纳米生物医学前沿每周精选丨1028-1103
纳米人 纳米人 2019-11-10

1. Small:以肽纳米管为模板对Cu2-xS进行生物矿化用于转移性肿瘤的联合治疗

一维肽纳米结构如肽纳米管(PNTs)等具有可调的理化性质和功能。华东师范大学徐志爱教授张文教授合作报道了一种将PNTs作为对Cu2-xS纳米颗粒(Cu2-xS NPs, x=1-2)进行生物矿化的一维模板的策略。由于PNTs表面的咪唑基团与铜离子之间具有特异性的高亲和性,因此单分散的Cu2-xS NPs会均匀地包覆在PNTs上。

 

实验将Cu2-xS NP包覆的PNTs与奥沙利铂前体药物进行共价连接,从而构建了一种多功能的肿瘤联合治疗纳米平台(Pt–CuS–PNTs)。在808nm激光照射下,该纳米平台会产生显著的光热效应,并可通过电子转移和类芬顿反应产生活性氧(ROS)。实验利用B16-F10黑色素瘤小鼠模型证明了该多功能纳米平台可以通过光-化学联合治疗显著抑制黑素瘤的肿瘤生长和肺转移。

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Yi Lai, Zhiai Xu, Wen Zhang. et al. Peptide Nanotube-Templated Biomineralization of Cu2−xS Nanoparticles for Combination Treatment

of Metastatic Tumor. Small. 2019

DOI: 10.1002/smll.201904397

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201904397

 

2. Theranostics:对pH响应的苝二酰亚胺纳米粒子用于肿瘤的三模态成像和治疗

有机发色团因其具有优异的光学性能和可被设计调控的优点,被广泛用于多模态成像指导的光热治疗中。然而,由于其光稳定性较差且合成过程复杂,目前有机发色团的诊疗效率尚不能令人满意。北京化工大学冀辰东博士和尹梅贞教授合作构建了一种具有对pH响应的哌嗪环结构的近红外(NIR)吸收型苝二酰亚胺。该发色团在与羧基聚乙二醇结合后可以在水溶液中自组装成纳米粒子(NPs)。

 

实验也对该NPs的近红外光学性质和光热转换能力进行了研究,并在4T1细胞和小鼠模型上对近红外光照射下利用PPDI-NPs进行的肿瘤诊疗效果进行了评价。实验结果表明,在酸性微环境中,有着良好的光稳定性的PPDI-NPs具有近红外荧光(NIRF)发射性能和较高的光热转换效率,可以通过NIRF、光声和光热的三模态成像来对肿瘤进行精确诊断和实现高效的PTT,同时在体内外也保持着较好的生物安全性。

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Jianhao Li, Chendong Ji, Meizhen Yin. et al . pH-responsive perylenediimide nanoparticles for cancer trimodality imaging and photothermal therapy. Theranostics. 2019

DOI: 10.7150/thno.36999

http://www.thno.org/v10p0166.htm

 

3. Theranostics:超小焦脱镁叶绿酸-a纳米点用于双模态成像指导的光动力治疗

超小的纳米粒子(NPs)可迅速地从体内通过肾脏被清除,使其在体内不会产生长期的毒副作用,具有很好的临床转化前景。苏兰拉里理工大学Anyanee Kamkaew教授苏州大学程亮研究员合作制备了一种超小尺寸的NPs并将其用于成像指导的光动力治疗(PDT)。实验利用聚乙二醇(PEG)对深红色的光敏剂焦脱镁叶绿酸-a (Pa)进行功能化得到Pa-PEG。Pa-PEG会在水溶液中形成超小的纳米点并表现出红移的吸光性,其在光照下可以有效地生成单线态氧。

 

体外细胞实验结果表明,Pa-PEG纳米点具有良好的光动力治疗(PDT)效果。实验随后利用光声(PA)和荧光(FL)成像技术来对PDT治疗的最佳时间进行了评估。双模态成像结果证明,Pa-PEG纳米点可以在肿瘤部位有效聚集,并在被静脉注射后8小时达到最好的富集效果。而经PDT治疗的小鼠肿瘤也被显著地抑制。同时,该Pa-PEG纳米点在肾脏中也具有很高的PA/FL信号,从而表明这些超小的纳米点材料可以通过肾脏被高效地清除出体外。

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Kittipan Siwawannapong, Anyanee Kamkaew, Liang Cheng. et al. Ultra-small Pyropheophorbide-a Nanodots for Nearinfrared Fluorescence/Photoacoustic Imaging-guided Photodynamic Therapy. Theranostics. 2019

