苏州大学ACS Nano：铁硼酸盐纳米束用于磁共振成像引导的硼中子捕获治疗

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背景介绍

硼中子捕获治疗（BNCT）因其在治疗肿瘤方面的有效性而受到广泛关注。该疗法基于硼-10（¹⁰B）的高中子捕获截面，含¹⁰B的制剂在热中子照射后释放高能α粒子和锂-7粒子。α粒子的线性能量转移比X射线和γ射线高2-3个数量级，且穿透范围短（5-9 μm）。当含¹⁰B的制剂精准递送到癌细胞时，α粒子能有效杀死肿瘤细胞，同时最小化对正常组织的损伤。然而，目前临床使用的硼制剂如4-硼-L-苯丙氨酸存在溶解度低、肿瘤内滞留时间不足等挑战。实时监测硼制剂的分布和浓度变化不仅能确定最佳中子照射时间和所需剂量，对评估治疗效果也具有重要意义。因此，将硼制剂与分子影像技术相结合的研究引起了广泛关注。

研究思路

针对上述挑战，来自苏州大学高明远教授和吴书旺研究员等团队，通过热分解法成功合成了铁硼酸盐（Fe₂B₂O₅）纳米束（IBNBs）。该纳米材料具有以下优势：首先，铁硼酸盐纳米束富含硼，可为BNCT提供充足的硼源；其次，纳米束的磁性特性使其能够增强磁共振成像对比度，便于监测制剂的分布。研究团队通过改变合成温度、时间和前体浓度，成功调控了纳米束的尺寸和形貌。为增强胶体稳定性和生物相容性，纳米束表面包覆了二氧化硅层（IBNBs@SiO₂）。体外和体内实验表明，IBNBs@SiO₂可作为T1造影剂发挥作用。经IBNBs@SiO₂处理并进行热中子照射后，细胞和小鼠实验均证实对黑色素瘤生长的有效抑制。因此，IBNBs具有用于MRI引导BNCT的潜力。该研究以Iron Borate Nanobeams for Magnetic Resonance Imaging-Guided Boron Neutron Capture Therapy发表于《ACS Nano》期刊。

图片解析

Scheme 1：示意图展示了IBNBs的合成及用于MRI引导BNCT的应用。IBNBs合成后经二氧化硅修饰得到IBNBs@SiO₂，具有优异胶体稳定性的IBNBs@SiO₂通过瘤内注射到雌性C57BL/6J荷瘤小鼠体内。IBNBs@SiO₂既可作为高硼含量的MRI造影剂，又能实现MRI引导的BNCT。

Figure 1：IBNBs的合成与表征。A图展示了IBNBs的合成过程；B-C图显示了纳米束的TEM、HRTEM、SAED图像和XRD图谱；D-E图展示了所制备IBNBs的Fe 2p和B 1s XPS光谱。

Figure 2：不同温度、反应时间和浓度下合成的IBNBs的尺寸和磁性能。A图展示了250°C、280°C和310°C合成的纳米束TEM图像及磁滞回线；B图展示了反应1、7和10小时合成的纳米束TEM图像及磁滞回线；C图展示了2、10和20 mmol/L浓度下合成的纳米束TEM图像及磁滞回线。结果表明，随着温度升高、时间延长和浓度增加，纳米束尺寸增大，且所有样品均表现出顺磁性特征。

Figure 3：二氧化硅包覆IBNBs（IBNBs@SiO₂）的细胞摄取表征。A-B图展示了合成的IBNBs@SiO₂的TEM图像；C图展示了IBNBs@SiO₂的SAED图像；D图展示了IBNBs@SiO₂的动态光散射结果，插图为分散在超纯水中的IBNBs@SiO₂；E图展示了不同浓度IBNBs@SiO₂孵育24小时后B16F10细胞的存活率；F图展示了相同硼剂量下孵育不同时间的B16F10细胞硼摄取量；G图展示了与IBNBs@SiO₂孵育0和24小时的B16F10细胞共聚焦显微镜图像。

Figure 4：IBNBs@SiO₂的体外和体内MRI成像。A图展示了IBNBs@SiO₂的T1加权和T2加权MR图像；B图展示了R1和R2与Fe浓度的关系图；C图展示了C57BL/6J小鼠头颈部肿瘤的体内MRI测量；D图展示了肿瘤的T1-MRI信号均匀性分析；E图展示了肿瘤区域T1-MR信号强度随时间的变化。

Figure 5：IBNBs@SiO₂的体外和体内抗肿瘤效果。A图展示了B16F10细胞治疗的实验流程；B图展示了不同浓度IBNBs@SiO₂在有或无中子照射下处理24小时后B16F10细胞的存活率；C图展示了不同条件下培养于6孔板并用结晶紫染色的B16F10细胞集落形成实验；D图展示了培养1周后细胞集落数量的定量分析；E图展示了荷瘤C57BL/6J小鼠的治疗方案；F图展示了热中子照射的实验装置；G图展示了不同组小鼠头颈部肿瘤在不同时间点的变化；H-J图展示了各治疗组的平均肿瘤体积、体重和存活率。

结论

本研究通过热分解法成功合成了顺磁性铁硼酸盐纳米束（IBNBs），并确认其分子式为Fe₂B₂O₅。通过系统改变合成参数，实现了对纳米束尺寸的精确调控，获得从点到棒状的不同形貌。二氧化硅包覆后的IBNBs@SiO₂表现出优异的生物相容性和细胞硼摄取效率，满足硼递送制剂的要求。该纳米束还具有有效的T1加权磁共振成像能力，在肿瘤内滞留时间长且分布均匀，为确定中子照射时间提供了关键指导。在黑色素瘤模型中，IBNBs@SiO₂联合热中子照射治疗显著抑制了肿瘤生长并延长了生存时间。这些发现证明了铁硼酸盐纳米束在高效MRI引导BNCT中的应用潜力。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c16212