放疗是临床肿瘤治疗中最重要的手段之一，然而放疗X射线对肿瘤组织和正常组织与器官的无差别损伤，制约了放疗X射线使用剂量，也给患者带来了严重的毒副作用。因此，如何提高放疗X射线在肿瘤病灶区的利用率，对增强放疗疗效意义重大；以此为目标的“放疗增敏”研究，已成为材料学、化学、物理学与肿瘤医学等多学科交叉研究领域的前沿热点。既往纳米生物医学领域的放疗增敏研究，主要集中于如何利用高原子序数材料对X射线的高吸收率和能量沉积，进而实现对放疗的物理增敏，然而这类物理增敏策略的疗效严重受限于有限的原子序数制约。随着X射线激活纳米材料催化效应的发现，一类具有更大治疗潜力的放疗增敏新策略应运而生，即催化放疗增敏（Catalytic radiosensitization）。催化放疗增敏，旨在将催化化学的原理与肿瘤放疗相结合，以显著增强肿瘤放疗疗效。近年来，复旦大学步文博团队在该领域取得了系列重要研究进展，分别从材料电子态调控角度（Nano Today, 2020, 35, 100988; Adv. Sci., 2020, 7, 1903585; ACS Nano, 2020, 14, 3, 3032–3040; Nano Today, 2021, 37, 101099）和X射线能量转换角度（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 1770–1774; Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 14026–14030; Nano Lett., 2018, 18, 5768–5774; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 133, 15600–15609），系统发展了肿瘤催化放疗增敏新策略。
近日，复旦大学材料科学系/聚合物分子工程国家重点实验室步文博教授（点击查看介绍）团队和美国威斯康星大学麦迪逊分校蔡伟波教授（点击查看介绍）团队，应邀在国际权威学术期刊Materials Today 上联合发表了题为“Catalytic radiosensitization: Insights from materials physicochemistry”的专题综述论文，从纳米催化化学与肿瘤放射医学相结合的独特角度，明确提出了催化放疗增敏的肿瘤治疗新概念，系统介绍了催化放疗增敏的基本原理，并以此为基础，系统性评述了催化放疗增敏的最新研究进展、存在问题和发展前景。
催化放疗增敏主要从纳米材料的催化反应及其化学活性产物着手，在深入理解辐射与材料相互作用和催化与生物相互作用的基础上，将其基本原理和研究总结为两类策略：电子调控策略和能量调节策略。其中，基于电子调控的催化放疗增敏策略主要包括：（1）缺陷构造：设计、制备表面富含缺陷的纳米催化剂，促进X射线作用下材料表面电子有效转移和降低催化反应活化能垒，进而增强催化效率；（2）异质结构设计：材料特殊异质结构调节界面电子状态，改变局域电荷密度，提高载流子分离和转移效率，提高活性氧的产生；（3）价态转变：充分利用X射线产生的大量电子，调控金属离子价态，赋予其增强的催化反应活性。基于能量调节的催化放疗增敏策略主要包括：（1）闪烁晶体：作为物理换能器，将X射线转换为不同波长的光，激发光敏剂进而催化氧气生成活性氧，实现深部肿瘤高效治疗；（2）长余辉材料：利用X射线激发产生的持续余辉发光，活化光敏剂进而催化氧气持续不断地产生活性氧，实现肿瘤长效治疗；（3）金属有机框架材料：利用框架金属原子节点吸收X射线产生的光电子，激发光敏有机配体，催化孔道内局域丰富的氧气进而产生活性氧自由基，显著增强杀伤肿瘤细胞疗效。
尽管多功能纳米材料在肿瘤催化放疗增敏领域具有明显的优势，但基于X射线介导的电子和能量调控的催化放疗增敏策略仍亟需进一步挖掘和发展，其临床转化进程也仍存在挑战。基于此，该综述论文对催化放疗增敏发展应用过程中存在的问题挑战和发展趋势进行了系统评述：采用更为先进的高分辨原位表征技术，探究X射线作用下材料表面状态变化，在原子和分子水平深入探讨催化放疗增敏机理；利用纳米催化剂，提高X射线辐射分解水的效率，解决活化水到活性氧（羟基自由基?OH）转化率低的瓶颈问题；探究非氧自由基和生物代谢小分子等作为催化反应底物的应用潜力；揭示催化放疗增敏衍生的独特抗肿瘤作用的生物学机制，为临床应用提供指导意义。
催化放疗增敏的发展依赖于材料学、催化化学、放射物理学和化学生物学等多学科与纳米科技的交叉融合，作为该新兴领域的首篇综述论文，将有望引起更多相关领域研究人员对肿瘤催化放疗的研究兴趣，推动该领域的持续深入发展。
复旦大学材料科学系博士生王亚和复旦大学附属华山医院博士后张会林为论文的共同第一作者，复旦大学步文博教授和美国威斯康星大学麦迪逊分校蔡伟波教授为论文共同通讯作者，该工作得到国家自然科学基金杰出青年基金、上海市基础研究重大研究计划和博士后创新人才支持计划等项目经费支持。
