天然腐植酸光熱劑

Zhaohua Miao，Kai Li，Peiying Liu，Zhenglin Li，Huanjie Yang，Qingliang Zhao，Manli Chang，Qingzhu Yang，Liang Zhen，Chengyan Xu 著 李永健 張 敉* 譯

1 哈爾濱工業(yè)大學材料科學與工程學院 哈爾濱 150001

2 哈爾濱工業(yè)大學微系統(tǒng)與微結(jié)構(gòu)制造教育部重點實驗室 哈爾濱 150080

3 哈爾濱工業(yè)大學生命科學與技術(shù)學院 哈爾濱 150080

4 哈爾濱工業(yè)大學理學院凝聚態(tài)科學與技術(shù)研究所 哈爾濱 150080

5 廈門大學公共衛(wèi)生學院分子影像暨轉(zhuǎn)化醫(yī)學研究中心分子疫苗學和分子診斷學國家重點實驗室 廈門 361102

6 哈爾濱醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院檢驗科 哈爾濱 150001

7 昆明理工大學生命科學與技術(shù)學院 昆明 650500

天然來源的生物材料具有優(yōu)異的生物相容性和生物降解性，與化學合成的生物材料相比，往往是臨床試驗的首選材料，可能也更易獲得食品和藥品管理局的批準。迄今為止，大量的天然生物材料已用于不同的生物醫(yī)學應用，如用于外科縫線的膠原蛋白、用作藥物載體的海藻酸鈉或殼聚糖以及用作止血粉的纖維蛋白。然而，當前大多數(shù)天然生物材料通常功能有限，無法滿足現(xiàn)代醫(yī)學從群體轉(zhuǎn)向個體的日益增長的需求，而這個需求也是個體化治療的基本特征之一。例如，最近，以診斷模式和治療技術(shù)結(jié)合為理念的治療學在可能促進個體化治療的實施過程中引起了激烈討論，包括臨床醫(yī)生尋求在治療前方便地定位病變組織，在治療過程中監(jiān)測治療過程，以及在治療后評估治療效果的多功能生物材料（即治療劑）的設計和開發(fā)。在眾多的治療藥物中，用于光聲（PA）斷層成像和光熱治療（PTT）的近紅外（NIR）吸光劑因其無創(chuàng)性和副作用較小的優(yōu)勢引起了關(guān)注。眾所周知，吸光劑包括等離子體金屬納米結(jié)構(gòu)、銅基半導體、碳納米材料、2 維石墨烯類似物和有機共軛聚合物，它們通常具有良好的光熱性能，但生物降解性卻相對較差，導致其長期安全性受到了關(guān)注。近年來，人們主要關(guān)注的幾種具有良好生物降解性或快速腎清除能力的吸光生物材料有卟啉納米囊泡、Fe3+鎵酸納米點、多金屬氧酸簇、甲黃素、脫鎂素和類黑素。以類黑素為例，通過葡萄糖和氨基酸的美拉德反應制備的類黑素不僅具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，而且具有良好的生物降解性和高效的腎清除率。但即便如此，考慮到進一步臨床試驗的可行性，直接使用高度生物相容性和可生物降解的天然生物材料仍然是光誘導診斷和治療的更優(yōu)選擇。

腐植酸和黃腐酸是腐殖物質(zhì)的兩個主要組分，它們是微生物通過生物降解動植物殘體而自然形成的，約占地球總碳源的50%。腐植酸是一種復雜的大分子，可溶于堿性介質(zhì)，部分可溶于水。由于存在豐富的官能團（酚羥基、羧基、烯醇基、醌基等），腐植酸表現(xiàn)出一些令人驚喜的特性，例如易于與金屬離子螯合，具有抗氧化、抗炎和可再生電子受體，因此已廣泛應用于農(nóng)業(yè)、環(huán)境、生物醫(yī)學和能源領(lǐng)域。令人印象深刻的是，在不同的文化背景下，腐植酸應用于醫(yī)學領(lǐng)域已歷時幾個世紀甚至更長的時間。據(jù)報道，早在古巴比倫和羅馬帝國，含有高腐植酸的沼地泥炭就被用來促進傷口愈合。自中國古代明朝以來，著名的藥物“烏金散”就被用于婦科疾病治療，近期發(fā)現(xiàn)其活性成分就是腐植酸物質(zhì)。迄今為止，盡管具體的成分和結(jié)構(gòu)尚不明確，但腐植酸已被證明在許多疾病的預防和治療中是有效的，特別是對肌肉骨骼、婦科和皮膚疾病。已開發(fā)的市售藥物有Salhumin 和Humet-R 糖漿。由此可見，腐植酸在一些特定的生物醫(yī)學應用中是安全的。然而，據(jù)我們所知，腐植酸的治療應用尚未得到證實，因此，擴大傳統(tǒng)腐植酸的生物醫(yī)學應用范圍是非常必要和有價值的。在此，基于從紫外（UV）到近紅外區(qū)域（圖1）內(nèi)的本征吸收，我們首次證實了腐植酸鈉（SH），即腐植酸鈉鹽，可作為一種有前途的用于光誘導光聲成像和PTT的治療劑。我們采用了先前報道中的腐植酸分子模型進行研究。與大多數(shù)先進的光治療劑相比，SH 具有以下幾個突出的優(yōu)點：（1）SH 具有高光熱轉(zhuǎn)換效率，高達76.3%；（2）SH 長期用于生物醫(yī)學，具有良好的生物相容性；（3）SH 是非常便宜和豐富的。

