Gold nanoparticles have been conceived as a radiosensitizer in cancer radiation therapy, but one of the important questions for primary drug screening is what size of gold nanoparticles can optimally enhance radiation effects. Herein, we perform in vitro and in vivo radiosensitization studies of 4.8, 12.1, 27.3, and 46.6 nm PEG-coated gold nanoparticles. In vitro results show that all sizes of the PEG-coated gold nanoparticles can cause a significant decrease in cancer cell survival after gamma radiation. 12.1 and 27.3 nm PEG-coated gold nanoparticles have dispersive distributions in the cells and stronger sensitization effects than 4.8 and 46.6 nm particles by both cell apoptosis and necrosis. Further, in vivo results also show all sizes of the PEG-coated gold nanoparticles can significantly decrease tumor volume and weight after 5 Gy radiations, and 12.1 and 27.3 nm PEG-coated gold nanoparticles have greater sensitization effects than 4.8 and 46.6 nm particles, which can lead to almost complete disappearance of the tumor. In vivo biodistribution confirms that 12.1 and 27.3 nm PEG-coated gold nanoparticles are accumulated in the tumor with high concentrations. The pathology, immune response, and blood biochemistry indicate that the PEG-coated gold nanoparticles have not caused spleen and kidney damages, but give rise to liver damage and gold accumulation. It can be concluded that 12.1 and 27.3 nm PEG-coated gold nanoparticles show high radiosensitivity, and these results have an important indication for possible radiotherapy and drug delivery.

Gold nanoparticles have shown great prospective in cancer diagnosis and therapy, but they can not be metabolized and prefer to accumulate in liver and spleen due to their large size. The gold nanoclusters with small size can penetrate kidney tissue and have promise to decrease in vivo toxicity by renal clearance. In this work, we explore the in vivo renal clearance, biodistribution, and toxicity responses of the BSA- and GSH-protected gold nanoclusters for 24 h and 28 days. The BSA-protected gold nanoclusters have low-efficient renal clearance and only 1% of gold can be cleared, but the GSH-protected gold nanoclusters have high-efficient renal clearance and 36% of gold can be cleared after 24 h. The biodistribution further reveals that 94% of gold can be metabolized for the GSH-protected nanoclusters, but only less than 5% of gold can be metabolized for the BSA-protected nanoclusters after 28 days. Both of the GSH- and BSA-protected gold nanoclusters cause acute infection, inflammation, and kidney function damage after 24 h, but these toxicity responses for the GSH-protected gold nanoclusters can be eliminated after 28 days. Immune system can also be affected by the two kinds of gold nanoclusters, but the immune response for the GSH-protected gold nanoclusters can also be recovered after 28 days. These findings show that the GSH-protected gold nanoclusters have small size and can be metabolized by renal clearance and thus the toxicity can be significantly decreased. The BSA-protected gold nanoclusters, however, can form large compounds and further accumulate in liver and spleen which can cause irreparable toxicity response. Therefore, the GSH-protected gold nanoclusters have great potential for in vivo imaging and therapy, and the BSA-protected gold nanoclusters can be used as the agent of liver cancer therapy.

Radiosensitizers can increase the local treatment efficacy under a relatively low and safe radiation dose, thereby facilitating tumor eradication and minimizing side effects. Here, we report a new class of radiosensitizers that contain several gold (Au) atoms embedded inside a peptide shell (e.g., Au10-12(SG)10-12) and can achieve ultrahigh tumor uptake (10.86 SUV at 24 h post injection) and targeting specificity, efficient renal clearance, and high radiotherapy enhancement.

