钯壳孔隙度调控的金核钯壳双金属纳米颗粒在模拟抗癌质子放疗中的放射增敏效应研究

本研究针对质子放疗(PRT)中肿瘤细胞放射抵抗性问题，合成了具有不同钯壳孔隙度的金核钯壳双金属纳米颗粒(AuPd NPs)，通过系统表征和体外实验证明多孔纳米树莓结构(AuPd NRs)相比致密核壳结构(AuPd CSs)能显著增强质子放疗效果，同时对正常细胞毒性较低，为开发新型纳米放射增敏剂提供了重要理论依据和实践指导。

随着纳米技术在生物医学领域的广泛应用，金属纳米颗粒作为放射增敏剂在癌症治疗中展现出巨大潜力。传统光子放疗(X射线或γ射线)存在损伤健康组织的风险，而质子放疗(Proton Radiotherapy, PRT)因其"布拉格峰"特性能够精准靶向肿瘤组织，显著减少对周围正常组织的伤害。然而，肿瘤细胞对质子束的抵抗性仍然是提高治疗效果的关键挑战。近年来，高原子序数金属纳米颗粒通过物理机制(如光电子效应、俄歇电子发射)和化学机制(如活性氧物种生成)增强放疗效果的研究取得重要进展，但针对质子放疗的纳米增敏剂设计原则仍不明确，特别是双金属纳米颗粒中壳层结构特性对增敏效果的影响尚未系统研究。

为深入探究这一问题，波兰科学院核物理研究所Bartosz Klębowski、Joanna Depciuch等研究团队在《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》发表了创新性研究成果。研究人员通过精确控制合成温度，成功制备了两种具有相同尺寸(约20nm)和形状(球形)但钯壳结构迥异的金核钯壳双金属纳米颗粒：致密核壳结构(AuPd Core-Shells, AuPd CSs)和多孔纳米树莓结构(AuPd NanoRaspberries, AuPd NRs)，系统比较了它们在模拟质子放疗中的放射增敏性能。

研究采用了几项关键技术方法：通过扫描透射电子显微镜(STEM)结合高角度环形暗场探测器(HAADF)和能量色散X射线光谱(EDS)分析纳米颗粒形貌和元素分布；利用X射线衍射(XRD)和选区电子衍射(SAED)表征晶体结构；采用紫外-可见光谱(UV-Vis)和X射线光电子能谱(XPS)分析光学性质和表面化学状态；通过MTS法和流式细胞术评估细胞毒性和凋亡情况；创新性地使用全息断层扫描显微镜(holotomographic microscopy)实时观测纳米颗粒与细胞的相互作用。实验选用两种侵袭性不同的结肠癌细胞系(SW480低侵袭性、HCT116高侵袭性)和正常结肠上皮细胞(CRL-1790)作为模型，使用IBA Proteus C-235回旋加速器产生225MeV质子束进行照射。

研究结果部分展现了丰富的发现：

"3.1. Synthesis and physicochemical characterization of AuPd NPs"部分通过详尽的材料表征表明，两种纳米颗粒虽具有相同的核心尺寸(金核约16nm)和壳层厚度(2-3nm)，但表面结构存在显著差异。低温合成(约3°C)的AuPd CSs呈现连续致密的钯壳层，而较高温度合成(约12°C)的AuPd NRs则形成多孔、不规则的"树莓状"结构。EDS元素 mapping 显示AuPd NRs具有更高的Pd/Au原子比(77:23 vs 66:34)，XPS分析证实钯主要以金属态存在。UV-Vis光谱显示AuPd NRs在538nm处出现更明显的金表面等离子共振吸收峰，表明其壳层孔隙度允许金核与外界环境发生更强相互作用。

"3.2. Viability changes in cells induced by the AuPd NPs and by AuPd NPs-assisted proton irradiation"部分的细胞毒性实验表明，两种纳米颗粒在浓度低于75μg/ml时对所有测试细胞系均未显示显著毒性。在质子放疗实验中，AuPd NRs展现出显著更强的放射增敏效果：经AuPd NRs增敏的PRT处理后，HCT116和SW480细胞存活率分别降至66%和58%，而AuPd CSs组细胞存活率仍保持在80%左右。流式细胞术检测凋亡率结果与MTS实验结果一致，且正常上皮细胞在联合治疗后仍保持良好状态。

"3.3. Evaluation of cellular uptake using holotomographic microscopy"部分通过创新性的全息断层扫描显微镜技术揭示了纳米颗粒与细胞相互作用的动态过程。研究发现AuPd NRs能更快地被HCT116和CRL-1790细胞摄取，18小时后在细胞内占据的体积(AuPd NRs: 2345μm³和2500μm³)显著大于AuPd CSs(1750μm³和2920μm³)。值得注意的是，SW480细胞与纳米颗粒共培养12-18小时后出现细胞脱落和变圆现象，表明其对纳米颗粒更为敏感，这与其在放疗实验中表现出的更高敏感性相一致。

研究结论强调，钯壳孔隙度是影响金钯双金属纳米颗粒放射增敏性能的关键因素。多孔的AuPd NRs凭借其高度发达的比表面积，提供了更多的活性位点用于与质子束相互作用，通过增强催化活性氧物种(ROS)生成等化学机制，显著提高了质子放疗的效果。这种结构效应在质子放疗中比在传统光子放疗中更为重要，因为在质子放疗中，纳米颗粒的增敏作用主要来自化学和生物效应而非物理剂量增强效应。

该研究的重要意义在于首次系统论证了双金属纳米颗粒壳层结构特性对其放射增敏性能的直接影响，为设计新一代纳米放射增敏剂提供了明确的材料设计原则。多孔纳米结构不仅增强了放射增敏效果，还显示出在药物递送方面的潜在应用价值，因其能够携带更多药物分子。研究成果对推进质子放疗技术与纳米医学的融合应用具有重要指导价值，为开发更高效、更安全的癌症综合治疗策略奠定了坚实基础。