黑磷纳米片在不同细胞株内的摄取、降解和增殖抑制作用。(a)黑磷纳米片在不同细胞株内的摄取及降解;(b)黑磷纳米片在不同细胞株内所导致的磷酸水平升高;(c)和(d)黑磷纳米片与不同细胞株孵育24h和48h所引起的细胞增殖抑制现象。
■本报记者 张晶晶
作为一种新型二维纳米材料，黑磷因其独特结构和优异的物理化学性质，以及良好的生物相容性，在生物医学领域受到广泛关注。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院研究员喻学锋课题组在开发天然生物活性纳米化疗药物领域取得新进展，提出了一种基于黑磷本征生物活性的癌症活性磷疗新技术。相关工作已经发表在《德国应用化学》杂志上。
天然生物活性纳米化疗药物
癌症目前仍是人类健康的头号杀手。尽管免疫细胞疗法和靶向抗癌药物，让诸多癌症患者看到希望，但这类新型抗肿瘤疗法仍有着其缺陷。
例如，免疫细胞疗法在白血病治疗上取得了不错进展，但其对实体瘤的治疗效果仍有待提高。同时，靶向抗癌药物对癌细胞的识别特异性仍不稳定。因此，目前化学药物治疗仍是癌症治疗的主要手段。
然而，目前大多数的小分子化疗药物在杀伤癌细胞的同时，也会在正常组织或细胞中产生相似毒性，从而引起毒副作用，并给患者造成巨大痛苦。因此，对具有抗癌效用的新型药物的筛选和开发有重要的科研意义和临床价值。
随着纳米技术的飞速发展，各类新型的无机纳米材料为癌症的治疗提供了新的思路和方法。一方面，纳米材料可作为载体，有效提高药物对重量的靶向性，增强药效;另一方面，利用一些纳米材料独特的光热、磁热、光动力效应，有望发展新的肿瘤治疗技术。
目前围绕纳米材料的肿瘤治疗研究仍主要基于对其物理性能的开发，而对于纳米材料本身具有的生物活性研究严重滞后。近日，喻学锋课题组报道的基于黑磷纳米材料的天然生物活性纳米化疗药物的研究则在充分揭示其作用机理的基础上，展示了癌症治疗领域的新思路。
如果说石墨烯是材料领域内的“材料之王”，那黑磷称得上是材料领域内的一匹“黑马”。黑磷是磷的一种同素异形体，可剥离成类石墨烯的二维片层结构。二维结构的黑磷具有诸多优异的物理化学特性，已经在微电子、光电子、能源催化等诸多领域展现出不错的应用前景。同时，作为一种由单一磷元素构成的纳米材料，它也具有良好的生物活性和生物相容性，在生物医学领域展现出巨大的潜力。
喻学锋告诉《中国科学报》，目前围绕纳米材料的肿瘤治疗研究仍主要基于对其物理性能的开发，而对于纳米材料在与细胞内环境相互作用时产生的生物活性，则仅被认为是一种生物毒性作用而被忽视。
“针对这一问题，我们以黑磷为模型，通过深入研究其化学生物活性，揭示了其作为高选择性纳米化疗药物的潜能。”
活性磷疗BPT
喻学锋介绍说，在之前的研究中，他们已经成功将黑磷纳米材料应用于肿瘤光热治疗、植入材料以及生物活性大分子的细胞转运等领域。
基于这些前期工作，以及在这些工作中发现的黑磷在生理环境下复杂的降解过程和多样的活性中间产物，团队进一步探讨了黑磷纳米片在细胞内降解过程的机理和可能诱发的生物学效应。
喻学锋表示：“活性磷疗的研究可以说是一项意外所得。”
课题组研究发现，由于癌细胞旺盛的胞吞作用、较快的代谢速率和较强的氧化压力，黑磷纳米片易被癌细胞通过胞吞作用大量摄取，并被快速降解，在胞内产生大量磷酸根离子。这一过程导致癌细胞内环境改变，引起G2/M期阻滞，从而抑制癌细胞增殖。增殖抑制后的癌细胞进一步通过凋亡和自噬的途径进入程序化细胞死亡。而对于正常细胞，由于其较弱的摄取活性和代谢速率，黑磷的摄取少且降解缓慢，从而保持了很高的生物相容性。
“细胞和动物实验表明，黑磷纳米片展现出优异的抗肿瘤功效，其对癌细胞的选择性杀伤作用远优于传统化疗药物阿霉素(DOX)。并且这一抗肿瘤效应在乳腺癌、肺癌和卵巢癌等细胞株中尤为明显。”
研究团队将这一源自黑磷天然生物活性的癌细胞选择性杀伤作用称为“生物活性磷基药物疗法(Bioactive Phosphorus-based Therapy)”，简称“活性磷疗(BPT)”。该研究不仅展示了黑磷在纳米化疗药物开发领域的巨大前景，同时也揭示了纳米材料在肿瘤治疗研究领域的新方向。喻学锋介绍说，进一步的活体实验研究正在开展，而距离真正制成药物还需要很长时间。
在抗肿瘤领域的其他潜在应用
围绕新型二维材料黑磷在肿瘤治疗领域的潜力，喻学锋团队开展了系列研究工作，先后在《自然—通讯》等国际权威刊物发表论文30多篇。
黑磷的优异的近红外光学特性被应用于肿瘤的光热治疗中。光热治疗法是利用具有较高光热转换效率的材料，将其注射入人体内部，利用靶向性识别技术聚集在肿瘤组织附近，并在外部光源的照射下将光能转化为热能来杀死癌细胞的一种治疗方法。
研究团队采用了乳化溶剂挥发法，解决了裸露黑磷在生理环境下降解过快的问题，制备了一种高分子聚合物(PLGA)包裹黑磷量子点(BPQDs)的核壳结构纳米球(BPQDs/PLGA)。细胞及动物实验都表明，BPQDs/PLGA具有很好的生物安全性和肿瘤被动靶向性，并展现出很高的光热治疗效率，实施5分钟的近红外光照，即可有效地杀灭肿瘤。
除此之外，由于其优异的表面特性，黑磷也被应用于生物分子的转运。研究团队以超薄二维黑磷纳米片为载体，通过静电相互作用对CRISPR基因编辑复合体实现高效负载，从而构建了一种高效的CRISPR/Cas9基因运载体系。该转运体系具有极高的细胞转运效率，基因编辑效率和生物安全性。
实验结果显示，相对于其他纳米材料载体，该基于黑磷纳米片的CRISPR基因编辑复合体转运体系可在较低浓度下完成对不同细胞株以及动物荷瘤模型的高效基因编辑和基因沉默。这一基于黑磷纳米片的高效细胞转运体系，可进一步用于其他生物活性大分子的高效细胞转运，从而具有重要的医学研究和临床应用价值。
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