DOI: 10.7150/thno.35735

http://www.thno.org/v10p0062.htm

 

4. JACS:介孔二氧化硅纳米颗粒作为响应型磁共振成像平台

磁共振成像(MRI)是临床疾病诊断的一种重要手段。同时,MRI指导下的高强度聚焦超声(MRgHIFU)治疗也是一种强有力的靶向治疗技术。在临床应用中,MRgHIFU主要是通过产热和烧蚀来治疗癌组织,因此其在用于药物递送时往往会造成不必要的热损伤。加州大学洛杉矶分校Holden H. Wu教授Jeffrey I. Zink教授合作制备了一种生物友好的、对MRgHIFU响应的介孔二氧化硅纳米颗粒(MSN)平台,该平台可以在生理安全的温度范围内被刺激,从而降低了对周围健康组织的造成热损伤的可能性。

 

实验利用聚乙二醇(PEG)对MSN的孔进行封盖,其在无需大幅升温(约4°C)的情况下就可以对HIFU做出响应并释放负载的货物分子。该研究将FDA批准的MRI造影剂Gd(DTPA)2−作为成像分子负载于MSN上,利用MRgHIFU的三维成像和靶向能力,可以在模拟组织的凝胶体模型中实现由HIFU刺激产生的Gd(DTPA)2−的释放,而Gd(DTPA)2−的释放量则受HIFU的刺激次数和功率水平的控制,且与成像的T1值呈正相关。实验也进一步在体外的动物活体组织样本中证明了该平台可以在MRgHIFU的刺激下进行载药的释放。

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Chi-An Cheng, Wei Chen, Holden H. Wu, Jeffrey I. Zink. et al. A Responsive Mesoporous Silica Nanoparticle Platform for Magnetic Resonance Imaging-Guided High-Intensity Focused Ultrasound-Stimulated Cargo Delivery with Controllable Location, Time, and Dose. Journal of the American Chemical Society. 2019

DOI: 10.1021/jacs.9b07591

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b07591

 

5. Adv. Sci:利用对氧化还原响应的纳米容器去控制两亲性物质的细胞递送

对两亲性化合物(如被荧光标记的磷脂等)进行特异性转运是分析这些分子参与的动态细胞过程的重要先决条件。然而,如何在不应该影响细胞膜的生理完整性和形态的前提下对其进行细胞递送仍然是不小的难题。德国明斯特大学Volker Gerke教授Bart Jan Ravoo教授合作制备了一种对氧化还原响应的环糊精(CD)聚合物纳米容器,并对其向细胞内膜组分递送荧光标记的磷脂的能力进行了评估。

 

研究发现,可被还原降解的环糊精两亲物和不同的磷脂所组成的混合物是一种类脂质体的囊泡(CSSLV),而在其表面构建由胱胺交联组成的聚合物外壳后则可以得到PSSCSSLV。实验结果表明,PSSCSSLV具有很好的稳定性以及对氧化还原响应从而释放两亲性货物的能力。细胞实验则表明PSSCSSLV可以很容易地被原代人内皮细胞摄取并内化,而细胞内小体的还原微环境则可以触发两亲性货物的释放并进入细胞质基质。综上所述,这一研究开发的PSSCSSLV是一种可将类脂的两亲性物质运输到细胞内环境的高效递送系统。

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Wilke C. de Vries, Volker Gerke, Bart Jan Ravoo. et al. Controlled Cellular Delivery of Amphiphilic Cargo by Redox-Responsive Nanocontainers. Advanced Science. 2019

DOI: 10.1002/advs.201901935

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201901935

 

6. Biomaterials综述:放射性核素标记的纳米材料用于多模态成像

核医学影像已发展成为一种强有力的癌症诊断方法,它是通过直接或间接地从放射性核素中检测伽玛射线,从而构建出具有高灵敏度的、无穿透深度限制的可定量图像结果。目前的核医学成像方式主要包括单光子发射计算机断层成像(SPECT)和正电子发射断层成像(PET),而这两种成像方式都需要使用放射性示踪剂。近年来,已有研究设计了许多种放射性示踪剂来提高核医学成像性能,对实现癌症的早期准确诊断提供了有力的帮助。

 

