CN113940998A - 一种纳米载氧颗粒及其制备方法与应用 - Google Patents
一种纳米载氧颗粒及其制备方法与应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种纳米载氧颗粒及其制备方法与应用，其中，制备方法包括步骤：将ZIF‑90与光敏分子混合在有机溶剂中，搅拌得到纳米颗粒PZ；将纳米颗粒PZ分散在水中，加入三苯基膦后，搅拌得到纳米颗粒PZT；对纳米颗粒PZT进行抽真空处理后，再将所述纳米颗粒PZT在纯氧环境中进行氧气吸附处理，得到纳米颗粒OPZT；将所述纳米颗粒OPZT与PVP混合在水中，搅拌后使PVP包覆所述纳米颗粒OPZT，得到纳米载氧颗粒OPZTP。本发明利用金属离子与氢离子或三磷酸腺苷(ATP)竞争配位导致金属骨架降解，释放多孔结构中吸附的大量氧气和化疗药物的原理，实现了高效的化疗和光动力学联合治疗效果，达到改善肿瘤乏氧环境，提高肿瘤治疗效果的目的。
Description
技术领域
本发明涉及金属有机框架纳米材料技术领域，尤其涉及一种纳米载氧颗粒及其制备方法与应用。
背景技术
肿瘤微环境，特别是乏氧微环境与肿瘤耐放疗、耐化疗、侵袭转移等特点密切相关，如何改善肿瘤乏氧微环境是提高肿瘤治疗效果所面临的难题之一。近些年有报道通过递送血红蛋白、全氟等载氧物质来提高肿瘤含氧量的方式可有效改善肿瘤微环境，提高治疗效果。但血红细胞来源困难，载氧量低；全氟存储不便，血液相容性差，这些因素大大限制了它们在改善肿瘤微环境方面的应用。金属有机骨架材料(MOF)不仅拥有巨大的比表面积和多种孔道结构，还具有肿瘤微环境相应降解的特点，这使得某些MOF材料具有非常高的载氧能力(相当于血红蛋白的6.7倍)和较低的生物毒性，可作为一种载氧***向肿瘤递送氧气。其中ZIF-90就是一种高载氧的MOF材料，它由锌离子和咪唑-2-甲醛构成，具有很好的生物安全性，并且对肿瘤细胞线粒体中高表达的三磷酸腺苷(ATP)具有特异性响应。而线粒体的耐药性比肿瘤细胞的耐药性低得多，这也意味着ZIF-90载氧***可以在低浓度下实现抗肿瘤治疗效果。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种纳米载氧颗粒及其制备方法与应用，旨在解决现有金属有机骨架材料改善肿瘤乏氧微环境效果较差的问题。
本发明第一方面，提供一种纳米载氧颗粒的制备方法，其包括步骤：
将ZIF-90与光敏分子混合在有机溶剂中，搅拌使所述光敏分子装载入所述ZIF-90中，得到纳米颗粒PZ；
将所述纳米颗粒PZ分散在水中，加入三苯基膦后搅拌使所述三苯基膦偶联在所述纳米颗粒PZ上，得到纳米颗粒PZT；
对所述纳米颗粒PZT进行抽真空处理后，再将所述纳米颗粒PZT在纯氧环境中进行氧气吸附处理，得到纳米颗粒OPZT；
将所述纳米颗粒OPZT与PVP混合在水中，搅拌后使PVP包覆所述纳米颗粒OPZT，得到纳米载氧颗粒OPZTP。
可选地，所述光敏分子为含铂的近红外花菁染料分子。
可选地，所述ZIF-90与光敏分子的质量比为100：1。
可选地，所述纳米颗粒OPZT与PVP的质量比为1:6。
可选地，对所述纳米颗粒PZT进行抽真空处理后，再将所述纳米颗粒PZT在纯氧环境中进行氧气吸附处理的步骤中，抽真空处理的时间为12h，氧气吸附处理的时间为48h。
本发明第二方面，提供一种纳米载氧颗粒，其采用如上所述纳米载氧颗粒的制备方法制得。
本发明第三方面，提供一种如上所述纳米载氧颗粒在制备***的药物的应用。
可选地，所述***的药物为荧光、光声双模态成像指导下的肿瘤化疗与光动力学治疗的联合治疗药物。
