他叫宋国胜，目前是湖南大学化学化工学院教授。自 2018 年在斯坦福大学医学院结束博后研究，便回到国内任教。来到湖南之后，其入选教育部“长江学者奖励计划”- 青年项目，并获得 2021 年度科睿唯安“全球高被引科学家”等称号。

图 | 相关论文（来源：Nano Letters）

该研究要从无机纳米材料说起，其具有特定的电学、光学、磁学等性质，这使它在癌症成像与治疗方面有很大的应用前景，可通过改变无机材料的成分、形状、尺寸、结构以及表面改性，使它们具有不同的性能，以在医学领域发挥作用。

无机材料往往通过 EPR 效应（enhanced permeability and retention effect，增强渗透滞留）实现在肿瘤中的积累，并且在肿瘤内部具有更高的浓度和更长的保留时间，借此实现有效的癌症成像和治疗。比如氧化铁这类无机材料，它已被广泛用于生物医学领域。

氧化铁有许多吸引人的特点，例如生物相容性高、磁学性能优异等，并且可通过修饰增加它的生物功能。此外，氧化铁还可产生不同的对比度，既能用于磁共振成像检测，也可通过外部施加磁场、热能或者药物释放，从而把引导材料到指定位置进行成像或治疗。

热疗是一种通过无线电波、微波、超声波能量和磁力等能源，在肿瘤区域附近产生热量的治疗技术。该方法主要应用于表面组织，由于健康细胞和肿瘤细胞之间的温度耐受性不同，肿瘤细胞在不影响健康细胞的情况下就会死亡。

光热治疗（PTT，photothermal therapy）是指在近红外（NIR，near-infrared）激光照射下，利用光吸收材料产生高热（>42℃），已被广泛用于有效消融各种实体肿瘤。作为一种有效的无创治疗，PTT 可以提高给药效率、调节肿瘤微环境、刺激肿瘤特异性抗原的释放等，治疗多种不同类型的肿瘤。

尽管许多课题组已经开发出光热剂，但其中一些在体内不可生物降解，这限制了它们的临床转化。在进行光热治疗的过程中，通常使用红外热成像仪监测肿瘤表面温度的变化。然而，热成像仪难以成像肿瘤内部的温度变化。

同时，虽然无机材料在癌症诊疗方面展现出很好的潜力，但是无机材料在全身给药后不能迅速排出体外，这会导致在网状内皮系统上的积累，从而造成长期毒性，极可能引发炎症反应，甚至纤维化或癌症。因此，为了减少无机材料对生物体在正常组织中的毒副作用，以及减少光热治疗过程中对正常组织的损伤，因此需要开发出具有良好生物安全性的无机纳米材料，实现对肿瘤的特异性成像与治疗，同时减少对正常组织的伤害，并且能够在光热治疗的过程中，准确且实时的监测肿瘤内的温度分布。

宋国胜团队发现，具有普鲁士蓝类似结构的磁性离子配位的纳米粒子，具有碱响应的特异性。基于此，他们开发出碱响应的磁性纳米粒子，以用于肿瘤特异性光热、光热、MRI（Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像）成像以及光热治疗。

此外，凭借金属离子与-CN 的配位作用，他们制备了 Fe/Mn/Gd-CN 配位的磁性纳米粒子（MICN，Magnetic Ions Coordinated Nanoplatform ）其具有很好的 NIR 吸收和弛豫效果。具体来说，当 MICN 存在于酸性溶液中（pH < 6.4），MICN 结构稳定，具有很高的光热效果、光声和 MRI 信号。而当 MICN 存在于中性和碱性溶液中（pH ≥ 7.4）时，氢氧根可破坏 MICN 结构，降低 NIR 吸收降低与核磁信号的变化，从而可以显著减弱光热效果、光声和 MRI 信号。

由于肿瘤微酸的特性，当 MICN 富集于肿瘤时，MICN 能发挥出很好的光热治疗、光声成像和 MRI 成像效果；反之，当 MICN 存在于正常组织时，MICN 的光热治疗、光声成像和 MRI 成像信号显著降低，从而能够明显提高肿瘤成像和光热治疗的特异性。

