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物理化学学报  2018, Vol. 34 Issue (2): 140-167    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201707174
所属专题: 高被引科学家特刊
综述     
多功能纳米材料在肿瘤放疗增敏中的应用
龚林吉1,3,谢佳妮1,3,朱双1,谷战军1,3,*(),赵宇亮1,2,3,*()
1 中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室,中国科学院高能物理研究所,北京100049
2 中国科学院纳米科学卓越创新中心,国家纳米科学中心,北京100190
3 中国科学院大学,北京100049
Application of Multifunctional Nanomaterials in Tumor Radiosensitization
Linji GONG1,3,Jiani XIE1,3,Shuang ZHU1,Zhanjun GU1,3,*(),Yuliang ZHAO1,2,3,*()
1 CAS Key Laboratory for Biomedical Effects of Nanomaterials and Nanosafety, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China
2 CAS Center for Excellence in Nanoscience, National Center for Nanoscience and Technology of China, Beijing 100190, P. R. China
3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China
 全文: PDF(4112 KB)   HTML 输出: BibTeX | EndNote (RIS) |
摘要:

放射治疗是利用放射线治疗肿瘤的一种局部治疗方法,目前已成为临床上最常用、最有效的恶性肿瘤治疗手段之一。但放射治疗仍存在辐射剂量高、对健康组织副作用大,特别是肿瘤细胞放射抵抗性强等缺点。随着纳米医学的发展,多功能纳米放疗增敏剂为增强肿瘤细胞放射敏感性、提高放疗效果提供了新机遇。本文结合纳米材料在放疗增敏中的优势和潜能,概括了纳米放疗增敏剂的主要类型和目前已进入临床实验的一些实例,简述了多功能纳米放疗增敏剂在肿瘤放射治疗中的应用,并归纳了纳米材料增敏放疗的主要途径和影响因素。最后总结和展望了多功能纳米放疗增敏剂面临的挑战和发展前景。

关键词: 放射治疗纳米放疗增敏剂放疗增敏机制纳米医学    
Abstract:

Radiation therapy kills tumor cells via focused high energy radiation, and has become one of the most common and effective clinical treatments for malignant tumors. However, some limitations restrict its clinical efficacy, including a requirement for elevated doses of radiation, side effects due to exposure of healthy tissue, and especially radioresistance of tumor cells. With the development of nanomedicine, multifunctional nanoradiosensitizers offer a new route to improve the efficiency of radiation therapy. In this paper, we summarize the main types of nanoradiosensitizers and their applications in radiation therapy, especially those that have currently entered clinical trials. We also summarize the main approaches to nanomaterials-based radiosensitization, and discuss the factors influencing their application. Finally, the challenges and prospects of multifunctional nanoradiosensitizers are presented.

Key words: Radiation therapy    Nanoradiosensitizer    Radiosensitization mechanism    Nanomedicine
收稿日期: 2017-05-29 出版日期: 2017-07-17
中图分类号:  O644  
基金资助: 国家重点基础研究发展计划(2016YFA0201600);国家重点基础研究发展计划(2016YFA0202104);国家重点基础研究发展计划(2015CB932104);国家自然科学基金(31571015);国家自然科学基金(11621505);国家自然科学基金(11435002);国家自然科学基金(21320102003);中国科学院青年创新促进会基金(2013007)
通讯作者: 谷战军,赵宇亮     E-mail: zjgu@ihep.ac.cn;zhaoyl@nanoctr.cn
作者简介: 谷战军, 2002年本科毕业于华中科技大学, 2007年于中国科学院化学研究所获得博士学位。现为中国科学院高能物理研究所、中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室研究员。主要从事纳米材料的生物效应和安全性研究|赵宇亮,博士,研究员,中国科学院“百人计划”入选者,国家杰出青年科学基金获得者,科技部纳米重大研究计划项目首席科学家,中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室主任,国家纳米科学中心副主任。主要从事纳米材料的生物效应分析和放射化学的研究
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龚林吉
谢佳妮
朱双
谷战军
赵宇亮

引用本文:

龚林吉,谢佳妮,朱双,谷战军,赵宇亮. 多功能纳米材料在肿瘤放疗增敏中的应用[J]. 物理化学学报, 2018, 34(2): 140-167.

Linji GONG,Jiani XIE,Shuang ZHU,Zhanjun GU,Yuliang ZHAO. Application of Multifunctional Nanomaterials in Tumor Radiosensitization. Acta Physico-Chimica Sinca, 2018, 34(2): 140-167.