有益效果：本发明提供的纳米载氧颗粒可实现肿瘤细胞线粒体靶向的化疗和光动力联合治疗，通过近红外光敏剂分子的成像功能，指示该纳米载氧颗粒在肿瘤部位高效蓄积，并在肿瘤微环境中低pH和高ATP条件下响应降解，释放氧气和光敏剂兼化疗药物，损伤癌细胞线粒体，在低浓度下实现良好的抗肿瘤治疗效果。由于纳米载体合成方法简单，快捷，可以用于大规模生产，因此，该纳米载氧颗粒在克服肿瘤乏氧微环境方面具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种纳米载氧颗粒的制备方法流程图。
图2为合成过程中不同步骤形成的纳米颗粒的透射电镜图及对应的水合粒径，其中，a为纳米载体(ZIF-90)的透射电镜图及对应的水合粒径；b为纳米载体负载光敏分子(PZ)的透射电镜图及对应的水合粒径；c为纳米载体负载光敏分子并连接三苯基膦(PZT)的透射电镜图及对应的水合粒径；d为纳米载体负载光敏分子连接三苯基膦并载氧气后包覆PVP(OPZTP)的透射电镜图及对应的水合粒径。
图3为不同pH以及不同ATP浓度下，纳米载体响应性降解的情况示意图，其中，a为降解后的透射电镜图；b为降解后的氧气释放情况；c为pH 7.4时不同浓度ATP情况下单线态氧荧光探针SOSG测得其光动力增强效果；d为pH 6.5时不同浓度ATP情况下SOSG测得纳米颗粒光动力效果。
图4为不同浓度纳米载氧颗粒在不同条件下与4T1细胞孵育后的细胞存活率。
图5为不同条件下纳米载氧颗粒在4T1细胞中的活性氧的产生效率。
图6中a-b为在光声成像指导下，不同时间纳米载氧颗粒在荷瘤小鼠肿瘤部位的蓄积量结果图；图6中c-d为不同时间纳米载氧颗粒中负载的氧气对荷瘤小鼠肿瘤部位血氧饱和度的影响图。
图7为在荧光成像指导下，不同时间纳米载氧颗粒在荷瘤小鼠肿瘤部位的蓄积量。
图8为纳米载氧颗粒在活体肿瘤模型中的抑瘤效果。
具体实施方式
本发明提供一种纳米载氧颗粒及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种纳米载氧颗粒的制备方法，如图1所示，其包括步骤：
S10、将ZIF-90与光敏分子混合在有机溶剂中，搅拌使所述光敏分子装载入所述ZIF-90中，得到纳米颗粒PZ；
S20、将所述纳米颗粒PZ分散在水中，加入三苯基膦后搅拌使所述三苯基膦偶联在所述纳米颗粒PZ上，得到纳米颗粒PZT；
S30、对所述纳米颗粒PZT进行抽真空处理后，再将所述纳米颗粒PZT在纯氧环境中进行氧气吸附处理，得到纳米颗粒OPZT；
S40、将所述纳米颗粒OPZT与PVP混合在水中，搅拌后使PVP包覆所述纳米颗粒OPZT，得到纳米载氧颗粒OPZTP。
本实施例采用pH和ATP双响应的含锌离子金属有机骨架(ZIF-90)纳米材料，构建肿瘤微环境响应的纳米载氧颗粒(氧增强***)，并负载光敏分子实现了肿瘤化疗与光动力学治疗(PDT)的联合治疗；本实施例提供的纳米载氧颗粒可实现肿瘤细胞线粒体靶向的化疗和光动力联合治疗，通过近红外光敏剂分子的成像功能，指示该纳米载氧颗粒在肿瘤部位高效蓄积，并在肿瘤微环境中低pH和高ATP条件下响应降解，释放氧气和光敏剂兼化疗药物，损伤癌细胞线粒体，在低浓度下实现良好的抗肿瘤治疗效果。
本实施例制得的纳米载氧颗粒OPZTP还可以用于负载各种化疗药物、光敏剂、声敏剂、放疗增敏剂等构建化疗、PDT、声动力学治疗、放疗等多种治疗方式的联合治疗。由于纳米载体合成方法简单，快捷，可以用于大规模生产，因此，该纳米载氧颗粒在克服肿瘤乏氧微环境方面具有良好的应用前景。
在一些实施方式中，所述光敏分子为含铂的近红外花菁染料分子，但不限于此。
在一些实施方式中，所述ZIF-90与光敏分子的质量比为100：1。
在一些实施方式中，所述纳米颗粒OPZT与PVP的质量比为1:6。
