基于稀土纳米材料的放疗增敏方法研究

Current studies showed an obvious conflict between theoretical predictions and experimental results in nanoparticles-assistant radiosensitization of cancer therapy, and therefore resulted in an unclear radiosensitization mechanism. Thus, a big challenge still remains in the design of nanomaterials for further enhancement of radiotherapy. Upconversion nanoparticles (UCNs) with lanthanides possess the features of great diversity of kinds, controllable probability of different effects when interact with X ray, and potentially high attenuation cross-section, and therefore are ideal models for demonstrating the mechanism of radiotherapy enhancement. In this project, we are aiming at the questions on “mechanism of photoelectric effect under X-ray irradiation”, “whether pair-production is helpful for radiosensitization”, and “whether short-term second-electrons can be utilized”. By the theoretical analysis on the interaction between X ray and UCNs, the influences of UCNs structure and composition on various effects and resultant electrons should be demonstrated. The experiments would be performed on cancer cells (in vitro) and animal models (in vivo) with adjusting the structure, composition, and surface modification for targeting organelles of UCNs, and the energy and dose of X ray as well. The influence of interactions between different UCNs and X ray on radiosensitization should therefore be demonstrated, and the method for nanoparticles design should be established. This work may provide a solid basis for improving efficacy and lowering side-effect for the most import tool of cancer therapy.

纳米颗粒的放疗增敏研究中理论研究与实验结果的不一致、及其导致的增敏机理不明的问题，是阻碍对纳米材料进行优化设计以进一步提高放疗增敏效率的关键瓶颈。稀土上转换类纳米材料（UCNs）具备种类多样、受X射线辐照发生不同效应的概率可控、以及可能的更高衰减效率等特点，本项目以UCNs为模型，将该瓶颈分解为“材料受X射线辐照时发生光电效应概率的机理”、“电子对效应是否对放疗增敏起作用”和“短距离湮灭的二次电子在放疗增敏中的利用”三个科学问题，通过X射线与UCNs相互作用理论模拟，探索UCNs不同结构和成分对产生各类效应及产生光电子、二次电子等的影响；在此基础上通过UCNs结构、成分、以及细胞器靶向等因素的控制，进行肿瘤细胞和小鼠模型实验，探索X射线辐照后产生的各种效应杀死肿瘤细胞的作用机理，并据此建立优化放疗增敏效率的纳米材料设计方法，从而为提高最重要的肿瘤治疗手段—放疗的效率、降低副作用打下基础。

放疗是目前临床干预肿瘤的重要方法，但具有极大的副作用。采用纳米技术对放疗进行增敏、使其治疗效率提高，可以减少放疗剂量，从而减小副作用，减轻患者痛苦，因而具有重要的社会意义和应用前景。本项目提出采用稀土纳米材料进行放疗增敏的新思路，探索如何提升纳米材料放疗增敏效率的新原理。研究围绕三个方面的内容开展：1）设计、合成不同种类纳米颗粒，对其进行表面修饰设计，探索相关材料因素对其与X射线相互作用的影响；2）纳米颗粒与细胞的相互作用、放疗增敏效果及其作用原理的探索；3）动物模型内的放疗增敏能力研究。研究取得了如下进展：1）发现纳米材料设计时应考虑其主要元素k边能量与X射线源能量谱线峰位的匹配；2）通过对材料不同的表面修饰、实现对癌细胞线粒体靶向能力，进一步发现纳米材料与X射线相互作用时产生的活性氧可因此被利用，导致增敏效率的提高；3）发现某些正电荷修饰表面可以致使纳米颗粒通过穿细胞效应增强在肿瘤内的扩散，从而导致增敏效率的提升。研究提出了具备应用潜力的数种新型稀土纳米材料，考察了影响其增敏能力的几个重要因素，并探索了调控这些因素而提升增敏能力的新方法，为其今后的转化提供了理论基础。在项目的支持下发表SCI论文6篇，申请发明专利1项，参加国际学术会议3次，协办会议1次，培养博士4名（2名已毕业）。