邻苯三酚银纳米颗粒及纳米复合物的合成与表征及其对辐射诱导毒性的影响

纳米 化学 药物化学 生物工程 肿瘤学 生命科学 医学
纳米颗粒 纳米复合材料 辐射 细胞保护 抗炎 凋亡 生物医学应用

学术背景

癌症是全球范围内一种复杂且高发的疾病，每年导致近1000万人死亡。早期诊断和有效治疗是提高患者生存率的关键。目前，癌症的治疗手段包括手术、化疗、放疗和免疫治疗等。其中，放疗（radiation therapy）是癌症治疗的重要组成部分，尤其适用于术后阶段的患者，能够显著降低局部肿瘤复发的风险。然而，放疗也存在一些挑战，例如可能导致癌细胞产生放射抗性，并对周围正常细胞产生辐射诱导的毒性（radiation-induced toxicity）。这种毒性不仅会影响治疗效果，还可能对患者的健康造成长期损害。

近年来，纳米技术（nanotechnology）的发展为癌症治疗提供了新的思路。纳米颗粒（nanoparticles）和纳米复合材料（nanocomposites）因其独特的生物医学应用特性而备受关注。它们具有高表面积与体积比，能够提高药物的生物利用度和靶向性。特别是基于植物提取物（如焦酚，pyrogallol）的纳米材料，因其抗氧化、抗炎和抗菌特性，被认为在减少辐射诱导毒性方面具有潜力。

研究来源

本研究由来自印度Sastra Deemed University、韩国Konkuk University等多个研究机构的科研团队共同完成。论文于2025年3月27日被接受，并发表在《Bionanoscience》期刊上。研究团队包括Abirami R、Roshini Ramamurthy、Sreemadhi Parvathikandhan等多位作者，研究得到了印度科学与技术部的资助。

研究流程

1. 焦酚银纳米颗粒（Pyrogallol Silver Nanoparticles, PyNP）的合成

研究首先通过两步法合成了焦酚银纳米颗粒。具体步骤如下： - 将1 mM的焦酚溶液与1 mM的硝酸银溶液混合，反应过程中溶液颜色变化表明纳米颗粒的生成。 - 将生成的纳米颗粒进行冷冻干燥（lyophilization），并通过紫外-可见分光光度计（UV-Vis spectrophotometer）观察反应过程。

2. 壳聚糖纳米颗粒（Chitosan Nanoparticles）的合成

壳聚糖纳米颗粒的合成方法如下： - 将壳聚糖溶解于2%的醋酸溶液中，加入交联剂三聚磷酸钠（STPP），搅拌后离心并干燥。

3. 焦酚壳聚糖纳米复合材料（Pyrogallol Nanocomposite, PyNC）的合成

将合成的壳聚糖纳米颗粒与焦酚纳米颗粒混合，加入戊二醛（glutaraldehyde）作为交联剂，搅拌后静置24小时，收集沉淀并干燥。

4. 纳米材料的表征

研究使用多种技术对合成的纳米材料进行了表征： - 扫描电子显微镜（SEM）：观察纳米颗粒的形态和尺寸。 - 动态光散射（DLS）：测量纳米颗粒的粒径分布。 - Zeta电位分析：评估纳米颗粒的表面电荷和稳定性。 - 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：分析纳米材料的化学键和官能团。

5. 细胞实验

研究使用人胚胎肾细胞（HEK293）进行实验，分为六组：对照组、辐射组、辐射+PyNP组、辐射+PyNC组、单独PyNP组和单独PyNC组。实验流程包括： - 细胞培养：在37°C、5% CO₂条件下培养细胞，使用DMEM培养基。 - 辐射处理：使用直线加速器（Linac）对细胞进行10 Gy的X射线照射。 - 细胞活力检测：通过MTT法检测细胞活力，计算细胞存活率。 - RNA提取和qPCR分析：提取细胞总RNA，通过逆转录定量PCR（RT-qPCR）分析相关基因的表达。

主要结果

1. 纳米材料的表征

  • SEM分析：焦酚纳米颗粒呈球形，平均尺寸为0.36 μm；焦酚纳米复合材料中，焦酚纳米颗粒与壳聚糖纳米颗粒紧密结合。
  • DLS分析：焦酚纳米颗粒的平均粒径为133.0 nm，纳米复合材料的平均粒径为463.3 nm。
  • Zeta电位：焦酚纳米颗粒和纳米复合材料的Zeta电位分别为-13.5 mV和-21.4 mV，表明其具有较好的稳定性。
  • FTIR分析：焦酚纳米颗粒和纳米复合材料的红外光谱显示了OH、C=O等官能团的特征峰。

2. 细胞实验结果

  • 细胞活力：PyNP和PyNC在50 μg/mL和20 μg/mL浓度下分别表现出最高的细胞活力。
  • 基因表达：辐射组中，促凋亡基因（如Bax、Caspase-3、Caspase-7）表达上调，抗凋亡基因（如Bcl-2）表达下调。而在辐射+PyNP和辐射+PyNC组中，这些基因的表达趋势逆转，表明PyNP和PyNC能够减少辐射诱导的细胞凋亡。
  • 炎症和纤维化相关基因：辐射组中，TGF-β1、IL-1α和IL-7等炎症和纤维化相关基因的表达显著增加，而PyNP和PyNC处理显著降低了这些基因的表达。

研究结论

本研究表明，焦酚银纳米颗粒和焦酚纳米复合材料能够有效保护正常细胞免受辐射诱导的损伤。通过调控凋亡、炎症和纤维化相关基因的表达，这些纳米材料在减少放疗副作用方面展现出巨大潜力。研究结果为开发新型放疗辅助药物提供了重要依据，并为进一步探索纳米材料在癌症治疗中的应用奠定了基础。

研究亮点

  1. 创新性纳米材料：首次将焦酚与银纳米颗粒和壳聚糖结合，开发出具有辐射保护作用的纳米复合材料。
  2. 多维度表征：通过SEM、DLS、Zeta电位和FTIR等多种技术对纳米材料进行了全面表征。
  3. 机制研究：深入探讨了PyNP和PyNC在细胞凋亡、炎症和纤维化中的作用机制。
  4. 临床应用潜力：研究结果为减少放疗副作用提供了新的治疗策略，具有重要的临床应用价值。

研究意义

本研究不仅为纳米材料在癌症治疗中的应用提供了新的思路，还为开发更安全、更有效的放疗辅助药物奠定了基础。通过减少辐射对正常细胞的损伤，PyNP和PyNC有望提高放疗的疗效，改善患者的生活质量。未来研究可以进一步探索这些纳米材料在其他癌症类型中的应用，以及其长期安全性和有效性。