抗肿瘤又添新利器！纳米材料“黑磷”显威力

抗肿瘤又添新利器！纳米材料“黑磷”显威力小黑蚝情,无法碰触,小学生端午节的古诗, 作者：S.Yi 近日，来自中国科学院深圳先进技术研究院的研究团队发现了新型纳米材料“黑磷”精准生物分子靶向的新机制，并发表于顶级杂志《自然—纳米技术》上，此研究将区别于传统运输抗肿

作者：S.Yi

近日，来自中国科学院深圳先进技术研究院的研究团队发现了新型纳米材料“黑磷”精准生物分子靶向的新机制，并发表于顶级杂志《自然—纳米技术》上，此研究将区别于传统运输抗肿瘤药物的纳米功效，而是与生物系统的PLK1激酶分子发生直接的相互作用，阻断细胞周期，为研发新型临床可用的抗肿瘤纳米药物提供理论依据。

图1 DOI: 10.1038/s41565-021-00952-x

纳米技术从理化到医学的应用纳米，指百万分之一米 (10-9m)的量级，英文“nanometre”，有意思的是，前缀“nano”为希腊语，意思是“矮人”或非常小的东西。那么，纳米究竟有多小呢，作为对比，一根人类头发的厚度为 60,000 纳米，而 DNA 双螺旋的半径为 1 纳米（图2）[1]。

图2 纳米材料尺寸的比较（图源doi：10.1039/C4CS00177J）

纳米技术是21世纪最有前途的技术之一。纳米科学和纳米技术在不同科学领域都在不断进步与扩展。在物理上用不同的显微镜观察从微观到纳米甚至更小尺度的事物，在化学上观察从微观尺寸的块状物质到更小尺寸的碳点，在计算机科学上从房间大小的计算机发展到移动超薄笔记本电脑，在生物科学中可深入观察细胞核的行为以研究纳米级的单个复杂生物分子[2]。

图3 纳米技术在不同科学领域的进展（图源doi: 10.3390/molecules25010112）

然而，纳米技术最重要的进步在于生物医学领域，尤其是癌症治疗领域，因为它们可以提供创新解决方案来克服传统化疗和放疗方法所带来的局限性。

肿瘤纳米医疗的进展与挑战

抗癌纳米药物已经研究了 30 多年，但今天批准用于临床治疗的制剂不到 10 种。通常情况下，纳米粒子应用于常规药物以提高其疗效并降低晚期癌症治疗后的发病率。

抗肿瘤药物被包裹或共价连接到纳米载体，共价连接的优点是每个纳米颗粒的治疗分子数量精确，而材料的封装提供了更大的灵活性。包裹抗肿瘤药物的纳米载体，通过靶向癌症病变提高递送效率，以期提高肿瘤内的药物浓度，同时限制对健康器官的毒性。

总体而言，被批准的抗癌纳米药物，都是选择性增加恶性肿瘤中抗癌药物浓度，但最低限度降低健康组织的副作用[3]。

图4 纳米药物到达肿瘤微环境的发展（图源doi: 10.3390/nano11071727）

在过去的几十年中，大量纳米载体正在从临床前实验转向临床试验，并最终被批准用于癌症治疗。纳米医学靶向肿瘤微环境的驱动力可以是被动的，也可以是主动的。被动传递依赖于松散的肿瘤血管（EPR效应）和低pH值（Warburg效应），而主动传递可以通过结合高亲和力分子直接识别肿瘤抗原。

而今，各种新型和先进的纳米载体材料已经被设计用于药物递送，包括脂质体、聚合物、碳纳米管、DNA 折纸和外泌体。

黑磷纳米的直接抗癌生物学作用

黑磷（Black Phosphorus，BP）是一种由单一磷元素构成的新型纳米材料，具有独特的分子结构和界面特性，且其较高的生物活性和生物可降解特性，在肿瘤治疗等生物医学领域有巨大的的应用潜能。

目前开发的多种基于纳米材料的抗癌策略，例如增强的药物递送和靶向效率等，都是主要基于纳米材料的物理特性，如形状、尺寸、电子透明度和光/磁特性，但对其固有的生物活性知之甚。而黑磷作为新型具有生物活性的纳米材料，可在分子细胞层面与生命系统产生相互作用，并抑制肿瘤细胞增殖。

黑磷纳米材料通过抑制PLK1激酶阻滞中心体分离导致有丝分裂缺陷[4]

BP 纳米材料治疗显着延迟了肿瘤细胞的有丝分裂进程并最终导致细胞凋亡。从机制上讲，BP 纳米材料会破坏有丝分裂中心体，从而导致多极纺锤体形成，这归因于早期有丝分裂期间外中心粒周围材料与中心体的内聚力受损。在分子水平上，BP 纳米材料通过使中心体激酶 PLK1 失活来执行此操作。通过这种机制，BP纳米材料在肿瘤异种移植小鼠中表现出优异的抗肿瘤作用。

图5 BP 纳米材料的独特生物学机制（图源 doi: 10.1038/s41565-021-00952-x）

这项研究通过BP纳米材料说明，即使是纯无机类型的纳米材料也可以通过与有丝分裂信号传导的直接和特定的分子相互作用产生独特的内在纳米生物效应。

参考资料

[1] Gnach A , Lipinski T , Bednarkiewicz A , et al. Upconverting nanoparticles: assessing the toxicity[J]. Chemical Society Reviews, 2015, 44(6):1561-84.

[2] Bayda S , Adeel M , Tuccinardi T , et al. The History of Nanoscience and Nanotechnology: From Chemical–Physical Applications to Nanomedicine[J]. Molecules, 2020, 25(1)

[3] Chiang C L , Cheng M H , Lin C H . From Nanoparticles to Cancer Nanomedicine: Old Problems with New Solutions[J]. Nanomaterials, 2021, 11(7):1727.

[4] Ximing Shao, Zhihao Ding, et al. Intrinsic bioactivity of black phosphorus nanomaterials on mitotic centrosome destabilization through suppression of PLK1 kinase[J]. Nat Nanotechnol, 2021 Aug 5. doi: 10.1038/s41565-021-00952-x.

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