Activité catalytique impérative pour l’amélioration de la dose de nanoparticules en thérapie photonique et protonique | Groupe de fraises dentaires Xuzhou Co., Ltd

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3248 (2022) Citer cet article

3769 Accès

9 citations

5 Altmétrique

Détails des métriques

La radioamélioration basée sur les nanoparticules est une stratégie prometteuse pour étendre le rapport thérapeutique de la radiothérapie. Bien que les résultats (pré)cliniques soient encourageants, une compréhension solide des mécanismes de radioamélioration des nanoparticules, en particulier des effets de la sélection des nanomatériaux et des conditions d'irradiation, reste encore à atteindre. Ici, nous étudions les mécanismes de radioamélioration de nanomatériaux d'oxydes métalliques sélectionnés (notamment SiO2, TiO2, WO3 et HfO2), de nanoparticules de TiN et d'Au pour la radiothérapie utilisant des photons (150 kVp et 6 MV) et des protons de 100 MeV. Alors que les nanoparticules d'Au présentent des propriétés de radioamélioration exceptionnelles dans les environnements d'irradiation kV, où l'effet photoélectrique est dominant, ces propriétés sont atténuées aux niveaux de base pour une irradiation cliniquement plus pertinente avec des photons et des protons MV. En revanche, les nanoparticules HfO2 conservent certaines de leurs propriétés de radioamélioration dans les thérapies photoniques et protoniques MV. Il est intéressant de noter que les nanoparticules de TiO2, qui ont un numéro atomique effectif relativement faible, présentent des efficacités de radiorenforcement significatives dans les trois contextes d'irradiation, qui peuvent être attribuées à la forte activité radiocatalytique du TiO2, conduisant à la formation de radicaux hydroxyles et à des interactions nucléaires avec les protons. Prises ensemble, nos données permettent d’extraire des critères généraux de conception pour les radioamplificateurs de nanoparticules pour différentes modalités de traitement, ouvrant la voie à des nanothérapeutiques aux performances optimisées pour la radiothérapie de précision.

La radiothérapie fait partie intégrante du traitement du cancer et est appliquée à au moins 50 % de tous les patients atteints de cancer1,2. Cette modalité de traitement a une faible spécificité tissulaire et, malgré des progrès considérables dans l'administration des doses, les tissus sains situés à proximité du volume cible reçoivent généralement des doses de rayonnement indésirables, entraînant potentiellement des effets secondaires importants3. Généralement, le confinement de la toxicité tardive sur les tissus sains détermine la dose maximale pouvant être délivrée à la tumeur pendant la radiothérapie. Pour surmonter les limitations susmentionnées et augmenter le ratio thérapeutique, les nanoparticules offrent une voie prometteuse vers une radiothérapie ciblée en agissant comme des radioamplificateurs4. Les nanoparticules déposées dans le tissu tumoral augmentent sélectivement la section efficace d’absorption des rayonnements par rapport à celle des tissus sains environnants5. L'effet des rayonnements ionisants sur les structures biologiques est régi par des phénomènes physiques, chimiques et biologiques6,7. Les contributions exactes des nanoparticules, et en particulier leur composition matérielle, au cours de ces étapes et au sein d’un environnement cellulaire lors de l’irradiation restent encore à comprendre. La compréhension mécaniste actuelle est particulièrement entravée par le manque d’études fondamentales et comparatives4,8, ce qui exclut la conception rationnelle de radioamplificateurs de nanoparticules.

Si l’on considère uniquement l’augmentation de la dose physique, les nanoparticules à Z élevé constituent un choix naturel puisque leur section efficace d’absorption photoélectrique, évoluant approximativement avec Z4, est nettement supérieure à celle des tissus mous ou de l’eau9. Cependant, le contraste du tissu photoélectrique dépend également fortement de l’énergie des photons entrants (~E−3). Par conséquent, et contrairement aux rayons X kV, seule une augmentation limitée de la dose serait attendue à des énergies plus élevées (rayons X MV)9,10. En fait, aux énergies supérieures à 500 keV, les interactions physiques sont dominées par les événements de diffusion Compton avec des sections efficaces linéairement proportionnelles à Z11. Par conséquent, il a été suggéré que les effets chimiques et biologiques jouent un rôle essentiel dans l’augmentation de la dose de nanoparticules trouvée in vitro et in vivo avec les photons MV7,9,12. Il existe de plus en plus de preuves expérimentales et cliniques soutenant l’amélioration de la radiothérapie à base de nanoparticules en termes de sécurité et d’efficacité pour les photons kV et MV8,13,14,15,16. Plus particulièrement, les nanoparticules HfO2 commercialisées par Nanobiotix sous le nom de NBTXR3/Hensify® ont récemment obtenu l'approbation pour le marché européen16. Ces nanoparticules de HfO2 ont obtenu l'approbation du marquage CE européen en avril 2019 pour le traitement du sarcome des tissus mous localement avancé par injection intratumorale avec radiothérapie photonique et sont étudiées pour le traitement d'autres cancers17.

