绿色合成金包覆纳米金刚石作为质子疗法的潜在放射增敏剂

《Nanoscale Horizons》：Green-synthesized gold-coated nanodiamonds as potential radiosensitizers for proton therapy

本文报道了一种利用白睡莲根提取物绿色合成金包覆纳米金刚石（NDAu）的新方法。研究系统评价了不同热预处理（退火与氧化）对两种尺寸（50 nm和230 nm）纳米金刚石表面性质及其金涂层形成的影响，并通过多种技术（如UV-Vis、PXRD、SEM/TEM、PIXE等）证实了金涂层的成功构建及其理化特性。生物学评估表明，氧化处理的NDAu（Ox NDAu）在A549肺癌细胞中展现出良好的生物相容性、更高的细胞摄取效率以及作为质子疗法放射增敏剂的潜力，能显著增强质子辐照下的细胞杀伤效果。这项工作为开发可持续的多功能纳米诊疗平台提供了新策略。

　　

新概念

本研究提出了一种新颖且可持续的方法，利用绿色化学原理合成金-纳米金刚石（NDAu）杂化纳米结构。通过使用白睡莲（Nymphaea alba）根提取物作为环保的还原剂和稳定剂，成功地在经过不同热处理的两种尺寸（50 nm和230 nm）纳米金刚石上包覆了金，避免了有毒试剂或苛刻条件的使用。据作者所知，这是首篇关于绿色合成杂化金包覆纳米金刚石的报告，所得结构具有生物相容性，在生物医学应用中潜力巨大。通过放射增敏过程，这些金缀合纳米金刚石可在增强放射疗法（尤其是质子疗法）有效性方面提供显著益处，同时在成像和光热治疗中也有重要贡献。

引言

癌症治疗常见手段包括手术、化疗和放疗。质子疗法利用质子束独特的深度-剂量分布（布拉格峰），能更精确地靶向肿瘤，但其相对生物有效性（RBE）仅为1.1。因此，开发新的放射增敏剂对提高治疗效果至关重要。纳米金刚石（ND）因其生物相容性、易功能化和穿透生物屏障的能力，在癌症诊疗中备受关注。其氮空位（NV）中心赋予其优异的光稳定性和光致发光特性，适用于生物成像。将金纳米颗粒与纳米金刚石结合，可协同发挥ND的稳定性、生物相容性与金的等离子体、催化特性，在生物成像、传感和治疗（如表面增强拉曼光谱、光声成像、免疫传感、热消融）方面展现出多功能性。金的高原子序数（Z）使其成为良好的放射增敏剂，金包覆纳米金刚石可通过促进次级电子产生和活性氧（ROS）来增强辐射对癌细胞的DNA损伤。本研究采用绿色化学方法，使用Nymphaea alba根提取物合成NDAu，并对其理化性质及在A549肺癌细胞中的生物活性进行了初步评估。

材料与方法

使用两种商业纳米金刚石（中值直径50 nm和230 nm），先进行退火（800 °C，N₂气氛，2小时）得到Ann ND，部分再氧化（500 °C，空气，12小时）得到Ox ND。利用Nymphaea alba根提取物作为还原剂，通过超声和搅拌过程，将HAuCl₄原位还原并包覆在ND表面，生成Ann NDAu和Ox NDAu。表征技术包括UV-Vis光谱、PXRD、ATR-FTIR、拉曼光谱、PIXE、SEM、TEM、DLS和Zeta电位测量。生物学评价采用A549人肺癌细胞系，进行细胞毒性（MTT法和ATP发光法）、细胞存活（克隆形成实验）和细胞摄取（PIXE/EBS、SEM）研究。细胞在经NDAu处理后，使用2.0 MeV质子束进行辐照（吸收剂量17 Gy）。

结果与讨论

表面修饰与NDAu表征

热处理有效改变了ND表面性质：退火促进了sp²/sp³碳相重组和石墨化，而氧化则选择性去除了非金刚石碳和残留有机物，增加了表面含氧官能团。Ox ND在水中的分散性显著改善。UV-Vis光谱显示NDAu在~545-550 nm处出现金纳米颗粒的局部表面等离子体共振（LSPR）吸收带，证实金涂层形成。FTIR光谱揭示了NDAu表面存在源自植物提取物的多酚和黄酮类化合物特征峰（如1700 cm^-1处的C=O伸缩，1445 cm^-1处的C-O-H弯曲），表明植物化学成分不仅作为还原剂，也参与了表面功能化。拉曼光谱中，金包覆后金刚石特征峰（~1320 cm^-1）强度显著降低或消失，证实了金涂层的存在；氧化处理有效降低了ND的D带和G带强度，表明表面sp²碳被选择性蚀刻。PXRD证实NDAu中存在金刚石相和面心立方（FCC）结构的金属金相，金微晶尺寸在7-12 nm之间。PIXE分析显示，氧化处理的NDAu（尤其是230 nm样品）金含量更高（Ox NDAu 230: 41.06% vs. Ann NDAu 230: 19.62%），表明氧化表面更利于金沉积。SEM和TEM显示金纳米颗粒以球形或准球形分布在ND表面，但覆盖度不均，存在聚集。Zeta电位测量表明，金包覆后，尤其是退火样品，其电位负值增大（如Ann NDAu 230从-3.84 mV变为-39.3 mV），胶体稳定性提高。氧化NDAu分散性更好。在细胞培养基中，NDAu的LSPR峰发生红移，表明蛋白质冠快速形成，但颗粒在24小时内保持完整。

细胞研究

ATP发光法和MTT法评估显示，Ox NDAu在浓度高达100 μg mL^-1时，对A549细胞活力影响很小（>80%存活率），表明良好生物相容性。Ann NDAu 230在48小时孵育后细胞活力下降至70%以下，可能与较大尺寸和聚集倾向有关。克隆形成实验表明，单独使用10或20 μg mL^-1Ox NDAu 50可使细胞存活分数（SF）显著降低（修饰因子比<1.6）。经17 Gy质子辐照后，所有组SF均显著下降，但用20 μg mL^-1Ox NDAu 50处理的细胞SF显著低于未处理辐照对照组（修饰因子比2.2），显示出放射增敏效果。细胞摄取研究（以金为标记）显示，Ox NDAu 50在细胞内的金分布更均匀，金浓度在冷点（28 ± 4 mg g^-1）和热点（81 ± 9 mg g^-1）差异较小（约3倍），而Ann NDAu 50差异显著（约13倍），表明Ox NDAu分散性更好，摄取更高效。3D分布图证实Ox NDAu 50能更有效地内化并分布在整个细胞厚度内，而Ann NDAu 50的金沉积更多集中在细胞表层。SEM图像也支持Ox NDAu被细胞内化。

结论

本研究成功通过绿色化学方法合成了金刚石-金杂化纳米结构（NDAu），Nymphaea alba根提取物有效充当了还原剂。多种表征技术证实了金涂层的成功构建。表面处理（尤其是氧化）显著改善了NDAu的稳定性和分散性。生物学评价表明，氧化NDAu具有良好的生物相容性和高效的细胞摄取能力，并能作为有效的放射增敏剂增强质子疗法对A549肺癌细胞的杀伤效果。表面化学在决定生物相互作用中起着关键作用。绿色合成的NDAu在生物成像、靶向药物递送和放射增敏等生物医学应用中具有广阔前景。未来研究将侧重于进一步阐明其放射增敏机制及探索其他表面修饰。