链接本文:

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201707174        http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2018/V34/I2/140

图1  辐射与DNA的直接或间接相互作用12
图2  X射线与含高原子系数元素纳米材料相互作用
ElementZX-ray mass attenuation coefficient
at 100keV (cm2?g-1)
I531.94
Ba562.2
Gd643.11
Dy663.36
Yb703.88
Lu714.03
Hf724.15
Ta734.3
W744.44
Pt784.99
Au795.16
Bi835.74
表1  部分重金属元素的X射线质量衰减系数
图3  牛血清蛋白(BSA)修饰的超小多钨酸钆纳米团簇GdW10O36用于肿瘤放疗132
图4  低能光子和高能光子与半导体量子点相互作用的示意图162, 165
图5  WS2量子点用于肿瘤热疗和放疗协同治疗112, 121
图6  精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)和肾上腺皮质多肽(ACPP)修饰的Au@Se-R/A纳米复合物用于肿瘤化疗和放疗协同治疗38
图7  基于(a)双激发能量源89和(b)单激发能量源176的光动力治疗示意图
Synergistic typeNanomaterialSurface
modification
Size/nm(nm2)Experiment parameterCell typeRef.
PTT sensitized RTAuPEG, CD4458.14 ± 4 (TEM)Laser: 808 nm, 2.5 W·cm?2
Dose: 4 Gy, 6 MV X ray
4T1 cells242
AuPB, PEG, PEI138.8 (DLS)Laser: 808 nm, 2.5 W·cm?2
Dose: 4 Gy, 6 MV X ray
4T1 cells217
AuPEG54 ± 9 (TEM)Laser: 808 nm, 0.75 W·cm?2
Dose: 6 Gy, 6 MV X ray
KB, U14 cells39
Au@PtPEG~30 (TEM)Laser: 808 nm, 1 W·cm?2
Dose: 4 Gy X ray
4T1 cells243
Pt@Fe2O3DHCA4 × 65 (TEM)Laser: 808 nm, 0.75 W·cm?2
Dose: 4 Gy X ray
4T1 cells244
carbonAg, PEG~20 (TEM)Laser: 375 nm, 7 W·cm?2
Dose:1 Gy/min X ray
LNCaP, Du145,
F11-hTERT cells
165
MoS2PANI, PEG5.3 (TEM)Laser: 808 nm, 1.5 W·cm?2
Dose: 6 Gy X ray
HUVECs, 4T1
cells
218
WS2LA-PEG~3 (TEM, AFM)Laser: 808 nm, 1 W·cm?2
Dose: 6 Gy X ray
HeLa, HepG2 cells112
BiPEG, LyP-13.6 (HRTEM)Laser: 1064 nm, 0.6 W·cm?2
Dose: 4 Gy X ray
4T1, L02 cells111
Bi2S3BSA, 99mTc6.1 ± 0.9 (TEM)Laser: 808 nm, 0.75 W·cm?2
Dose: 4 Gy X ray
4T1 cells123
Bi2Se3BSA, 99mTc2.7 ± 0.3 (TEM)Laser: 808 nm, 1 W·cm?2
Dose: 6 Gy X ray
3T3, 4T1 cells126
Bi2Se3FeSe2, PEG,
64Cu
~100 (TEM)Laser: 808 nm, 0.5 W·cm?2
Dose: 4 Gy X ray
4T1 cells128
MnSe@Bi2Se3PEG132× 105 (TEM)Laser: 808 nm, 0.6 W·cm?2
Dose: 4 Gy X ray
4T1, HeLa cells125
Cu3BiS3PMAO, PEG8 × 25 (TEM)Laser: 1064 nm; 1 W·cm?2
Dose: 8 Gy X ray
4T1 cells129
Cu3BiS3TPGS~15 (TEM)Laser: 1064 nm; 0.3 W·cm?2
Dose: 6 Gy X ray
HUVECs, Bel-7402 cells130
CuSPEG, 64Cu11.9 (TEM)Laser: 980 nm, 2.5 W·cm?2
Dose: 7.4 MBq/mouse
Hth83-lucif cells245
CuSPEG, 64Cu11.0 ± 5.1 (TEM)Laser: 808 nm, 1.5 W·cm?2
Dose: 7.4 MBq/mouse
4T1 cells246
CuSPEG, 131I~20 (TEM)Laser: 808 nm, 0.5 W/cm2
Dose:50 μCi/mouse
4T1 cells247
Mn/Hf-IR825PDA, PEG~110 (DLS)Laser: 808 nm, 0.3 W·cm?2
Dose: 6 Gy X ray
4T1, 293T, HeLa
cells
221
NaYbF4:Er3+/
Gd3+
