外科手術(shù)仍然是目前治療實(shí)體瘤有效的療法之一，新輔助療法和術(shù)后輔助療法在患者的臨床結(jié)果中起著越來越重要的作用，因?yàn)?span id="rgf2b6v" class="wpcom_tag_link">腫瘤復(fù)發(fā)和傷口感染是術(shù)后的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)。因此，為了獲得最大的治療效果，有必要采用術(shù)前和術(shù)后輔助治療相結(jié)合的方法來克服這兩個(gè)挑戰(zhàn)。類似于石墨烯，鍺烯（Ge；第14族，碳基）是最近描述的二維（2D） 烯，具有良好的穩(wěn)定性，導(dǎo)熱性和高光熱轉(zhuǎn)換效率。
【研究成果】
近日，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院青年教師Wei?Tao團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)Ji Xiaoyuan、杭州師范大學(xué)Xie Tian合作在Cell雜志旗下頂級(jí)期刊《Matter》上發(fā)表了題為“Germanene-Based Theranostic Materials for Surgical Adjuvant Treatment: Inhibiting Tumor Recurrence and Wound Infection”的文章 （附Dr. Wei Tao課題組網(wǎng)頁https://scholar.harvard.edu/wtao/bio）。作者首次把新發(fā)現(xiàn)的2D單元素材料Ge運(yùn)用在生物醫(yī)學(xué)，提出了基于2D Ge的手術(shù)前后輔助治療策略的原理論證。剝落的Ge納米片（NSs）表現(xiàn)出高載藥量，多響應(yīng)（pH和近紅外[NIR]敏感）藥物釋放行為，NIR觸發(fā)具有深部腫瘤滲透性，良好的生物相容性以及卓越的多峰成像指導(dǎo)治療。當(dāng)與水凝膠（由臨床認(rèn)可的瓊脂糖和殼聚糖組成）結(jié)合使用時(shí)，開發(fā)載藥的Ge 復(fù)合水凝膠在去除腫瘤后，將其涂在術(shù)后傷口表面。再進(jìn)行NIR輻射，產(chǎn)生的局部熱療和NIR觸發(fā)的藥物釋放立即達(dá)到了消除殘留的腫瘤和抑制殺滅細(xì)菌作用，而水凝膠則起到了長(zhǎng)期抗腫瘤，持久殺菌和加速傷口愈合的治療作用。（下附原文鏈接和示意圖1）
【圖文解析】
1.?Ge基納米片（NSs）的合成和表征，以及構(gòu)建藥物遞送平臺(tái)
Ge NSs是從Ge粉末通過簡(jiǎn)便的自上而下的液體剝離方法制備的。作者通過原子力顯微鏡（AFM）和透射電子顯微（TEM）進(jìn)行評(píng)估和分析了Ge NSs的形態(tài)。如所示圖1A和B，其平均尺寸為約60?nm，厚度為約5?nm。利用X射線光電子能譜（XPS）確定化學(xué)組分，在29.4 eV處發(fā)現(xiàn)3d5/2的特征峰，在29.8 eV處發(fā)現(xiàn)3d3/2峰，這些符合Ge的化學(xué)特性 (圖1C)。此外，為了提高Ge NSs的分散性和穩(wěn)定性，作者對(duì)其修飾了聚乙二醇（PEG）。進(jìn)一步表征了Ge NSs和PEG @ Ge NSs的拉曼光譜，結(jié)果證實(shí)了其可靠的反應(yīng)性 （圖1D）。隨后他們負(fù)載了抗癌藥阿霉素（DOX）（圖1E），離心后發(fā)現(xiàn)PEG @ Ge / DOX NS沉淀物具有典型的DOX紅色，但上清液未顯示明顯的紅色（圖1F）。圖1 G展示了在不同條件下PEG @ Ge / DOX NSs的受控藥物釋放行為，同時(shí)也證實(shí)了PEG @ Ge NSs的光熱響應(yīng)藥物釋放。NIR照射后52小時(shí)（pH 5.0）， DOX的累積釋放量急劇增加至97％。
2.?載藥Ge基NSs的體外特性
首先，在不同細(xì)胞系和血細(xì)胞中證實(shí)了PEG @ Ge NSs 的良好體外生物相容性（圖2 D）。根據(jù)藥物釋放行為的上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，PEG @ Ge / DOX NSs到達(dá)腫瘤部位后，pH和NIR激光會(huì)觸發(fā)釋放DOX。而且，小的藥物分子將完全適合于深部腫瘤的滲透，因此，PEG @ Ge / DOX NSs有望通過近紅外觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的腫瘤滲透。經(jīng)過NIR處理后，從腫瘤球體的外部到內(nèi)部，包括更深的核心，觀察到了更強(qiáng)的DOX熒光（圖2 A）。