在一些实施方式中，对所述纳米颗粒PZT进行抽真空处理后，再将所述纳米颗粒PZT在纯氧环境中进行氧气吸附处理的步骤中，抽真空处理的时间为12h，氧气吸附处理的时间为48h。
在一些实施方式中，还提供一种纳米载氧颗粒，其采用如上所述纳米载氧颗粒的制备方法制得。在本实施例中，所述纳米载氧颗粒的主体结构由含锌离子的金属有机骨架结构构成，具有载氧能力和pH/ATP双响应降解的能力，其表面可修饰线粒体靶标，可负载各类药物分子，光敏剂，声敏剂，放疗增敏剂等功能分子；所述金属有机骨架结构为ZIF-90，其原理是金属离子与氢离子或三磷酸腺苷(ATP)竞争配位导致金属骨架降解；多孔结构可吸附大量氧气分子或其他化合物；骨架结构中的醛基可与含氨基、羧基的结构基团反应实现靶向官能团的修饰，其应用为抗肿瘤联合治疗
在一些实施方式中，还提供一种如上所述纳米载氧颗粒在制备***的药物的应用。本实施例中，所述***的药物为荧光、光声双模态成像指导下的肿瘤化疗与光动力学治疗的联合治疗药物。
在本实施例中，所述***的药物包括所述纳米载氧颗粒以及负载在所述纳米载氧颗粒上的化疗药物，所述化疗药物为阿霉素，紫杉醇，顺铂等，卟啉类光敏剂，卟啉类声敏剂和重金属放疗增敏剂中的一种或多种，但不限于此。
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步地说明。
实施例1：纳米载氧颗粒的制备：
1)、制备沸石咪唑酯骨架ZIF-90：将22mg的醋酸锌溶于2mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，搅拌均匀后，向上述溶液中加入3mL咪唑-2-甲醛(2-ICA，6.3mg/mL)的DMF溶液，快速搅拌15分钟后，离心，用DMF、水、乙醇各洗一次，制得沸石咪唑酯骨架(ZIF-90)；
2)、将光敏分子装载入纳米载体中(PZ)：将1)中制备的ZIF-90与溶于DMSO中的含铂的近红外花菁染料分子(IRDPA-Pt)以质量比为100:1混合，搅拌12小时；离心水洗后可获得纳米颗粒PZ；
3)、将三苯基膦偶联在纳米载体上(PZT)：将(2)中所获得的纳米颗粒分散于1mL水中，加入100μL三苯基膦(1mg/mL),搅拌12小时后，离心水洗可获得纳米颗粒PZT；
4)、载入氧气(OPZT)：将上述(3)中获得的纳米颗粒抽真空12小时后，在纯氧气环境中吸附氧气48小时，即可得到最终的纳米颗粒OPZT；
5)、改善分散性(OPZTP)：将上述(4)中获得的载氧纳米颗粒OPZT与PVP以质量比1：6的比例在水中混合，搅拌4小时，即可得到良好分散性的可应用的纳米载氧颗粒OPZTP。
图2是本实施例合成过程中不同步骤形成的纳米颗粒的透射电镜图及对应的水合粒径；a为纳米载体(ZIF-90)；b为ZIF-90负载光敏分子(PZ)；c为PZ偶联三苯基膦(PZT)；d为PZT吸附氧气并包覆PVP(OPZTP)。
实施例2：纳米载氧***的响应性降解情况及其对光动力的增强效果
分别对不同pH以及不同ATP浓度下，纳米载体响应性降解的情况。具体条件如下：将1mg的OPZTP分别溶解在含有0或5mM ATP，pH为6.5或7.4的1mL HEPES缓冲溶液中，然后5分钟、1、2、4、24小时时取样拍摄透射电镜。
将便携式溶氧仪***5mL含有10mg OPZTP的不同ATP浓度(0、1、5mM)，pH为6.5或7.4的溶液中，测得不同时间点溶液中氧气含量，从而得到氧气释放情况。
将330μL甲醇加入100μg的SOSG固体中，配制成0.5mM的SOSG检测液，用甲醇稀释十倍。将1mg的PZ和OPZ分别溶解在含有0、1、5mM ATP的，pH为6.5或7.4的1mL HEPES缓冲溶液中，分别取90μL上述溶液加入96孔板中孵育半小时后，再加入10μL SOSG溶液，635nm激光器以0.2W/cm2的功率对每个孔光照5分钟，然后在Synergy H1型酶标仪上检测488nm激发时525nm处的荧光值。