圖1 用于腫瘤光誘導光聲成像和光熱治療的腐植酸鈉示意圖Fig.1 Schematic representation of sodium humate for light-induced photoacoustic imaging and photothermal therapy of tumor

分別采用離心法和滲析法純化了Aldrich 市售的腐植酸鈉，去除了不溶性殘留物和小分子。值得注意的是，這里使用腐植酸鈉代替腐植酸，是因為腐植酸在水中的溶解度相對較差。冷凍干燥后，純化的黑色SH 粉末非常蓬松，可以很好地重新分散在水-磷酸鹽緩沖鹽（PBS）和細胞培養(yǎng)基中（圖S1，補充信息），放置超過2 個月后未觀察到沉淀（圖S2，補充信息）。SH 的這種良好分散性應歸因于SH 的高zeta 電位（ζ）。0.5 和2 mg/mL 的SH，ζ 電位分別高達-46.56±1.83 和-45.37±2.92 mV。通過動態(tài)光散射（DLS）法測定的濃度為0.02、0.05、0.1、0.2、0.5 和2 mg/mL 的SH 溶液的平均流體動力學直徑分別為345.4±50.1、340.3±16.9、224.5±10.3、210.1±9.5、144.5±2.7 和127.7±4.4 nm（圖S3，補充信息）。這些結(jié)果表明，SH 溶液的流體動力學直徑隨著SH濃度的增加而減小。如圖2（a）所示，激光照射后出現(xiàn)典型的丁達爾現(xiàn)象，表明SH 溶液的膠體特性。由于SH 同時具有親水性和疏水性結(jié)構(gòu)，使得SH 可以形成膠束。但是，在TEM 圖像中無法觀察到規(guī)則的納米顆粒（圖S4，補充信息）?？赡艿脑蚴歉菜徕c分子間弱的或不一致的相互作用隨著水分的蒸發(fā)而改變，導致形成了不規(guī)則形態(tài)。能量色散X 射線光譜（EDS）分析結(jié)果表明，SH 主要由C、O 和Na 組成（圖S5，補充信息）。SH 的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）證實了許多基團的存在，例如酚羥基、羧基和醌基（圖S6，補充信息）。

圖2 （a）SH 溶液的可見-近紅外吸收光譜。（b）SH 溶液在808 nm 處的吸光度隨濃度變化的擬合曲線。（c）在808 nm 激光照射下，不同濃度的SH 溶液和去離子水的升溫效應。（d）不同濃度的SH 溶液照射10 min 后對應的溫度變化。Fig.2 (a) The vis-NIR absorption spectra of SH solutions.(b) The f itting curve of the absorbance of SH solutions at 808 nm as a function of concentrations.(c) Temperature elevation of SH solutions with diff erent concentrations and deionized water under 808 nm laser irradiation.(d) The corresponding temperature changes of diff erent concentrations of SH solutions for 10 min irradiation.

溶解在PBS 溶液（pH=7.4）中的SH 的吸收光譜如圖2（a）所示?？梢?近紅外區(qū)域的寬吸收帶可能是由于電子供體（如多羥基芳香族和苯酚）和電子受體（如醌）的相互作用非常接近引起的。吸光度隨著波長的增大而減少，這與氧化石墨烯、黑磷和類黑素的吸收類似。圖2（b）顯示，SH 在808 nm 處的吸光度隨濃度的增大呈線性增強，進一步證實了SH 在水中的良好分散性。圖2（b）是不同濃度（0.125 至2 mg/mL）的SH 溶液的相應照片。如圖S7（補充信息）所示，在360、450 和570 nm的激發(fā)波長下未觀察到熒光，表明腐植酸鈉的熒光量子產(chǎn)率極低。進一步對SH 溶液的光熱性能進行了評價。在輸出功率為2 W 的808 nm 激光照射10 min 后，具有梯度濃度（0、0.125、0.25、0.5、1 和2 mg/mL）的SH 溶液隨著溫度升高顯示出明顯的時間和濃度依賴性，而對照組中去離子水顯示出較小的溫度變化[圖2（c），（d）]。例如，濃度為1 mg/mL 的SH 溶液的溫度在10 min 內(nèi)從21.6 ℃升高到53.9 ℃，這足以用于光熱消融癌細胞。