對(duì)有或沒有NIR激光照射的腫瘤球體的熒光強(qiáng)度進(jìn)行了定量，并進(jìn)一步證實(shí)了PEG @ Ge / DOX NSs的NIR誘導(dǎo)的腫瘤穿透性極佳（圖2 B和2C）。作者接著評(píng)估了基于Ge的NSs的體外抗腫瘤功效。如圖中所示圖2 E，在用100?μg/ mL PEG @ Ge NSs和NIR輻射處理的4T1細(xì)胞中，有84％的細(xì)胞被殺死，少于同等濃度的PEG @ Ge / DOX NSs的NIR輻射（98％被殺死）。還可以通過活體和死亡染色直觀地觀察到PEG @ Ge / DOX NSs與NIR的聯(lián)合治療效果，而單獨(dú)使用NIR，單獨(dú)使用PEG @ Ge NSs和對(duì)照組則沒有明顯的毒性（圖2G）。此外，僅用激光處理的4T1細(xì)胞，僅用PEG @ Ge NSs處理的細(xì)胞和對(duì)照組幾乎沒有綠色熒光和強(qiáng)紅色熒光（圖2F）。
3.?用于手術(shù)治療和抑制腫瘤復(fù)發(fā)的載藥Ge?復(fù)合水凝膠
作者制備了摻有DOX負(fù)載的Ge NS，殼聚糖和低熔點(diǎn)瓊脂糖混合的復(fù)合水凝膠（Ge/DOX@hydrogel）（圖4 A）。圖4B的TEM圖像展示了其形貌。圖4 C展示了NIR激光曝光可觀察到溫度提高加速藥物釋放行為。幾輪輻照后，上清液變成典型的DOX紅色，這表明NIR引發(fā)了Ge/DOX@hydrogel中DOX的劇烈釋放（圖4 D）。為了進(jìn)一步評(píng)估Ge/DOX@hydrogel在術(shù)后治療中對(duì)腫瘤復(fù)發(fā)的抑制作用，作者建立了原位乳腺脂肪墊腫瘤模型，G1-G4參考而G5是注射的Ge/DOX@hydrogel凝膠。如圖4E 所示，在處理期間觀察到G4和G5明顯的溫度升高。術(shù)后每2天檢查一次手術(shù)部位以確定腫瘤是否復(fù)發(fā)。此外，圖4F-4H描繪了G5中觀察到最佳的腫瘤復(fù)發(fā)抑制（4/5無復(fù)發(fā)，而1/5復(fù)發(fā)腫瘤生長(zhǎng)緩慢）。這些結(jié)果證實(shí)了Ge / DOX @水凝膠在術(shù)后局部治療期間具有優(yōu)異的腫瘤復(fù)發(fā)抑制作用，從而擴(kuò)展了Ge NSs的應(yīng)用。
4.?載藥的Ge @ Hydrogel的抗菌效果和潛在加速的傷口愈合的驗(yàn)證
考慮到細(xì)菌傷口感染是癌癥手術(shù)后常見的術(shù)后并發(fā)癥之一，作者試圖證實(shí)載藥的Ge/DOX@hydrogel更具廣譜抗菌作用。金黃色葡萄球菌（陽性）和大腸桿菌（陰性）分為六組：G1，對(duì)照組；G2，hydrogel；G3，DOX @hydrogel；G4，Ge @hydrogel；G5，Ge @hydrogel+ NIR；和G6，Ge/DOX@hydrogel+ NIR。如圖5A和5B所示，由于Ge的即時(shí)光熱殺滅與殼聚糖的長(zhǎng)期抗菌作用極好的結(jié)合，采用NIR輻射（G5和G6）的Ge/DOX@hydrogel對(duì)幾乎100％的細(xì)菌進(jìn)行了滅菌。為了進(jìn)一步研究術(shù)后感染的體內(nèi)抗菌作用，作者在小鼠中建立了傷口感染模型，并觀察了不同處理（G1-G6）后的傷口閉合和細(xì)菌殘留。如圖5C所示 ，水凝膠治療的傷口顯示出顯著更快的愈合速率比對(duì)照組的。此外，G5和G6的傷口在手術(shù)后12天內(nèi)幾乎完全愈合，而對(duì)照組的傷口面積仍約為原始傷口的16.7％±4.1％。在水凝膠處理的組中發(fā)現(xiàn)更多的具有致密結(jié)構(gòu)的肉芽組織，而在對(duì)照組中觀察到更多的壞死組織和更少的肉芽組織（圖5D）。手術(shù)后，在G2-G6中發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌要比G1中少得多。由于該處理具有出色的抗菌效果，因此特別難以檢測(cè)G5和G6中的細(xì)菌。（圖5E）。
【陳述總結(jié)】
作者提供了基于藥物的Ge NSs納米片作為智能腫瘤手術(shù)輔助療法應(yīng)用的原理證據(jù)。其基于以下事實(shí)：剝落的Ge NSs可以作為藥物遞送平臺(tái)開發(fā)，與臨床水凝膠結(jié)合使用時(shí)，可以涂敷在腫瘤切除術(shù)后的傷口表面上?？梢砸胗H水性藥物（例如DOX，裝入聚合物納米顆粒中）到此智能系統(tǒng)中。該策略證明了顯著的殘留腫瘤消除，滅菌和潛在的傷口愈合效果。因此，這種策略不僅首次將2D Ge的生物應(yīng)用提供給實(shí)體腫瘤外科輔助治療，而且還可能鼓勵(lì)未來對(duì)2D Ge的不同生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用進(jìn)行研究。
全文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520301934#!
