LED光通过高密度纳米定位的光热效应作用于细胞膜，从而抑制恶性肿瘤的生长

传统光热疗法存在正常组织损伤和癌细胞抗凋亡问题。本文设计靶向 folate 受体的 FA-Au-Ag NPs-NW 构建物，利用金-银异质结构增强局部表面等离子共振效应，在温和LED照射下实现高密度纳米尺度高效光热转换（PCE提升），精准破坏癌细胞膜结构，抑制HSP保护通路，诱导凋亡，避免药物依赖。

邱玉杰|戴海浪|赖毅|邱浩健|黄一琳|丹茹|张楠|王友|陈先锋

上海交通大学物理与天文学院先进光通信系统与网络国家重点实验室，上海200240，中国

摘要

在传统的光热疗法（PTT）中，强激光辐射对周围正常组织的附带损伤，以及癌细胞在温和热疗（PTT）中的抗凋亡和细胞保护机制，严重限制了肿瘤治疗的效果。本文提出了一种靶向叶酸修饰的金银纳米粒子-纳米线结构（FA-Au-Ag NPs-NW），该结构能够特异性地结合到过度表达叶酸受体的癌细胞膜上。这种结构在温和的常规LED照射下可实现高效的高密度纳米级光热转换，这一特性源于双金属Au-Ag异质结构的增强局部表面等离子体共振（LSPR）效应。体外和体内研究均表明，该结构可以避免对正常组织的附带损伤，有效抑制癌细胞的抗凋亡和细胞保护途径，并通过光-物质相互作用诱导癌细胞凋亡，无需使用治疗药物。这项工作为肿瘤治疗提供了一种有前景的策略，并扩展了LED诱导的温和温度PTT在疾病管理中的应用。

引言

近年来，针对实体瘤的局部和非侵入性治疗方法受到了广泛关注。光热疗法（PTT）作为一种有前景的抗癌策略，利用近红外（NIR）光吸收剂杀死癌细胞[1]、[2]、[3]、[4]。光热剂（PTAs）吸收NIR光并将其转化为热能，从而通过热损伤实现肿瘤消融。因此，理想的PTA应在NIR区域具有强吸收能力、高光热转换效率以及优异的光热稳定性。值得注意的是，PTT诱导的肿瘤坏死需要高强度NIR激光照射，以产生超过50°C的局部温度[5]、[6]。然而，高强度NIR激光的强照射会导致显著的非特异性热扩散，不可避免地会对周围正常组织造成附带损伤，并给患者带来难以忍受的热灼伤[7]。更糟糕的是，激光诱导的热疗会加剧免疫抑制性细胞因子的产生，从而促进肿瘤复发，降低PTT的治疗效果[8]、[9]、[10]。为了克服这些缺点，人们采用了低于45°C的温和热疗PTT，这种疗法通过影响某些蛋白质的活性来扰乱细胞周期，甚至诱导细胞凋亡。同时，它还可以暂时增加光热纳米剂在加热肿瘤部位的输送和积累[11]。看似温和温度PTT规避了传统PTT的局限性，在未来的临床应用中显示出巨大潜力。然而，如果没有辅助疗法，由于癌细胞在温和热疗下的抗凋亡和细胞保护途径被激活[12]、[13]、[14]，温和温度PTT无法完全根除肿瘤。例如，热休克反应（HSP）会保护细胞免受热损伤，显著降低PTT的效果[15]。因此，迫切需要开发能够增强光热疗法抗癌效果的策略。已经提出了一些多功能纳米材料，将PTAs与辅助剂结合使用，以克服温和温度PTT在临床实践中的局限性。例如，将温和温度PTT与多种HSP抑制机制、自噬调控、靶向核策略和免疫疗法结合[14]、[16]、[17]、[18]。尽管临床前研究表明一些纳米治疗剂具有双重治疗功能，但它们在疾病部位的低积累、复杂的合成路线和潜在毒性仍是一个挑战，可能阻碍其临床转化[19]。因此，迫切需要开发能够在低能量照射下表现出光热和促凋亡功能的肿瘤靶向纳米材料。

