自然杀伤细胞启发的树枝状介孔稀土纳米颗粒强化X射线触发活性氧生成用于低剂量放疗-放射动力治疗（放射动力疗法）

《Bioactive Materials》：Natural killer cell-inspired dendritic mesoporous rare-earth nanoparticles potentiate X-ray-triggered reactive oxygen generation for low-dose radiotherapy-radiodynamic therapy

本文推荐一项针对肿瘤放疗面临的有效性不足与副作用挑战的创新研究。作者团队开发了一种多功能纳米平台——由自然杀伤细胞外泌体包覆、负载铈簇和光敏剂的树枝状介孔氧化铥纳米颗粒（TSSI-Ce6C-DMTm@NKEV）。该平台旨在增强肿瘤靶向性，缓解肿瘤缺氧，并通过同步产生羟基自由基（•OH）和单线态氧（1O2）来协同增强放疗-放射动力疗法（放射动力治疗）的疗效。实验表明，该纳米系统在低剂量X射线照射下对三阴性乳腺癌模型表现出显著的肿瘤抑制效果，且具有良好的生物安全性，为开发高效、低毒的癌症治疗策略提供了新思路。

　　

在当代临床肿瘤治疗中，放疗（放射治疗）因其在疗效、安全性和患者可及性方面的平衡，依然是应用最广泛的抗肿瘤手段之一。然而，传统放疗的疗效受到诸多因素的限制：肿瘤细胞对辐射的敏感性不足，导致需要高剂量辐射才能杀死癌细胞，而这又会严重损伤周围的健康组织，带来难以忍受的副作用。更棘手的是，许多实体瘤内部处于缺氧状态，而氧气是放疗和放射动力疗法（放射动力治疗）中产生活性氧（ROS）、诱导细胞死亡的关键因素。肿瘤缺氧不仅会直接降低放疗效果，还会诱导肿瘤细胞产生辐射抵抗性。因此，开发一种能够精准靶向肿瘤、同时缓解肿瘤内部缺氧并能在低剂量辐射下高效产生多种活性氧的“智能”纳米平台，成为了提高放疗疗效、降低毒副作用的关键挑战。

针对这一难题，重庆医科大学第二附属医院放射科的研究团队在《Bioactive Materials》上发表了一项创新性研究。他们从人体免疫系统的重要“卫士”——自然杀伤（NK）细胞中获得灵感，设计并构建了一种仿生多功能纳米颗粒。该研究开发了一种名为TSSI-Ce₆C-DMTm@NKEV的纳米系统。其核心是树枝状介孔氧化铥（Tm₂O₃， DMTm）纳米颗粒，其内部孔隙中封装了铈金属簇（Ce₆C）与一种名为TSSI的光敏剂的配位复合物。整个纳米颗粒最后被一层源自自然杀伤细胞的细胞外囊泡（NKEV）所包裹。这个“武装到牙齿”的纳米平台，旨在通过多管齐下的方式攻克肿瘤放疗的壁垒。

研究人员为开展此项研究，运用了多项关键技术方法：首先，采用油水两相系统中的粘度介导组装策略合成了树枝状介孔氧化铥（DMTm）纳米颗粒，并通过可控空间限制配位法在其孔道中原位生长铈簇并负载光敏剂。其次，通过连续微挤压技术将NK细胞来源的细胞外囊泡（NKEV）包裹在纳米颗粒表面，赋予其靶向能力。此外，研究综合利用了透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、氮气吸附-脱附测试等手段对纳米材料进行了全面的物理化学表征。在功能验证方面，利用电子顺磁共振（ESR）和荧光探针检测了X射线照射下纳米颗粒产生活性氧（如羟基自由基•OH和单线态氧¹O₂）的能力。研究主要使用人三阴性乳腺癌细胞（MDA-MB-231）进行体外实验，并通过建立该细胞的裸鼠皮下移植瘤模型进行体内药效学、生物分布和安全性评价。

制备与表征

研究人员成功制备了TSSI-Ce₆C-DMTm@NKEV纳米颗粒。表征结果显示，DMTm纳米颗粒呈直径约200纳米的球形树枝状介孔结构，Ce₆C成功原位结晶于其孔道中。NKEV包覆后在纳米颗粒表面形成了约10-20纳米厚的膜层。该纳米系统在生理环境中稳定性良好，且NKEV的包覆显著改变了颗粒的表面电位，并延长了其在血液中的循环半衰期。