CuS, Silica,
PEG
45 (TEM)Laser: 980 nm, 1.5 W·cm?2
Dose: 6 Gy X ray
Hela cells134
Chemotherapy
sensitized RT
AuPEI, Cisplatin50 (SEM)Dose: 10 Gy γ rayGBM cells197
Au@SeRGD, ACPP~120 (TEM)Dose: 4 Gy, 6 MV X rayA375, L02 cells38
SePEG500 (TEM)Dose: 8 Gy X rayHeLa, NIH3T3
cells
185
TaOxPEG, SN-38,
Fe3+, 99mTc4+
101 ± 29 (TEM)Dose: 8 Gy X ray4T1 cells105
Ta2O5PEG/DOX~80 (DLS)Dose: 6 Gy X ray4T1 cells224
ZnOTfR Ab, DOX20 × 50 (TEM)Dose: 2 Gy X raySMMC-7721
cells
177
Fe3O4@ZnOTfR Ab, DOX200 (TEM)Dose: 2 Gy X raySMMC-7721
cells
178
FePtcysteamine3 (TEM)Dose: 2-8 Gy, 6 MV X
ray
HEK293T,
HeLa cells
225
NaYF4:Yb/Er/T
m/Gd
SiO2, mSiO2,
PVP, MMC,
TAT
47 (TEM)Dose: 8 Gy X rayMCF-7, MCF-
7/ADR cells
201
DocetaxelPLGA, TPGS130-150 (SEM)Dose: 2-8 Gy X rayA549, CNE-1
cells
193
Genexol-PM(23.91 ± 0.41) (DLS)Dose: 3 Gy X rayNSCLC, A549
cells
189
PDT sensitized
RT
PDA-
PEG/Cur/Ce6
100 (SEM, DLS)Laser: 660 nm, 5
mW·cm?2
Dose: 6 Gy X ray
A549 cells207
Hf-TCPPPEG80-150 (TEM)Laser: 661 nm, 5
mW·cm?2Dose: 6 Gy X ray
4T1, HeLa,
NIH3T3 cells
89
GdEuC12Hyp4.6 (DLS)HeLa cells248
SrAl2O4:Eu2+MC540, mSiO273.5 ± 26.9 (TEM)Dose: 0.5 or 5 Gy X rayU87MG cells
H1299 cells
234
235
LaF3:Ce3+PPIX, DMSO,
PLGA
~2 μmDose: 3 Gy X rayPC3 line230
ZnS:Cu, CoTBrRh1234 (TEM)Dose: 2 Gy X rayPC3 line249
SiC/SiOxH2TPACPP~60 (TEM)Dose: 2Gy, 6 MV X rayA549 cells250
Cu-Cy50-100Dose: 5 Gy X rayMCF-7 cells238
LiYF4:Ce3+ZnO, SiO2, PEG33.8 (TEM)Dose: 8 Gy X rayHeLa cells176
Gene therapy
sensitized RT
HSAcmHsp70.1,
miRNA, PEG
~180 (SEM)Dose: 2-10 Gy X rayU87MG, LN229
cells
239
PLGAEGFR ASOs(116 ± 25.2) (SEM)Dose: 4 Gy X raySCCVⅡ cells240
Fe3O4Dextran, E1ADose: 50 Gy, 6 MV X
ray
HeLa cells241
Combination
therapy
W18O49PVPLaser: 980 nm, 1.2 W·cm?2
Dose: 6 Gy X ray
4T1 cells113
NaYF4:Yb/Er/T
m@NaGdF4
SiO2, mSiO2,
PVP, Dtxl, HP
93.5 (DLS)Laser: 980 nm, 2.5 W cm?2
Dose: 8 Gy X ray
HeLa cells219
表2  多功能纳米材料用于肿瘤放疗综合治疗的一些实例
NameFormulationSizeIndicationsClinicalTrials.gov
Identifier & Clinical Trial Phase
Ref.
NBTXR3
(PEP503)
HfO2~50 nmSoft Tissue SarcomaNCT02379845 (Phase Ⅱ/Ⅲ)77, 84, 86, 251, 252
Head and Neck CancerNCT02901483 (Phase Ⅰ/Ⅱ)
Prostate CancerNCT02805894 (Phase Ⅰ/Ⅱ)
Rectum cancerNCT02465593 (Phase Ⅰ/Ⅱ)
Liver CancerNCT02721056 (Phase Ⅰ/Ⅱ)
Oropharynx carcinomaNCT01946867 (Phase Ⅰ)
AGuIXGd(4 ± 1) nmBrain metastasesNCT02820454 (Phase Ⅰ)72, 73, 257
表3  中文纳米放疗增敏剂的临床转化实例标题
图8  多功能纳米放疗增敏剂的主要种类和增敏途径
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