100 cells analyzed per nanoparticle type, no evidence for nanoparticle uptake into the nucleus was found, even though uptake overall, and nanoparticle accumulation in the nucleus, might be particle and cell type dependent32,33. Nanoparticle uptake was comparable for all types of oxides except for WO3 nanoparticles, for which only very few nanoparticle agglomerates were found intracellularly (Fig. 2d)./p>1 indicated additional dose deposition by nanoparticles compared to water, while a DEF value equal to 1 meant that no additional dose deposition was observed. For lower energy X-rays (150 kVp source), the highest dose deposition and a clear impact of atomic number were observed. This is in line with the different mass energy absorption cross-sections caused by the photoelectric effect for high-Z metals. The dose-enhancement factors within a nanoparticle-filled vesicle reached values of DEF = 30–40 for Au nanoparticles and DEF = 10–20 for HfO2 and WO3 nanoparticles at the highest reached nanoparticle content of 32.4 vol% (volume percent) in the vesicle (Fig. 3a). This packing fraction is also reasonable for biological scenarios. For instance, nanoparticle volume fractions of 35 ± 16% per vesicle have been reported in cells for 30-nm-sized Au nanoparticles36, and exposure conditions similar to the ones used in our study. Low-Z nanoparticles, such as TiO2, TiN, and SiO2 showed no nanoscopic dose increase at all. The dose enhancement decay from the filled vesicle surface followed a 1/r–type decay, and the DEF converged to DEF = 1 within one micrometer of the cytoplasm (Fig. 3b). For MV X-rays, dose enhancement within and around nanoparticle-filled vesicles was only found for Au nanoparticles (Supplementary Fig. 4). This enhancement was found to be even more localized, converging to DEF = 1 within 100 nm from the vesicle surface. Nanoscopic physical enhancement of proton irradiation was negligible for all nanoparticles (Supplementary Fig. 4b)./p> 1) under all types of ionizing irradiation (Fig. 4). ROS formation under X-ray irradiation was generally higher than that under proton irradiation (Fig. 4c–e). Fitting of a linear regression for ROS enhancement versus nanoparticle surface area concentration revealed ROS enhancement efficiencies that decreased in the orders: WO3 > TiO2 > HfO2 under kV X-ray irradiation and TiO2, WO3 > HfO2 under MV X-ray and proton irradiation (Fig. 4f)./p>0.5 M DMSO, respectively. In other words, addition of DMSO suppressed the total nanoparticle radiation-enhancement effects by up to 73% for TiO2, 52% for HfO2 and 34% for Au nanoparticles (Supplementary Fig. 11). These percentages reflect the cell damage enhancement mediated by •OH radicals. Short treatment with up to 1 M DMSO alone did not show negative effects on cell growth (Supplementary Fig. 10a). For nanoparticle-free samples, cell survival fractions of 70–80% were found after 6 Gy X-ray treatment, which were increased to 90% in presence of DMSO at concentrations of 0.1 M or higher (Fig. 6). These findings are in agreement with previous reports which amounted the percentage of indirect action to 63–89%60,61,62,64. The remaining, not DMSO suppressed nanoparticle dose enhancement must stem from other physical, chemical, or biological damage mechanisms./p>73%) of the nanoparticle enhancement was due to production of ROS, especially •OH, during irradiation with ionizing radiation. Youkhana et al. (2017) also attributed the in vitro dose enhancement of TiO2 to increased ROS generation based on aqueous DCFDA results68. Here, we were able to show conclusively that this oxidative stress increased during irradiation most likely due to the catalytic surface effects of TiO2, since no physical dose enhancement was found in our nanoscopic and microscopic models./p> 99%) with a flow rate of 5 L/min into fine droplets. The pressure drop at the capillary was kept constant at 1.6 bar. A premixed ring-shaped CH4/O2 flame (1.5 L min−1/3.2 L min−1) ignited and stabilized the spray flame. Particles formed in the gas phase were collected on a glass fiber filter (Type GF6, Hahnemühle FineArt GmbH) with the aid of a vacuum pump (Busch Mink MM 1202 AV). The collected nanoparticle powder from the filter was subsequently sieved (mesh size = 250 μm) to remove any filter residues. Titanium nitride (TiN) nanoparticles were made from FSP TiO2 nanoparticles following a previously established nitridation method87. Titania particles were nitrided on quartz wool in a U-shaped quartz reactor under pure ammonia flow (75 mL/min) and 700 °C heat treatment. The first heating rate up to 600 °C was 20 °C/min, followed by a second heating rate of 3 °C/min until the target temperature of 700 °C was reached and held for 30 h. After heat treatment the powder was cooled down to room temperature with a rate of 40 °C/min and soft oxidized (using 5% oxygen in argon) at room temperature./p>

3.0.CO;2-H" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F1521-4125%28200106%2924%3A6%3C583%3A%3AAID-CEAT583%3E3.0.CO%3B2-H" aria-label="Article reference 85" data-doi="10.1002/1521-4125(200106)24:63.0.CO;2-H"Article CAS Google Scholar /p>