為了進一步評估光熱能力，根據(jù)先前報道的方法計算SH 的光熱轉(zhuǎn)換效率（η），確定SH 的η為76.3%[圖3（a），（b）]，遠高于包括金納米棒（21%）、Cu9S5納米顆粒（25.7%）、MoS2（24.37%）、銻烯量子點（45.5%）、黑磷量子點（28.4%）的大多數(shù)先進的光熱劑。腐植酸鈉光熱轉(zhuǎn)換效率高的可能原因包括羥基芳香供體和醌類受體之間強的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移相互作用、低熒光量子產(chǎn)率和可忽略的光散射。而且，使用溴化十六烷基三甲銨（CTAB）包覆的金納米棒作為對照，計算出金納米棒的η為28.2%（圖S8，補充信息），略高于先前報道的金納米棒（21%），這可能是由不同的激光功率和不同的金納米棒濃度引起的。此外，還評估了SH 的光熱穩(wěn)定性。如圖3（c）、（d）所示，經(jīng)過3 次重復照射循環(huán)后，SH 溶液的溫度變化幾乎保持不變，并且SH 溶液的吸光度在激光照射30 min 前后幾乎相同，表明SH 具有優(yōu)異的光熱穩(wěn)定性。高光熱轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)異的光熱穩(wěn)定性說明SH 在作為光誘導PTT 和PAT 的治療劑上具有很大的潛力。

圖3 （a）在激光照射（808 nm，2 w）下，SH 溶液（2 mL，1 mg/mL）的加熱/冷卻曲線。（b）從冷卻周期獲得的時間數(shù)據(jù)與-lnθ 的擬合線性曲線，計算出傳熱的時間常數(shù)（τs）為541.7 s。（c）濃度為0.5 mg/mL 的SH 溶液3 次重復照射循環(huán)的加熱/冷卻曲線。（d）SH 溶液照射前后30 min 的可見-近紅外吸收光譜。Fig.3 (a) The heating/cooling curves of SH solution (2 mL,1 mg/mL) under laser irradiation (808 nm,2 W).(b) The f itting linear curve of time data versus -lnθ acquired from the cooling period,and the time constant (τs) for heat transfer was calculated to be 541.7 s.(c) Heating/cooling curves of SH solution with a concentration of 0.5 mg/mL for three times repeated irradiation cycles.(d) Vis–NIR absorption spectra of SH solution for 30 min before and after irradiation.

生物材料臨床應用的一個普遍關(guān)注問題是生物相容性。采用標準MTT[3-（4，5-二甲基-2-噻唑）-2，5-二苯基溴化四氮唑噻唑藍]法評估天然SH 的細胞毒性。如圖4（a）和圖S5（補充信息）所示，作用于HeLa、Panc-1 和HUVEC 細胞24 或48 h 后，未觀察到SH 的明顯細胞毒性[圖2（g）、（h）；圖S9（補充信息）]。例如，即使在2 mg/mL高濃度的SH 下，HeLa 細胞的存活率也可以超過98%。此外，如補充信息中圖S10 所示，即使在8 mg/mL 高濃度的SH 下，培養(yǎng)24 h 后HeLa 細胞的存活率仍為85.4%，表明沒有明顯的細胞毒性。當SH 濃度達到10 mg/mL 時，HeLa 細胞的存活率為55.3%，顯示出一定的細胞毒性。而且，我們還進行了體外溶血試驗。如圖S11（補充信息）所示，在與不同濃度的SH 孵育6 h 后，觀察到紅細胞（RBC）的溶血可以忽略不計，這表明SH 具有良好的血液相容性。這些結(jié)果表明，SH 在生物醫(yī)學應用中具有超低的細胞毒性。

圖4 不同處理的HeLa 細胞熒光顯微鏡圖像及HeLa 細胞在不同濃度的SH 溶液中不同時間后的存活率Fig.4 Fluorescence microscopy images of HeLa cells with diff erent treatments and the viability of HeLa cells exposure to SH solutions with diff erent concentrations for diff erent time

