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利用X射线启动长时间的发光（放射余辉）并刺激光剂产生放射动力学O2，为光无法到达的组织深度的诊断和治疗提供了机会。然而，由于其固有的低X射线转换效率，X射线响应有机发光材料是罕见的。
2024 年 11 月 15日，新加坡南阳理工大学浦侃裔、北京化工大学宋继彬、南开大学丁丹、华中科技大学张燕共同通讯在Nature Nanotechnology（IF=38）在线发表题为 “A cascade X-ray energy converting approach toward radio-afterglow cancer theranostics” 的研究论文。该研究报告了一种级联X射线能量转换方法，用于开发用于癌症治疗的有机放射余辉纳米探针（RANPs）。
RANPs包括一个无线电波吸收剂，它将X射线能量向下转换以发射辐射发光，辐射发光被转移到辐射敏化剂中产生单线态氧（1O2）。O2随后与放射性余辉底物发生反应，生成一种活性中间体，该中间体同时分解释放出放射性余辉。通过微调这种级联、粒子内辐射发光能量转移和1O2转移过程，RANPs具有可调谐的波长和较长的半衰期，并在高达15厘米的组织深度产生无线电余辉和1O2。此外，还开发了一种生物标志物可激活的纳米探针（tRANP），它能产生肿瘤特异性的放射余光信号，从而实现超灵敏的检测，并在比无机材料低20倍的X射线剂量下手术切除小肿瘤（1 mm3）。tRANP的有效放射动力学1O2生成允许在低于临床放疗的X射线剂量和比大多数现有无机药物低一到两个数量级的药物剂量下完全根除肿瘤，从而延长生存率并最小化与辐射相关的不良反应。因此，该研究揭示了一种解决有机放射治疗材料缺乏的通用方法，并为精确的癌症放射治疗提供了分子设计。
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光学成像能够在分子水平上可视化生理病理过程，是基础研究和临床诊断中不可或缺的工具。然而，对实时光照射的依赖导致高自身荧光和低信本比（SBR），这损害了诊断的敏感性和特异性。与荧光成像相比，余辉成像利用了停止对余辉剂照射后的持久发光，最大限度地减少了自身荧光，导致更高的SBR和更深的组织穿透。有机余辉剂将光子能量储存在化学缺陷中，这涉及光敏作用，产生活性氧（ROS），并形成发射中间体，在分解时释放余辉，从而实现光动力治疗和余辉成像，包括癌症、感染和器官损伤等多种疾病。然而，由于光在生物组织中的穿透性有限，在深部病变的治疗中难以诱导放射余辉。虽然X射线能够穿透深层组织，但X射线引起的余辉（放射性余辉）材料仅限于由宿主基质（例如，金属氟化物）和发光中心（例如，稀土金属离子）组成的少数无机纳米粒子。从机制上讲，宿主矩阵包含高原子序数(Z)元素，这些元素通过将X射线光子降转化为次级电子-空穴对来有效地收集X射线光子。这些光子对被困在基体的物理缺陷中，这延迟了它们向发光中心的迁移，在那里它们重新组合发出射电余辉。这一过程也会产生活性氧，对患病组织造成放射性损伤。由于无机材料的放射治疗功能与生物标志物无关且始终处于活性状态，因此其诊断的准确性和治疗效果很大程度上依赖于病变组织与正常组织之间的浓度差异。相比之下，有机材料具有结构通用性，可用于构建具有生物标志物激活放射治疗功能的智能探针；然而，它们通常由低Z元素组成，具有固有的低X射线沉积，使得难以诱导射电余辉和放射动力学效应。最近发现，在某些有机发光器件中引入卤素原子可以促进X射线吸收和自旋轨道耦合，从而产生射电余辉成像和有机材料放射动力学治疗的可能性。RANP中RET的机制（图源自Nature Nanotechnology）在这项工作中，研究人员报告了一种通用的X射线能量转换方法，用于开发用于癌症治疗的有机放射余辉和放射动力学纳米剂。放射余辉纳米粒子（RANP）包含一个辐射吸收剂，它能有效地将X射线转化为放射发光，然后将其转化为辐射敏化剂，从而产生1O2。然后，1O2可以有效地扩散到放射性余辉基质中，进行原位反应，将其转化为活性二氧乙烷中间体，该中间体在X射线停止后同时分解并发出持久的余辉。通过这种级联的粒子内放射发光能量转移（RET）和1O2转移（SOT）过程，RANPs可以被设计成具有可调谐的近红外（NIR）波长、长半衰期和极好的亮度的放射余辉，从而开发出智能可激活的纳米探针，仅在癌症生物标志物存在时才打开其放射余辉，用于纵向肿瘤检测和体内精确肿瘤手术。此外，高效的1O2生成使这些RANPs能够以比临床放疗更低的X射线剂量对癌症进行放射动力学治疗，从而使正常组织免受电离相关损伤。因此，这些RANPs代表了开发具有巨大转化潜力的基于X射线的有机治疗纳米剂的通用方法。总的来说，该研究揭示了一种解决有机放射治疗生物材料缺乏的通用方法，并为精确放射治疗提供了分子设计。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41565-024-01809-9
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