为了解决这些瓶颈，我们开发了一种纳米结构，其中金纳米粒子随机生长在银纳米线上，并将叶酸分子附着在金纳米粒子上（FA-Au-Ag NPs-NW）（附着面积小于100 nm²）。这种靶向叶酸（FA）修饰的金银纳米粒子-纳米线结构不仅能特异性地结合到癌细胞膜上，还能在光照下通过局部表面等离子体共振（LSPR）产生光热效应。同时，由于FA-Au-Ag NPs-NW表面多种金纳米粒子的共振吸收效应，LED光的光能被转换成热能，从而避免强激光辐射对周围正常组织的附带损伤。与温和热疗下癌细胞抗凋亡和细胞保护途径的激活不同，LED照射下金纳米粒子和银纳米线表面产生的局部表面等离子体共振（LSPR）能够立即将LED光能转化为强烈的热能。其中，FA-Au-Ag NPs-NW附着在肿瘤细胞表面的热区域非常小（图1a），高温区域小于100 nm²。最终，细胞膜上紧密吸附FA-Au-Ag NPs-NW的磷脂双层会被高温烧灼形成孔洞，使纳米结构能够自由进出。此外，热量的产生是瞬时的，防止癌细胞有足够的时间激活保护性生化过程，如膜修复、产生热休克蛋白（HSP）和抗凋亡因子。我们的实验结果强烈支持这一假设。因此，这种方法代表了一种不依赖于生物药物或抑制剂的促凋亡物理疗法。通过使用由LED光激活的靶向晶格物理治疗纳米平台（FA-Au-Ag NPs-NW），该策略减轻了高能量激光疗法对正常组织的损伤，并迅速克服了温和温度PTT中细胞生化抗性的治疗效率低下问题。全面的体外和体内评估表明，与传统非靶向纳米平台相比，这种纳米平台显著提高了肿瘤细胞系和小鼠异种移植体的光热转换效率（PCE），验证了这一创新范式在精确肿瘤治疗中的转化潜力（图1）。

FA-Au-Ag NPs-NW的表面修饰和表征

FA-Ag NPs-NW的精确制备过程如图1所示。首先合成Au-Ag NPs-NW，详细步骤见补充材料的第I部分（图S1和S3）。然后使用SH-PEG2000-FA对纳米粒子进行修饰，得到FA-Ag NPs-NW。扫描透射电子显微镜（STEM）图像和元素映射确认了FA分子在Au-NPs-NW表面的高密度结合（图……）

结论

我们提出了一种叶酸（FA）靶向的FA-Ag NPs-NW结构，该结构能够选择性结合到癌细胞膜上，并在LED照射下通过局部表面等离子体共振（LSPR）产生纳米级光热效应。这一平台避免了强激光PTT所固有的对周围正常组织的附带损伤，以及癌细胞在温和热疗条件下的抗凋亡和细胞保护途径的激活。此外，我们还引入了一种独特的……

材料

卵巢癌细胞系SK-OV-3（RRID: CVCL_0C84）和人卵巢癌细胞A2780（RRID: CVCL_0134）来自上海中桥新洲生物科技有限公司（上海，中国）。细胞在含有10%胎牛血清（FBS，Hyclone，Thermo Fisher，美国）、2 mM谷氨酰胺（Corning，美国）和1%青霉素/链霉素（Corning，美国）的RPMI 1640培养基（ATCC修改版，Gibco，Thermo Fisher，美国）中培养，培养条件为37°C，气氛中含有5%的CO2。

卵巢癌细胞（a2780）的光化学肿瘤治疗

1. 制备含有金粒子的银纳米线（本实验中使用的纳米线溶液浓度均为原始溶液的三分之一，即每1 mL原始溶液稀释至3 mL纳米线溶液中）。2. 将纳米线溶液加入含有贴壁a2780细胞的培养皿中，最终浓度为2%（20 μl/mL）或5%（根据实验梯度控制）。

数据随机化声明

所有数据收集都是随机的，细胞样本被随机分配到不同的实验组中。此外，实验条件和刺激呈现也是随机的。但是，参与数据收集和分析的研究人员并未对实验条件知情。没有数据被排除在分析之外。

作者声明

所有作者都已审阅并批准了提交的最终手稿版本。我们确认本文为我们的原创工作，之前未发表过，也未在其他地方考虑发表。

CRediT作者贡献声明

陈先锋：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、概念构思。张楠：资源提供。王友：资源提供。丹茹：资源提供、方法学设计。邱浩健：方法学设计、数据管理。黄一琳：方法学设计、数据管理。邱玉杰：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、资源提供、方法学设计、实验研究、数据分析、数据管理。赖毅：初稿撰写、方法学设计、实验研究、数据分析。

伦理批准和参与同意

所有动物实验均符合国家和机构的动物护理指南，并得到了上海交通大学医学院附属仁济医院动物实验伦理委员会的批准。小鼠在无特定病原体的条件下饲养，并随机分配到各实验组。所有小鼠均提供无菌饮用水并自由进食。六至八周大的BALB/c-nu和C57BL/6小鼠……

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（NSFC）（项目编号：12574361）、上海市科技重大项目（项目编号：2019SHZDZX01–06）和上海市自然科学基金（项目编号：23ZR1428400）的支持。

邱玉杰目前是上海交通大学物理与天文学院的博士研究生。她毕业于吉林大学，目前在陈先锋和戴海浪的研究小组攻读博士学位，主要研究方向是生物光子学。