作為一種新興的非侵入性腫瘤治療手段，聲動力治療（SDT）技術發展迅速。較之于現有的光動力治療技術，SDT技術具有更好的組織穿透能力，因此其在腫瘤治療領域具有優勢。超聲作用下的聲熱、聲空化和聲化學過程是SDT過程對腫瘤細胞殺滅的主要機制。其中，聲敏劑參與下的聲化學過程在SDT過程中起重要作用。因此，開發具有高聲敏活性的新型聲敏劑是SDT技術面臨的挑戰。
中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員丁古巧團隊與上海交通大學醫學院附屬新華醫院教授段俊麗團隊、復旦大學附屬中山醫院博士石一沁合作，首次證實N摻雜石墨烯量子點（N-GQDs）的優異聲敏活性。N-GQDs在超聲輻照下的活性氧（ROS：單線態氧及羥基自由基）的生成效率為傳統聲敏劑的3倍-5倍（圖a）。該研究首次明確了N摻雜碳納米結構的聲化學機制。實驗結果與理論結果表明，N-GQDs中的吡咯N和吡啶N是其聲化學過程的反應位點。上述機制的明確對高性能碳基聲敏劑的進一步結構設計具有借鑒意義。此外，由于石墨烯量子點晶格中吡咯N和吡啶N的穩定性，N-GQDs在進行腫瘤靶向修飾后（FA-N-GQDs）仍具有優異的聲敏活性。
進一步的組學結果表明，超聲下FA-N-GQDs產生的大量ROS可使高p53蛋白表達的腫瘤細胞中氧化應激反應通過PEX通路被激活，進而通過p53蛋白促使腫瘤細胞凋亡（圖b）。細胞實驗表明，FA-N-GQDs參與下的SDT過程對各腫瘤細胞的殺滅效率均大于95%。此外，小鼠皮下瘤模型治療結果表明，經由靶向修飾的FA-N-GQDs可快速穩定地富集于腫瘤組織，在14天內進行兩次超聲輻照后，瘤體減小95%以上（圖c）。同時，基于FA-N-GQDs優異的穩定性及生物安全性，治療過程中未發現顯著的毒副作用。
上述工作是石墨烯量子點在SDT領域的首次應用探索研究，并揭示了碳納米結構中吡咯N和吡啶N作為聲化學反應中心在SDT過程中的作用機制，對高性能聲敏劑，特別是無金屬碳基聲敏劑的開發具有指導意義。近日，相關研究成果以Graphene Quantum Dots with Pyrrole N and Pyridine N: Superior Reactive Oxygen Species Generation Efficiency for Metal-free Sonodynamic Tumor Therapy為題，在線發表在Small上。上海微系統所助理研究員楊思維為論文第一作者，新華醫院博士王雪連為論文的共同第一作者，丁古巧、石一沁為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金、上海市科學技術委員會等的支持。
a、N-GQDs聲化學效率與傳統聲敏劑對比；b、高p53蛋白表達的腫瘤細胞在FA-N-GQDs參與下超聲處理后的組學結果；c、FA-N-GQDs參與下SDT過程中小鼠皮下瘤尺寸變化