新南威尔士大学谷子博士苏州大学曾剑峰教授合作综述了近年来核医学成像示踪剂及其在生物医学成像方面的应用进展;对用于构建示踪剂的放射性标记的纳米材料以及放射性标记方法进行了介绍,对放射性标记的纳米材料在基于核医学影像的多模态成像中的应用做了重点说明,并举出了一些典型的应用实例;最后对这一领域未来所面临的主要调整和发展方向进行了详细的讨论。

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Jianxian Ge, Jianfeng Zeng, Zi Gu. et al. Radiolabeling Nanomaterials for Multimodality Imaging: New Insights into Nuclear Medicine and Cancer Diagnosis. Biomaterials. 2019

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961219306684

 

7. Biomaterials:铋/酞菁锰纳米复合材料在三模态成像指导的光动力-光热治疗

由于治疗模式单一、激发光穿透深度有限和肿瘤微环境(TME)乏氧等原因,目前常用的光学治疗试剂的治疗效果往往较差。哈尔滨工程大学贺飞博士盖世丽博士杨飘萍教授合作设计并制备了一种具有强近红外吸收性能的新型酞菁-锰光敏剂,并将其用于对铋纳米材料进行改性从而获得了一种智能化的多功能Bi/MnPcE4纳米复合材料。

 

Bi/MnPcE4纳米复合材料中的Mn2+可以催化H2O2分解以生成O2来克服TME乏氧,进而提高光动力治疗(PDT)的疗效。并且该纳米复合材料也具有优异的T1加权MRI性能。由于该复合物具有Bi金属内核,因此它也有着更低的毒性,更好的CT成像效果以及在808nm近红外(NIR)激光下进行光热治疗(PTT)的性能。体内荧光成像结果表明该纳米复合材料可以利用EPR在肿瘤部位迅速积累,进而实现三模态成像指导的光动力-光热治疗。

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Zhao Wang, Fei He, Shili Gai, Piaoping Yang. et al. Construction of Bi/phthalocyanine manganese nanocomposite for trimodal imaging directed photodynamic and photothermal therapy mediated by 808 nm light. Biomaterials. 2019

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961219306751

 

8. Biomaterials:GdTPP/ZnTPP卟啉纳米材料用于双模态成像指导的光动力治疗

利用多功能纳米复合材料进行的双模态成像指导的光动力治疗(PDT)在肿瘤精准诊疗中具有广阔的应用前景。然而,不同的功能组分间的非均相界面相容性较差、亲水性差以及纳米复合材料的制备复杂等问题也是构建纳米复合材料所面临的主要障碍。河南大学白锋教授等人提出了一种中心金属衍生的共组装策略,该策略可以将钆卟啉(GdTPP)造影剂和锌卟啉(ZnTPP)光敏剂集成为均匀的GdTPP/ZnTPP纳米复合材料(GZNs)。

 

合成的GZNs具有以下优点:(1)可将两种具有相同基团(苯基)和不同中心金属原子(Zn和Gd)的金属卟啉材料相结合,并极大地改善了其界面相容性;(2) GdTPP纳米颗粒在与ZnTPP嵌段结合后其交差的分散性被显著改善;(3) GZNs具有良好的荧光成像、高弛豫率(8.18 mM-1 s-1)的MRI性能和产生单线态氧的能力。实验进一步利用HeLa细胞膜去包被GZNs (mGZNs)以实现免疫逃逸和肿瘤同源靶向,结果证明mGZNs在体内可以进行MRI/FL成像指导的高效PDT,抗肿瘤效率高达80.6%。

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Jiefei Wang et al. Central metal-derived co-assembly of biomimetic GdTPP/ZnTPP porphyrin nanocomposites for enhanced dual-modal imaging-guided photodynamic therapy. Biomaterials. 2019

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961219306520

 

9. JACS:构象受限的Aza-BODIPY平台作为刺激响应型光声探针

光声(PA)染料可以吸收近红外(NIR)光并产生超声波信号,因此可以在厘米级别的组装深度进行检测,其分辨率也明显高于荧光成像。因此,开发PA探针是目前研究的一大热门领域,而开发可被激活的PA探针则更是一个重大的科研挑战。

 

伊利诺伊大学香槟分校Jefferson Chan团队对Aza-BODIPY染料进行了六种修饰,并对它们的吸光度、荧光和PA性能进行了评估。结果表明,构象受限的Aza-BODIPY (CRaB)可以作为设计刺激响应性PA探针的支架材料。实验也利用这一支架合成了三种不同的对刺激响应型PA探针。体外实验结果表明CRaB PA可以在体外有效地改善比率响应(2-8倍)。最后研究通过与已有的用于检测肿瘤乏氧的乏氧响应探针进行直接比较,证明了CRaB支架材料在体内也具有很好的应用潜力。