基于SH 的超低細胞毒性和高光熱性能，本研究對腫瘤細胞的光熱消融進行了評估。HeLa 細胞經(jīng)含有不同濃度SH 的培養(yǎng)基孵育4 h 后，用NIR 激光（808 nm，4 W/cm2）照射10 min。照射后分別用鈣黃綠素乙酰氧基甲酯（AM）和碘化丙啶染色HeLa 細胞，觀察活細胞與死細胞。如圖4（a）～（f）所示，當HeLa 細胞單獨用激光照射或SH 處理時，在整個孔中觀察到鮮艷的綠色熒光，表明沒有發(fā)生明顯的細胞死亡。相反，當HeLa 細胞同時接受激光照射和SH 處理時，出現(xiàn)紅色熒光，表明SH 具有出色的光熱效應，從而導致細胞死亡，并且隨著SH 濃度的增加，細胞死亡數(shù)增加。通過標準MTT法進一步定量評估光熱消融能力。如圖4（i）所示，HeLa 細胞的活力隨著SH 濃度的增加而降低，與上述熒光染色結(jié)果一致。當在濃度為1 mg/mL 的SH溶液中孵育時，只有不到16%的細胞在照射下存活，表明SH 結(jié)合近紅外光可以通過明顯的光熱效應有效誘導細胞死亡。

為了進一步證明SH 的光熱能力，用攜帶HeLa 腫瘤的Balb/c 裸鼠作為動物模型進行了體內(nèi)PTT 試驗。將20 只小鼠隨機分為4 組，分別為“對照”組、“僅激光”組、“僅SH”組和“SH+激光”組，瘤內(nèi)注射SH 溶液（25 μL，10 mg/mL）后，使用紅外熱像儀監(jiān)測激光照射（808 nm，1.1 W/cm2）期間的溫度變化。值得注意的是，盡管注射濃度為10 mg/mL，但在活體組織中的有效腐植酸鈉濃度遠小于10 mg/mL，因為向小鼠注射腐植酸鈉后，可在短時間內(nèi)擴散到周圍組織。如圖5（a）所示，“SH+激光”組中，腫瘤區(qū)域的溫度在10 min 內(nèi)從36.3 ℃升高到59.7 ℃，高到足以消融腫瘤。相比之下，“激光”組的溫度變化僅約為5.2 ℃。治療后，從不同組中提取腫瘤組織，并通過組織學蘇木精和伊紅（H&E）染色獲得相應的腫瘤切片，如圖5（b）所示?！癝H+激光”組出現(xiàn)明顯的核破裂、核固縮和核溶解，提示嚴重的腫瘤壞死損傷，而其他3 組均未出現(xiàn)腫瘤損傷現(xiàn)象。黑色箭頭表示核破裂，紅色箭頭表示核固縮，黃色箭頭表示核溶解。此外，TUNEL 法檢測表明，僅在“SH+激光”組中觀察到明顯的綠色熒光，表明細胞嚴重凋亡，這與H&E 染色結(jié)果一致（圖S12，補充信息）。每隔2 天測量腫瘤體積和小鼠體重。如圖5（c）所示，“SH+激光”組的腫瘤在激光照射后被消除，只留下黑色疤痕，在第12 天消失，20 天內(nèi)沒有復發(fā)腫瘤。相反，其他3 組的腫瘤體積均達到約700 mm3，表明腫瘤生長迅速。試驗還通過數(shù)碼相機記錄了詳細的腫瘤變化，不同組小鼠的代表性照片如補充信息中的圖S14所示。

此外，在20 天內(nèi)，4 組的體重幾乎相同，表明SH 或激光照射幾乎不影響小鼠生存狀態(tài)。隨后處死小鼠，相應的腫瘤照片如圖5（e）所示。腫瘤大小和重量的變化與其體積增長一致[圖5（e）；圖S14（補充信息）]。這些結(jié)果證明，通過瘤內(nèi)注射SH，結(jié)合近紅外激光可有效地在體內(nèi)消融腫瘤。為了評估SH 是否引起體內(nèi)毒性，我們提取了“SH+激光”組治療后小鼠的主要器官（心、肝、脾、肺和腎），進行H&E 染色觀察。

圖5 （a）在未注射/注射SH-PBS 溶液（25 μL，10 mg/mL）的激光照射（808 nm，1.1 W/cm2）下腫瘤小鼠的紅外圖像。（b）不同組腫瘤切片具有代表性的H&E 圖像。（c）不同治療組的腫瘤生長曲線。（d）治療期間Balb/c 小鼠的體重變化。（e）小鼠處死后從不同組提取的腫瘤照片。Fig.5 (a) Infrared images of tumour-bearing mice under laser irradiation (808 nm,1.1 W/cm2) without/with the injection of SH PBS solution (25 μL,10 mg/mL).(b) Representative H&E images of tumors slice obtained from diff erent groups as indicated.(c) The curves of tumor growth of diff erent treated groups as denoted.(d) Body weight changes of Balb/c mice during treatment.(e) Photograph of extracted tumour from diff erent groups after the mice sacrif ice.

