设计制备诊疗一体化Bi2S3基异质结构纳米材料用于肿瘤的CT成像和光动力学及光热治疗

It is important to design theranostic nanomaterials for early diagnosis and therapy of cancer. Bismuth (Bi) is an ideal CT contrast agent due to the high atomic number and X ray attenuation coefficient. Bi2S3, as a semiconducting material with narrow band gap, can be irradiated by near infrared light to generate free electron, facilitating electron-hole separation and reactive oxygen specie (ROS) generation, which can be used for photodynamic therapy (PDT). Furthermore, the nonradiative recombination of the produced electrons and holes can boost crystal lattice vibration, leading to heat generation, which is useful for photothermal therapy (PTT). This project will engineer Bi2S3 heterostructured nanomaterials based on Bi2S3 nanorods with functionality of CT imaging to improve their PDT and PTT therapeutic effects. On the one hand, Bi2S3-TiO2 heterostructured nanomaterials will be prepared to facilitate NIR irradiated electron transferring from Bi2S3 to TiO2, resulting in the separation of electron and holes and the generation of ROS, and enhancing the PDT effects. On the other hand, Bi2S3-Au heterostructured nanomaterials will be prepared to embed deep level defects in Bi2S3, which enhance the rate of the nonradiative recombination and result in improved PTT effect. This project provides a new method for designing theranostic nanomaterials and has a significant effect on cancer diagnosis and treatment.

设计诊疗一体化纳米材料对癌症的早期诊断及治疗具有重大意义。铋元素由于具有高的原子序数和X射线衰减系数而成为较为理想的CT造影剂。Bi2S3较窄的带隙（1.3 eV）使得电子可以被近红外光激发而导致电子空穴分离，产生活性氧物种，为光动力学治疗（PDT）提供途径，另外电子和空穴发生非辐射复合而产生的晶格振动能够提高环境温度，为光热治疗（PTT）提供基础。本项目拟对具有CT成像功能的Bi2S3纳米棒进行结构改性,实现其光动力及光热治疗：一方面制备Bi2S3-TiO2异质结构，使得近红外光激发出的电子能够经异质界面从Bi2S3流向TiO2，促进电子空穴分离，从而提高PDT效果；另一方面制备Bi2S3-Au异质结构，引入深能级缺陷，增强电子-空穴对的非辐射复合几率，提高环境温度，从而增强PTT效果。本项目为新型纳米诊疗一体化系统的设计提供了崭新的思路，对癌症的诊疗有重要意义。

设计诊疗一体化纳米材料对癌症的早期诊断及治疗具有重大意义。铋元素由于具有高的原子序数和X射线衰减系数而成为较为理想的CT造影剂。作为窄带隙（1.3 eV）半导体，硫化铋（Bi2S3）纳米材料可被近红外光激发产生自由电子和空穴。当电子和空穴发生分离时，会产生活性氧物种（ROS），用于光动力学治疗（PDT）；当电子和空穴发生非辐射复合，会产生晶格振动，提高环境温度，用于光热治疗（PTT）。本项目系统的研究了Bi2S3的光热和光动力性质，并以此为基础设计具有CT成像功能的Bi2S3异质结构纳米材料，以提高其产生热量或者ROS的能力，提高光热和光动力治疗效率。一、目前，已被研究发现具有近红外光响应的光热纳米材料的光热性质主要由表面等离子体共振所引起。本项目提出Bi2S3纳米材料中深能级缺（铋取代硫）引起光热现象这一新机制，并以此为基础设计Bi2S3–Au异质结构纳米材料，通过增加深能级缺陷密度和电子–空穴的非辐射复合几率提高光热效率，进而提高Bi2S3纳米材料CT成像指导下的PTT效率；二、肿瘤的抗氧化应激能力以及光敏剂中电子和空穴的复合是限制光动力治疗效率的两个不利因素。本项目利用能级错配关系，通过结合血红素氧合酶-1（HO-1）小分子抑制剂锌原卟啉（ZP），形成可伸缩调节ZP分子的Bi2S3–ZP异质结构纳米材料，使其能够降低HO-1活性并促进光生电子空穴分离。结果表明当Bi2S3–ZP通过进入肿瘤组织，在正常体温下，远离Bi2S3的ZP分子能与HO–1酶的活性位点结合，抑制HO–1的抗氧化活性，为PDT治疗创造有利的微环境。在近红外光的激发下，Bi2S3加热肿瘤组织使其温度升高，缩短Bi2S3和ZP之间的距离，光生空穴由Bi2S3转移至ZP分子，达到光生电子和空穴有效分离，产生更多的ROS，进一步提高肿瘤PDT效率；三、肿瘤的乏氧微环境限制了PDT过程中ROS的产生，目前存在的氧气共给系统在时间和空间上不能很好地满足光敏剂的需求。本项目设计了Bi2S3–Bi Z型异质结构纳米材料，在近红外光照射下，Bi2S3价带产生光生空穴并分解水产生氧气，产生的氧气在Bi导带光生电子的还原作用下生成ROS。该设计可在近红外光照射下在单纳米颗粒水平实现时空同步的ROS生成和氧气的自我供给，有效提高PDT效率。以上研究成果为癌症诊疗一体化纳米材料的设计提供新思路，对癌症诊疗有重要意义。