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Effie Y. Zhou, Jefferson Chan. et al. A Conformationally Restricted Aza-BODIPY Platform for StimulusResponsive Probes with Enhanced Photoacoustic Properties. Journal of the American Chemical Society. 2019

DOI: 10.1021/jacs.9b06694

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b06694

 

10. Biomaterials综述:利用纳米材料缓解肿瘤乏氧微环境来增强癌症治疗

乏氧是肿瘤微环境的重要特征之一,它这是由于肿瘤细胞的供氧和耗氧不平衡所引起的,同时它对癌症的生长和转移也有着重要的影响,长期以来都被认为是影响癌症治疗的主要障碍之一。并且,目前临床批准的用于人类的抗癌疗法都无法直接解决这一问题,因此需要开发新的策略来克服肿瘤的乏氧障碍。

 

光州科学技术学院Giyoong Tae团队综述了近年来对用于缓解肿瘤乏氧微环境的新型纳米材料的研究进展;详细讨论了两种主要的缺氧增强策略:(1)将O2直接导入肿瘤中、(2)是通过不同的方法如催化内源性过氧化氢(H2O2)的分解和光引发的水裂解来在肿瘤微环境中原位生成O2;最后作者也对这一领域的研究方向和未来的临床转化进行了展望。

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Abhishek Sahu, Giyoong Tae. et al. Improving Cancer Therapy through the Nanomaterials-Assisted Alleviation of Hypoxia. Biomaterials. 2019

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961219306775

 

11. Acc. Chem. Res.:多肽或DNA修饰的AIE探针的生物传感应用

荧光探针被广泛应用于对细胞、组织和动物进行生物成像以及在复杂环境中对多种生物过程进行监测。在近几十年内,传统的荧光分子探针虽然取得了许多重要的进展,但在高浓度下它们的发光会被减弱或淬灭(猝灭(ACQ)效应),这也会大大降低了它们的应用效果。而与传统的荧光分子探针相比,具有聚集诱导发光(AIE效应)的荧光探针(AIEgens)反而在聚集态下会表现出更高的荧光,因此它具有背景低、可跟踪的时间长以及抗光漂白的能力强等优点,并可以作为一类荧光分子来用于对多种物质进行生物传感。

 

由于多肽和DNA具有良好的溶解度、生物相容性和识别性等性能,因此在许多生物传感应用中都会利用多肽或DNA来对AIEgen进行修饰得到 MPAPs和MDAPs。中国地质大学娄筱叮教授团队综述回顾了近10年来MPAPs和MDAPs的相关研究进展,对模块化设计策略及其在生物传感领域的应用进行了重点介绍;并在最后对这一领域的不足和未来面临的挑战进行了阐述。

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Fan Xia, Xiaoding Lou. et al. Modular Design of Peptide- or DNA-Modified AIEgen Probes for Biosensing Applications. Accounts of Chemical Research. 2019

DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00348

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.9b00348

 

12. Small:加热与配位效应可增强超分子蛋白纳米药物的光热抗肿瘤疗效

超分子蛋白纳米药物具有很好的抗肿瘤效率和较低的毒性。而关于开发具有稳定结构和增强疗效的蛋白质纳米药物的相关研究在目前仍处于起步阶段。曲阜师范大学齐伟教授中科院过程工程研究所邹千里博士闫学海研究员合作,通过加热的超分子化学方法将蛋白质、光敏剂和金属离子构建成为具有光热效应的蛋白纳米药物。研究表明,加热过程和金属配位效应不仅可以提高纳米药物的结构稳定性,而且还能提高其光热性能。

 

因此,该纳米药物具有十分优异的光热转换效率,并且可以在肿瘤部位有效富集,进而可通过光热治疗显著地抑制肿瘤生长。综上所述,这一研究不仅为制备开发高效的光热纳米药物提供了一种有效策略,也为实现精准诊疗提供了新的思路。

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Haifeng Sun, Qianli Zou, Wei Qi, Xuehai Yan. et al. Supramolecular Protein Nanodrugs with Coordinationand Heating-Enhanced Photothermal Effects for Antitumor Therapy. Small. 2019

DOI: 10.1002/smll.201905326

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201905326

 

