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【Biomaterials】倪大龙研究员发现纳米级金属有机框架通过干扰生物合成用于增强放射治疗

发表时间:2023-05-18 14:19

2023年2月,倪大龙研究员在《Biomaterials》杂志在线发表题名为“Interfering biosynthesis by nanoscale metal-organic frameworks for enhanced radiation   therapy.”——纳米级金属有机框架通过干扰生物合成用于增强放射治疗的研究论文。

瑞金医院伤骨科研究所倪大龙研究员、王韩助理研究员为论文的共同通讯作者,付梓技术员为论文的第一作者。

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doi: 10.1016/j.biomaterials.2023.122035.



本研究合成了一种多功能的铪基金属有机框架(Hf-nMOFs),并负载了3-BrPA(3-BrPA@Hf-nMOFs,缩写为BHT)用于生物合成靶向放疗增敏(方案1)。作为一种高Z元素,nMOFs中的Hf原子可以沉积更多的X射线以提高ROS的产量,导致对癌细胞更严重的损害。同时,负载的3-BrPA可以通过抑制糖酵解来有效地干扰生物合成,这可以减少细胞成分的修复,抑制细胞迁移与侵袭。研究还揭示了在细胞代谢和生物合成中的所有上调和下调的基因以及相关通路,以充分了解BHT的辐射增敏机制。此外,Hf原子的存在使Hf-nMOFs具有理想的CT对比性能,它可以通过在肿瘤部位提供强大的X射线对比增强来帮助实时监测治疗过程。因此,BHT可以达到良好的治疗效果。本研究所提出的生物合成靶向放射增敏策略将为肿瘤的治疗提供一个理想的途径,并突出放射治疗的临床实践。


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方案1. 3-BrPA@Hf-nMOFs增强放射治疗的机制


癌细胞的异常生物合成是其快速增殖的基础,因此干扰生物合成过程正成为肿瘤的新治疗目标,寻求对抗肿瘤细胞生物合成的策略至关重要。这项研究为解决放疗瓶颈提供了新的方法和策略,也为合理开发创新和高效的辐射增敏试剂提供了概念框架。


【Abstract】

Radiation therapy (RT) is one of the most widely used cancer treatments. However, the vigorous biosynthesis of cancer cells plays an important role for RT resistance. Herein, we develop a hafnium-based nanoscale metal-organic frameworks (Hf-nMOFs) loaded with 3-bromopyruvate (3-BrPA) to overcome RT resistance and achieve favorable RT efficacy. The deposition of X-rays is greatly enhanced by Hf-nMOFs to induce stronger damage to DNA in RT. Simultaneously, as an inhibitor of glycolysis, the loaded 3-BrPA can reduce the supply of energy and interfere with the biosynthesis of proteins to decrease the DNA damage repair. As a result, the 3-BrPA@Hf@nMOFs (BHT) will overcome the RT resistance and enhance the curative effect of RT. Up and down-regulated genes as well as the related pathways in cellular metabolism and biosynthesis are well investigated to reveal the radiosensitization mechanism of BHT. In addition, the Hf element endows BHT with CT imaging capability to real-timely monitor the therapeutic process. Hence, the designed strategy of biosynthesis-targeted radiosensitization could decrease the doses of ionizing radiations and provide fresh perspectives on cancer treatment.


【中文摘要】

放射治疗(RT)是应用最广泛的癌症治疗方法之一。然而,肿瘤细胞旺盛的生物合成对RT抵抗性起着重要作用。在此,本研究开发了一种负载3-溴丙酮酸(3-BrPA)的铪基纳米金属有机框架(Hf-nMOFs),以克服RT抵抗性并获得良好的RT效果。Hf-nMOFs大大增强了X射线的沉积,从而在RT中产生更强的DNA损伤。同时,负载的3-BrPA,作为糖酵解抑制剂,可减少能量供应和干扰蛋白质的生物合成,从而减少DNA损伤修复。因此,3-BrPA@Hf@nMOFs (BHT)将克服RT抵抗,增强RT疗效。同时,在细胞代谢和生物合成中的上调和下调基因以及相关通路进行了研究,揭示BHT的放射增敏机制。此外,Hf元素赋予BHT实时监测治疗过程的CT成像能力。因此,以生物合成为靶点的放射增敏策略可降低电离辐射剂量,为肿瘤治疗提供新的思路。

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