宋国胜表示：“我们的材料具有碱响应的光热性能，可以用于放大肿瘤和正常组织之间光热的差异性，并且成像信号的变化与光热过程中的温度变化之间有良好的相关性。因此，这款材料为改善肿瘤和正常组织的区分能力提供了更多可能，从而提高了光声/磁共振成像的特异性与信噪比，并且减少了光热治疗带来的毒副作用。另外，该材料具有突出的生物降解性，这让它能够有效地从体内清除，这样避免了无机材料带来的长期毒性，因此具备癌症治疗的应用前景。”

为改善肿瘤和正常组织的区分能力，提供更多可能

据介绍，该团队一直致力于在肿瘤成像技术上的研究，为此在研究立项中，经过总结并讨论目前无机材料在生物诊疗的进展，他们针对无机纳米材料固有的毒性，查阅相关文献、形成研究思路，从而开发出具有生物安全性的无机材料，然后通过多次讨论确定材料类型。

接着通过实验验证研究思路的可行性：即探索该无机材料的降解性和近红外区域的吸收变化。初步可行后，宋国胜等人展开多项实验，包含材料的合成及优化、纳米粒子的制备及表征、材料的响应性变化、光声/磁共振成像、光热治疗及成像、生物安全性研究等多个技术层面的研究，其中涉及细胞与动物的操作以及多种仪器的使用。

不仅如此，为进一步充分说明科学问题，他们还针对实现现象进行了更深入的研究，通过对反应的实现机理、以及该反应能否发生可逆现象进行进一步摸索，此外还不断加大研究深度，对已经取得的研究数据进行讨论和补充说明。

而最让宋国胜难忘的，则是研究初期对材料的选择。期间，他们利用金属离子配位纳米材料这种碱性下不稳定的特点，来解决无机材料本身降解难的缺点，同时提高成像和治疗的对比度。尽管新冠疫情使团队的科研生活受到了不可抗力的影响，但是为了科学的严谨性和探索性，他们经过查阅文献、多次讨论，仍做出了大量探索实验，借此优化不同合成温度、合成方法、合成比例、不同的表面活性剂对材料稳定性的影响。

“我们在不断优化之后，最终选择了最合适的性能和参数进行表征与响应性测试，同时在生物成像方面不断加大研究深度，不断进行新的改进，最后还针对材料的响应性进行深入探索，例如响应机理以及响应可逆性的研究，才得以成功完成课题研究。”他表示。

图 | 该团队（来源：宋国胜）

让成像探针和疗效，建立可靠关系

据宋国胜介绍，凭借出色的非侵入性和实时量化性能，光声成像和磁共振成像在监测治疗方面受到极大关注。然而，目前常用的造影剂不能满足精确治疗的需要，许多研究也集中于优化目标成像对比度的效果。

靶向治疗剂的成像信号大多取决于其自身特性，而将无创成像技术与治疗试剂结合，可以提高治疗效果，同时监测治疗过程本身，并可以针对不同阶段和个体调整治疗剂量。本次材料在 PA/MRI 信号变化与激光照射过程中的温度升高显示出良好的相关性。

因此，该团队希望利用 PA（photoacoustic，光声）成像和 MRI 成像来监测该材料的转变过程，并预测其在体内光热治疗中的光热性能。通过无创成像探针评估癌症治疗的能力，进一步使用成像探针来了解肿瘤治疗部位的试剂、试剂浓度、精确的温度升高、或肿瘤微环境变化的动态变化，并通过建立成像探针与疗效之间的可靠关系，进一步癌症诊疗方面进行深入性应用探索。

下一步，该团队将继续挖掘不同体系的探针在成像对比度上的变化，以及在不同生物模型上的应用，深入研究成像探针在疾病诊疗上的潜能，以寻找到最佳诊疗效果。宋国胜说：“事实上，我们已经的这部分工作正在进行，并取得了一些比较好的进展，我们还将继续调研在纳米材料以及生物医用方面的应用前景，未来将取得一些阶段性进展。”

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参考：1、Yudan Yang. et al. Degradable Magnetic Nanoplatform with Hydroxide Ions Triggered Photoacoustic, MR Imaging, and Photothermal Conversion for Precise Cancer Theranostic. Nano Letters. 2022