研究简介:本研究介绍了一种新型的AZ31镁合金碘-125种子链（AMASS），旨在通过产生氢气来增强实体瘤对碘-125近距离放射治疗的敏感性。研究背景指出，尽管碘-125种子植入能有效杀死肿瘤细胞，但肿瘤的放射抗性限制了其疗效。氢气作为一种具有抗癌特性的医疗气体，能够增强免疫疗法的效果，但在放射治疗中的作用尚未充分探索。研究中，AMASS显示出pH依赖的缓慢释放氢气特性和优良的机械性能，能够通过微创手术植入肿瘤中。体外实验结果表明，AMASS降解产生的氢气能显著抑制肿瘤细胞增殖、增加凋亡、扰乱氧化还原平衡、降低ATP水平，并诱导DNA损伤。在小鼠异种移植瘤和家兔肝脏肿瘤模型中，AMASS与碘-125种子联合使用显示出比单独碘-125种子更优越的治疗效果，且无明显副作用。机制探讨发现，氢气通过调节肿瘤细胞内的ROS水平，破坏氧化还原平衡，促进凋亡。同时氢气影响线粒体氧化呼吸链，导致线粒体膜电位异常和功能障碍，降低细胞内ATP水平，抑制肿瘤生长。此外，AMASS具有均匀的辐射剂量分布和简单的植入方式，提高了放射治疗的均匀性和便捷性。安全性评估显示，AMASS植入后，家兔的主要器官未显示出明显的毒性效应，血清镁离子水平也没有增加，表明AMASS植入对家兔的造血功能、肝肾功能或血清镁离子水平无不良影响。


Unisense微电极测定系统的应用


Unisense微电极系统被用来测量小鼠模型中肿瘤内氢气的含量。研究中利用Unisense微电极系统直接插入到小鼠皮下移植肿瘤中，以测量和记录肿瘤内氢气的浓度。这种方法用来评估AZ31镁合金管（AMATs）在肿瘤微环境中产生氢气的能力。通过在小鼠模型中不同时间点（1周、2周和3周后）使用Unisense微电极系统，能够观察到随着时间的推移，AMATs降解产生的氢气水平的变化。通过比较AMATs组和对照组肿瘤内氢气水平的差异，研究者能够评估AMATs产生的氢气对肿瘤生长和治疗效果的潜在影响。而相对电压差异的变化反映了AMATs降解活性和氢气产生能力的下降，这与AMATs的物理降解和表面积减少有关。


实验结果


研究发现AMAT具有适当的刚性和与碘-125种子的良好连接性。更重要的是AMAT可以在溶液中降解产生氢气，并且氢气的产生速率与pH值有关。探讨了AMAT降解产生的氢气在增强放射性碘-125种子治疗实体瘤中的作用和潜在的分子抗癌机制。在功能上，AMAT降解产生的氢可以与碘-125种子协同作用，抑制肿瘤细胞增殖并促进细胞凋亡。从机制上讲，氢破坏了肿瘤细胞中的ROS稳态和MMP，损害了线粒体功能，降低了ATP水平，并阻碍了碘-125辐射诱导的DSB的修复，从而增强了碘-125种子疗法在实体瘤中的放射增敏作用。

图1、新型AZ31镁合金种子链的组装示意图和潜在应用。

图2、AZ31镁合金管的腐蚀和析氢特性（AMAT）。a）立体显微镜和b）扫描电子显微镜下腐蚀后不同时间点AMAT的表面特性。c）目视观察不同pH条件下的析氢能力。d）在胎牛血清（FBS）和DMEM培养基中不同时间点的析氢能力的显微镜观察。e）在不同pH条件下立体显微镜观察析氢能力。f）通过亚甲蓝（MB）方法测定pH值为7.3、6.8和5.6时的相对析氢速率。g）不同pH值下AMAT的失重。

图3、AZ31镁合金管（AMAT）增强实体瘤细胞放射敏感性的机制。a）AMAT处理后不同时间点VX2细胞中的ROS水平。b）用AMAT和125I种子处理后VX2细胞的线粒体膜电位。c）用AMAT和125I种子处理后MC38细胞的细胞内ATP水平。d，e）用AMAT和125I种子处理后MC38细胞的γH2A.X水平。f）用AMAT和125I种子处理后VX2细胞的BAX和Bcl-2水平。g）氢近距离放射治疗的体外机制图。

图4、AZ31镁合金管（AMAT）对小鼠皮下异种移植瘤的治疗效果。a）小鼠皮下肿瘤移植的实验程序图。b）小鼠皮下肿瘤植入物中氢的含量的比较AMAT植入后1、2和3周。c，d）小鼠皮下肿瘤的体积。e）肿瘤重量统计图。f）小鼠皮下移植肿瘤的H&E染色和IHC。

图5、使用unisesne微电极在小鼠肿瘤内测量氢气。a)示意图；b)实物图片。


结论与展望


放射性碘-125（I-125）粒子植入是一种近距离放射治疗技术，可通过X射线和伽马射线有效杀死肿瘤细胞，在各种实体瘤的一线治疗失败后作为替代治疗选择。然而肿瘤放射耐药性限制了其疗效。氢气具有抗癌特性，可以增强免疫疗法的疗效。然而，它在放疗致敏中的作用很少被报道。目前的许多氢输送方法都涉及产氢纳米材料，例如镁基纳米材料。本研究介绍了一种AZ31镁合金碘-125种子链（称为AMASS），具有pH依赖性缓释氢特性和优异的机械性能。AMASS可以通过微创手术植入肿瘤中，在碘-125种子周围释放氢气。Unisense微电极系统被用来测量小鼠模型中肿瘤内氢气的含量。通过比较AMATs组和对照组肿瘤内氢气水平的差异，研究者能够评估AMATs产生的氢气对肿瘤生长和治疗效果的潜在影响。体外实验表明，AMASS降解产生的氢显着抑制肿瘤增殖、增加细胞凋亡、破坏氧化还原稳态和线粒体膜电位、降低三磷酸腺苷水平，并诱导碘-125辐射引起的DNA损伤。氢气的产生与肿瘤细胞增殖抑制和凋亡增加相关，这表明氢气可能在调节肿瘤细胞的氧化还原状态和线粒体功能中发挥作用。在小鼠异种移植和兔肝肿瘤模型中，与单独的碘-125种子相比，来自AMASS的氢显示出卓越的治疗效果，没有明显的副作用。此外AMASS具有均匀的辐射剂量分布和简单的植入。因此来自AMASS的氢增强了碘-125粒子的疗效，支持碘-125粒子植入在癌症治疗中的进一步推广和应用。