A new type of metabolizable and efficient radiosensitizers for cancer radiotherapy is presented by combining ultrasmall Au nanoclusters (NCs, <2 nm) with biocompatible coating ligands (glutathione, GSH). The new nanoconstruct (GSH-coated Au25 NCs) inherits attractive features of both the Au core (strong radiosensitizing effect) and GSH shell (good biocompatibility). It can preferentially accumulate in tumor via the improved EPR effect, which leads to strong enhancement for cancer radiotherapy. After the treatment, the small-sized GSH-Au25 NCs can be efficiently cleared by the kidney, minimizing any potential side effects due to the accumulation of Au25 NCs in the body.

Bi, a high atom number element, has a high photoelectric absorption coefficient, and Se element has anticancer activity. Hence, their compound chalcogenide (Bi2Se3) deserves a thorough investigation for biomedical applications. This study reveals that Bi2Se3 nanoplates (54 nm wide) protected with poly(vinylpyrollidone) (PVP) are biocompatible and have low toxicity even at a high dose of 20 mg/kg in mice. This conclusion was made through the studies on the biodistribution and 90-day long term in vivo clearance of the nanoplates. Liver and spleen were dominant organs for the nanoplates accumulation which was mainly due to RES absorption, but 93 % the nanoplates were cleared after 90 days treatment. Concentrations of Bi and Se in tumor tissue continuously increased until 72 h after intraperitoneal injection into mice. Such selective accumulation of Bi was utilized to enhance the contrast of X-ray CT images. The Bi elements concentrated in a tumor led to damage on the tumor cells when exposed to gamma radiation. Growth of the tumor significantly delayed and stopped after 16 days after the tumor was treated with the Bi2Se3 nanoplates and radiation. This work clearly shows that the Bi2Se3 nanoplates may be used for cancer radiation therapy and CT imaging. They deserve further studies for biological and medical applications.

Radiotherapy is often the most straightforward first line cancer treatment for solid tumors. While it is highly effective against tumors, there is also collateral damage to healthy proximal tissues especially with high doses. The use of radiosensitizers is an effective way to boost the killing efficacy of radiotherapy against the tumor while drastically limiting the received dose and reducing the possible damage to normal tissues. Here, we report the design and application of a good radiosensitizer by using ultrasmall gold nanoclusters with a naturally occurring peptide (e.g., glutathione or GSH) as the protecting shell. The GSH coated gold nanoclusters can escape the RES absorption, leading to a good tumor uptake (8.1% ID/g at 24 h post injection). As a result, the as-designed Au nanoclusters led to a strong enhancement for radiotherapy, as well as a negligible damage to normal tissues. After the treatment, the ultrasmall gold nanoclusters can be efficiently cleared by the kidney, thereby avoiding potential long term side effects caused by the accumulation of gold atoms in the body. Our data suggest that the ultrasmall peptide protected Au nanoclusters are a promising radiosensitizer for cancer radiotherapy.

Abstract Photosynthesis, essential for life on earth, sustains diverse processes by providing nutrition in plants and microorganisms. Especially, photosynthesis is increasingly applied in disease treatments, but its efficacy is substantially limited by the well‐known low penetration depth of external light. Here, ultrasound‐mediated photosynthesis is reported for enhanced sonodynamic tumor therapy using organic sonoafterglow (ultrasound‐induced afterglow) nanoparticles combined with cyanobacteria, demonstrating the proof‐of‐concept sonosynthesis (sonoafterglow‐induced photosynthesis) in cancer therapy. Chlorin e6, a typical small‐molecule chlorine, is formulated into nanoparticles to stimulate cyanobacteria for sonosynthesis, which serves three roles, i.e., overcoming the tissue‐penetration limitations of external light sources, reducing hypoxia, and acting as a sonosensitizer for in vivo tumor suppression. Furthermore, sonosynthetic oxygenation suppresses the expression of hypoxia‐inducible factor 1α, leading to reduced stability of downstream SLC7A11 mRNA, which results in glutathione depletion and inactivation of glutathione peroxidase 4, thereby inducing ferroptosis of cancer cells. This study not only broadens the scope of microbial nanomedicine but also offers a distinct direction for sonosynthesis.