体外氧供应与放射-放射动力效应

纳米颗粒中的铈簇（Ce₆C）具有类过氧化氢酶活性，能将肿瘤微环境中丰富的过氧化氢（H₂O₂）催化分解为氧气，有效缓解肿瘤缺氧。在X射线照射下，高原子序数的铥（Tm）元素能高效吸收X射线能量，增强放疗效果并产生羟基自由基（•OH）。同时，铈簇能将吸收的能量传递给邻近配位的光敏剂TSSI，激活后者产生具有细胞毒性的单线态氧（¹O₂），实现放射动力治疗。密度泛函理论（DFT）计算证实，Ce₆C与TSSI配位后，单重态与三重态之间的能隙减小，有利于促进单线态氧的产生。

体外细胞摄取与阻断研究

蛋白质印迹分析证实，包覆的NKEV膜上保留了NK细胞的关键靶向蛋白NKG2D和DNAM-1。细胞实验表明，TSSI-Ce₆C-DMTm@NKEV能通过NKG2D/DNAM-1受体介导的内吞作用，被三阴性乳腺癌细胞（MDA-MB-231）高效摄取，摄取效率显著高于未包覆NKEV的对照组。使用相应抗体进行阻断后，细胞摄取被显著抑制，证实了其受体靶向性。

体外抗癌活性与机制

体外细胞毒性实验表明，在没有X射线照射时，纳米颗粒本身对细胞基本无毒。在低剂量X射线照射下，TSSI-Ce₆C-DMTm@NKEV处理组显示出最强的癌细胞杀伤能力和诱导凋亡效果。机制研究发现，该纳米系统能在细胞内高效产生活性氧，并引发一系列级联损伤：包括细胞膜脂质过氧化、线粒体膜电位崩溃以及DNA双链断裂。转录组学分析进一步揭示，该治疗能上调细胞凋亡和氧化应激相关通路，同时下调代谢和增殖相关通路，从而将癌细胞推向死亡。

体内药代动力学、肿瘤蓄积与疗效

在小鼠肿瘤模型中，NKEV包覆显著提高了纳米颗粒在肿瘤部位的蓄积量，并延长了其在血液中的循环时间。体内治疗实验显示，静脉注射TSSI-Ce₆C-DMTm@NKEV并施以低剂量X射线照射，能最有效地抑制肿瘤生长，延长小鼠生存期。肿瘤组织切片分析显示，该治疗组肿瘤细胞凋亡最显著、增殖标志物Ki-67表达最低、缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）水平明显下降，并且DNA损伤标志物γ-H2AX和活性氧水平最高。

体内安全性

血液相容性实验、主要器官的组织病理学切片（H&E染色）以及血液生化指标检测均表明，TSSI-Ce₆C-DMTm@NKEV纳米颗粒在治疗剂量下未引起明显的系统性毒性或器官损伤。体内代谢跟踪显示，大部分纳米颗粒能在14天内通过粪便和尿液被清除。

结论与讨论

综上所述，这项研究成功地构建了一种基于自然杀伤细胞外泌体仿生包覆的、集肿瘤靶向、缺氧缓解、放疗增敏和放射动力治疗于一体的多功能纳米平台（TSSI-Ce₆C-DMTm@NKEV）。该平台巧妙地利用了铥元素的K-edge与临床X射线轫致辐射峰的匹配来增强能量沉积，利用铈簇的催化功能缓解缺氧并传递能量，最终在低剂量X射线触发下，协同产生•OH和¹O₂等多种活性氧，通过引发脂质过氧化、线粒体功能障碍和DNA损伤等多重机制，高效杀伤肿瘤细胞。

这项工作的意义在于，它为解决传统放疗面临的肿瘤靶向性差、缺氧抵抗和全身毒性大等核心难题提供了一种创新且具有高度转化潜力的策略。通过仿生设计实现精准靶向，通过催化内源性过氧化氢“自供氧”克服缺氧，并通过高原子序数元素与光敏剂的协同作用，在低辐射剂量下实现“放疗-放射动力治疗”的协同增效。该研究不仅展示了一种新型纳米放疗增敏剂的强大效力，其模块化的设计思路也为未来开发其他类型的协同抗癌纳米药物提供了有价值的参考。