13. Nano Today综述:作为抗氧化剂的纳米酶材料及其相关治疗应用

纳米酶是一种具有内在酶活性的纳米结构,它有着许多优异的性能如纳米级尺寸、不规则的形状、丰富的表面化学性质和低廉的生产成本等,因此它在纳米生物医学领域的应用也日益广泛。其中,将具有抗氧化酶性能的纳米酶用于治疗氧化应激引起的疾病也是目前研究的一大热门。

 

氧化应激主要表现为活性氧(ROS)的生成(如羟基和超氧自由基)与抗氧化防御系统水平之间的不平衡,而这种不平衡会导致严重的病理状态发生。伊朗科曼莎大学Hossein DerakhshankhahSamira Jafari合作对目前常见的纳米酶抗氧化剂及其治疗应用的相关研究进展进行了综述,并对这一领域的未来临床转化前景进行了展望。

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Milad Ghorbani, Hossein Derakhshankhah, Samira Jafari. et al. Nanozyme antioxidants as emerging alternatives for natural antioxidants: Achievements and challenges in perspective. Nano Today. 2019

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013219303342

 

14. Biomaterials综述:用于肌肉组织工程的导电生物材料

肌肉组织是一种对人体来说十分重要的软组织。肌肉组织发生损伤不仅会给人带来生理和心理上的痛苦,也会给政府造成沉重的财政负担,甚至发展成为严重的社会问题。目前,对肌肉组织损伤进行治疗的方法都有其各自的局限性,而肌肉组织工程则是一种很有前途的治疗策略。其中,导电生物材料因其具有良好的导电性和促进肌肉组织形成的性能而成为肌肉组织工程的一种支架材料。

 

西安交通大学郭保林教授团队综述了近年来对用于肌肉再生的导电生物材料的研究进展,对相关的合成和制备方法进行了介绍;系统地讨论了这些不同形式(如水凝胶、薄膜、纳米纤维和多孔支架)的生物材料对促进不同类型的肌肉组织的形成的作用;探讨了导电生物材料对肌肉组织形成的影响机制,并对这一领域今后的发展方向进行了展望。

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Ruonan Dong, Baolin Guo. et al. Conductive Biomaterials for Muscle Tissue Engineering. Biomaterials. 2019

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961219306830

 

15. Adv. Drug. Deliver. Rev.:纳米疗法用于促进新生儿受伤大脑的神经再生

新生儿脑损伤每年会对成千上万的婴儿造成负面影响,并有可能会导致长期甚至永久性的神经以及身体健康问题。目前,低温治疗是临床治疗足月新生儿的中度以及重度脑病的金标准。

 

然而,它并不具有很好的保护作用,因此仍然需要开发更多可恢复和促进神经再生的策略,例如通过干细胞治疗、基因治疗和纳米技术等来增强内源性的神经再生通路。加州大学旧金山分校Olatz Arteaga CabezaAlkisti Mikrogeorgiou合作对用于促进新生儿受伤大脑的神经再生的纳米治疗策略进行了综述。

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Olatz Arteaga Cabeza, Alkisti Mikrogeorgiou. et al. Advanced nanotherapies to promote neuroregeneration in the injured newborn brain. Advanced Drug Delivery Reviews. 2019

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169409X19301905

 

16. Nanoscale Horiz.综述:碳点在生物成像领域的最新研究进展

作为一种荧光纳米粒子,碳点不仅具有良好的生物相容性、低的毒性和化学惰性等优异的化学性质,而且具有广阔的激发光谱、可调的发射光谱和光稳定性等良好的光学性能,因此受到了研究人员的广泛关注。在过去的十年内,碳点在生物医学分析、光电子和能源等领域的应用都得到了深入的研究。

 

华盛顿州立大学林跃河教授吉林大学闫旭博士卢革宇教授合作,对碳点在生物成像领域的最新研究进展进行了综述,主要包括将基于碳点的探针递送至细胞或细胞器以进行体外成像的一些方法和碳点在不同体内模型中的生物分布以及用于成像指导的药物递送和治疗的相关策略;并且也对碳点在生物成像领域的应用优势、所面临的挑战和未来的发展方向进行了介绍。

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Hongxia Li, Xu Yan, Yuehe Lin, Geyu Lu. et al. Recent advances in carbon dots for bioimaging applications. Nanoscale Horizons. 2019

DOI: 10.1039/c9nh00476a

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/nh/c9nh00476a#!divAbstract

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