結(jié)果如補充信息中圖S15 所示，組織未出現(xiàn)明顯的病理變化，形態(tài)完整。對健康的“對照”組和“SH+激光”組進行血清生化測定。如表S1（補充信息）所示，“SH+激光”組的血清參數(shù)與“對照”組無明顯差異，包括肝臟指標ALT、AST 和ALP以及腎臟指標UA 和尿素，進一步證實了SH 對小鼠的超低毒性。這些結(jié)果是合理的，因為天然腐植酸作為商業(yè)制劑已經(jīng)使用了幾個世紀，對于一些特定疾病應該是安全的。因此，良好的生物相容性表明SH 適用于生物醫(yī)學領(lǐng)域。

各種研究表明，光熱劑也可以作為有效的光聲造影劑。因此，我們期望具有高光熱轉(zhuǎn)換效率的天然SH 也能實現(xiàn)高分辨率的光聲成像和深層組織穿透。為了評估SH 的光聲性能，本研究制備了一系列濃度為1 至10 mg/mL 的SH 溶液，并對其光聲振幅進行了評估。如圖6（a）、（c）所示，在低功率1.6 mJ/cm2的808 nm 脈沖激光照射下，可以明顯觀察到SH 的光聲增強，并且強度隨SH濃度的增加呈現(xiàn)線性增強。此外，10 mg/mL 的SH溶液的光聲信號強度約為去離子水的5.9 倍。受體外良好光聲性能的啟發(fā)，我們在體內(nèi)進行了光聲成像。如補充信息中圖S16 所示，由于存在低本征NIR 吸收的血紅蛋白分子，腫瘤區(qū)域中只有微弱的光聲信號。相反，在瘤內(nèi)注射SH（50 μL，10 mg/mL）30 min 后，光聲信號的增強幾乎擴展到整個腫瘤區(qū)域，表明SH 可以通過擴散效應從注射部位快速穿透整個腫瘤區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，我們評估了SH 靜脈注射的潛在腫瘤積聚優(yōu)勢。通過尾靜脈注射SHPBS溶液（100 μL，10 mg/mL），在不同時間點（0、1、2 和8 h）收集直徑約7 mm 的腫瘤區(qū)域的光聲成像。如圖6（b）、（d）所示，當在腫瘤區(qū)域觀察到更多細節(jié)時，信號強度在注射SH 2 h 后達到最大值。圖6（d）中的定量結(jié)果表明，注射SH 2 h 后腫瘤區(qū)域的光聲信號強度約為注射前的2.1 倍。此外，注射SH 8 h 后，腫瘤區(qū)域的光聲強度與注射前幾乎相同，表明SH 最初在腫瘤區(qū)域積聚，然后消除或降解。腫瘤的快速清除或生物降解可能與良好的分散性或分子體積小有關(guān)，類似于可生物降解的類黑素和Fe3+沒食子酸納米點。PTT 和PA 成像的集成可提高癌癥治療診斷的準確性和治療效率，促進個體化治療的實施。基于以上結(jié)果，我們認為天然SH 可以作為PA 引導的腫瘤PTT 體內(nèi)生物相容性光治療劑。

圖6 體外和體內(nèi)SH 的光聲成像Fig.6 Photoacoustic imaging of SH in vitro and in vivo

綜上所述，天然腐植酸鈉可作為光誘導的光聲成像和腫瘤PTT 新型治療劑。SH 的光熱轉(zhuǎn)換率高達76.3%，光熱穩(wěn)定性好，在體內(nèi)表現(xiàn)出明顯的光聲增強，能在20 天內(nèi)有效消融腫瘤而不復發(fā)。重要的是，SH 在細胞和動物水平上的毒性可以忽略不計。與其他治療藥物相比，SH 具有儲量豐富、價格低廉、生物相容性高等優(yōu)點，具有很高的臨床應用前景。需要指出的是，在本研究中，SH 的治療應用僅通過腫瘤內(nèi)注射實現(xiàn)。我們希望這項工作能夠為傳統(tǒng)腐植酸在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用提供一些參考。

實驗部分、補充信息、致謝及參考文獻（略）