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中科院上海硅酸盐所提出纳米催化医学的新概念

发布时间:2018-04-12 13:05:16  |  来源:中国日报网  |  作者:   |  责任编辑:科学频道

近期,中国科学院上海硅酸盐研究所的施剑林研究员和陈雨研究员,在国际权威综述学术期刊《Chemical Society Reviews》(化学会评论)首次提出“纳米催化医学”的新概念(Nanocatalytic Medicine, NCM),对纳米催化医学这一全新的概念进行了精确的定义和全面的阐述,并将这一新的方法应用在肿瘤的高效、安全治疗中,为纳米医学和临床医学的发展开辟了一个全新的研究领域。

常规的肿瘤化疗采用具有高细胞毒性的化疗药物,通过细胞凋亡或非选择性坏死的途径同时杀死癌细胞和正常细胞。如果能够采用无毒/低毒的纳米颗粒,通过选择性地催化/触发肿瘤组织内部的特定化学反应,在局部产生数量可观的特定反应产物,则可以实现一系列的生物学和病理学响应,这可能在不对正常组织产生显著副作用的情况下,实现肿瘤特异性的治疗和成像,以达到特异性的癌症防治目的。然而,利用催化化学反应实现选择性肿瘤诊疗的相关技术进步,依赖于基础化学、材料科学、纳米技术和生物医学等多学科领域的交叉融合与技术革新,这个新兴的跨学科研究有别于传统的临床癌症诊断模式。

其中,上海硅酸盐所研究团队采用改进的自蔓延燃烧方法,成功制备出单分散的、直径约一百纳米左右的硅化镁(Mg2Si)纳米颗粒,实现了响应肿瘤的特异性微环境,大量消耗肿瘤内的氧分子,同时阻塞其中的血管系统,阻止外部氧分子和养分的供给,达到肿瘤特异性的局部饥饿治疗的效果。这种纳米粒子在正常组织的中性环境下稳定,无毒无害;而在肿瘤的弱酸性环境下,可以与质子反应生成硅烷(SiH4)。这种硅烷分子极易与氧分子反应,从而大量而快速消耗氧组分;在此同时,产生的二氧化硅(SiO2)中间产物,原位堵塞血管,防止外部的氧分子和养分通过肿瘤血管系统的供给,从而抑制肿瘤生长,达到肿瘤治疗效果。最后,这些氧化硅颗粒还可以在一定时间后彻底降解,从而从根本上不存在毒副作用(Nature Nanotechnology,2017,12,378)。

随后,上海硅酸盐所研究团队又合成了一种枝状介孔二氧化硅纳米粒子作为药物输运系统载体,依次负载直径2nm的超小四氧化三铁纳米粒子和葡萄糖氧化酶,构建一种新型的纳米催化剂。该纳米催化剂中的葡萄糖氧化酶是一种高活性有机酶,且四氧化三铁纳米粒子是一种高效、高稳定性的Fenton反应催化剂。该催化剂利用肿瘤细胞内旺盛的葡萄糖原料和微酸性代谢环境,连锁地进行高效的生物酶催化反应和化学Fenton催化反应。

在第一步生物酶催化反应中,葡萄糖氧化酶选择性地催化肿瘤内的d-葡萄糖生成过氧化氢与葡萄糖内脂。过氧化氢作为下一步化学Fenton催化反应的反应物,在酸性条件下被四氧化三铁催化生成高毒性的活性氧物种-羟基自由基。高毒性的羟基自由基可以诱导肿瘤细胞的凋亡,在实现杀死肿瘤细胞的同时,不对正常的组织和器官造成损害。体内动物实验结果显示该纳米催化剂具有较好的肿瘤杀伤和抑制能力,并具有良好的体内生物安全性 (Nature Communications,2017,8,357)。此外,该团队利用瘤内催化反应策略,开展了外场激发下催化肿瘤的系列前沿探索工作。如利用介孔氧化硅纳米颗粒作为载体,将无毒的金属卟啉分子输运至癌症病灶,在常规的超声外场作用下,瘤内催化产生大量单线态氧自由基,安全高效杀灭肿瘤(J. Am. Chem. Soc., 2017,139,1275)。

为了更好地总结以上催化反应实现肿瘤特异性治疗的研究,推动这一研究方向的进展,研究团队在国际上首次提出“纳米催化医学(Nanocatalytic Medicine, NCM)”的新概念,并对其本质和应用作了定义和讨论。通过全面总结该研究团队在纳米催化医学领域取得的重要进展,进一步荟萃了国内外相关最新研究成果和动向,提出了作者对该领域发展现状的观点,展望了纳米催化医学领域的潜在发展方向。这一工作有望为个性化生物医学提供一种全新且低毒有效的癌症诊疗解决方案,从而为纳米医学领域的发展提供新的研究思路,将对化学、材料、生物和医学领域的交叉研究具有重要的指导意义。

(中国日报上海分社)

文章来源:中国日报网
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