消耗腫瘤氧氣和形成二氧化硅阻塞血管，實(shí)現(xiàn)癌癥饑餓療法。納米粒子在酸性腫瘤微環(huán)境中特異性激活，導(dǎo)致嚴(yán)重缺氧和腫瘤細(xì)胞死亡，同時(shí)副產(chǎn)物生物相容性好。這為開(kāi)發(fā)新型癌癥治療策略提供了概念驗(yàn)證。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

在本文中，使用丹麥Unisense氧氣微電極進(jìn)行測(cè)量具有關(guān)鍵的研究意義：1. 高精度與實(shí)時(shí)性：Unisense電極提供了高空間分辨率的氧氣分壓測(cè)量，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤腫瘤內(nèi)氧氣動(dòng)態(tài)變化，如Figure 5d-e所示，直接驗(yàn)證了納米粒子注射后氧氣快速耗盡的過(guò)程。2. 驗(yàn)證脫氧效果：通過(guò)電極測(cè)量，證實(shí)了納米粒子在體外和體內(nèi)均能有效降低氧含量，為脫氧機(jī)制提供了直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。3. 支持定量分析：電極數(shù)據(jù)與光聲成像等結(jié)果互補(bǔ)，增強(qiáng)了結(jié)果的可靠性，為治療效果評(píng)估提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。總之，Unisense電極的應(yīng)用為本研究提供了準(zhǔn)確的氧氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，是連接納米粒子處理與生物學(xué)效應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)工具。