图3中a为纳米载氧颗粒降解后的透射电镜图，从透射电镜图可明显看出在低pH，高ATP浓度下ZIF-90降解的最快；图3中b为纳米载氧颗粒降解后的氧气释放情况，低pH，高ATP浓度下ZIF-90降解的最快，释放后溶液中的含氧量更高；图3中c为pH＝7.4时，ATP浓度越高，纳米载氧颗粒降解释放的氧气越多，对光敏剂产生的光动力增强效果越明显；图3中d为pH＝6.5时，纳米载体的光动力效果比中性条件下时增强更多。说明纳米载体可以有效提高光动力学治疗效果。
实施例3：纳米氧载体在细胞水平的治疗效果评价
采用标准的MTT法，评价氧气增强的化疗协同光动力治疗作用对4T1细胞存活率的影响。小鼠乳腺癌细胞(4T1)每孔5×103密度接种到96孔板中，并分别置于37℃、5％CO2、21％O2条件下培育24小时。接着，吸出96孔板中的旧培养基，分别加入含有0、5、10、20、40μg/mL PZTP和OPZTP的培养基溶液。继续同样条件培养24小时后，然后吸出96孔板中的旧培养基，在每个孔中加入100μL含10％MTT的培养基溶液(0.5mg/mL)，继续培养4小时。吸出96孔板中的残余培养基，在每个孔中加入150μL DMSO溶液，轻轻摇晃后，在Synergy H1型酶标仪上检测每孔的OD值(检测波长为490nm)，用如下公式计算细胞存活率。细胞存活率(cellviability)(％)＝(样品的OD490值/空白OD490值)×100％。而光照组在加入含纳米载体的溶液后继续培养4小时后，用635nm激光器以0.2W/cm2的功率对每个孔光照5分钟，然后继续培养20小时，后续操作步骤与不照光组相同。乏氧组则是在加入纳米颗粒后置于37℃、5％CO2、5％O2条件下培养4小时后，再用相同条件照光，放回乏氧环境继续培养，后续步骤与其余组相同。
如图4所示为不同浓度纳米载氧***在不同条件下与4T1细胞孵育后的细胞存活率，图4中a表示单纯纳米载氧***的细胞毒性较低，表明其具有良好的生物安全性。图4中b表示在浓度达到40μg/mL，照射激光5分钟时，肿瘤细胞的存活率降低到20％以下。图4中c和图4中d表示对比常氧环境下，乏氧环境下的细胞存活率会有所上升，这也说明肿瘤的乏氧微环境对化疗和光动力学治疗都有明显的耐受性。
实施例4：纳米氧载体在细胞水平的氧增强光动力效果评价
在高内涵专用96孔细胞培养板中接种4T1细胞每孔5×103密度接种到96孔板中，并置于37℃、5％CO2、21％O2条件下培育24小时。接着，吸出孔板中的旧培养基，分别加入含有20μg/mL PZTP和OPZTP的培养基溶液。继续同样条件(常氧)或37℃、5％CO2、5％O2(乏氧)条件下培养4小时后，然后用635nm激光器以0.2W/cm2的功率对每个孔光照5分钟后，将1μL活性氧荧光探针DCFH-DA用无血清培养基稀释5000倍，每孔加100μL，孵育半小时后，以488nm激发，530nm接收，拍摄荧光图片。
图5是纳米载体在细胞中产生的活性氧，相同条件下载氧组的荧光强度更高，即更强的光动力学治疗效果。
实施例5：评价纳米氧载体在肿瘤的蓄积量变化以及对肿瘤部位氧气浓度的影响
构建小鼠的乳腺癌模型。购买雌性无胸腺裸鼠(六周，20-25g)，在裸鼠右后腿皮下注射150万4T1肿瘤细胞。当肿瘤体积达80mm3时，将100μL不载氧(PZTP)或载氧(OPZTP)的纳米溶液通过尾静脉注射(5mg/mL)的方式注入小鼠体内，利用小动物荧光成像***(IVISSpectrum)和小动物光声成像***(VisualSonics Vevo LAZR system)，检测肿瘤区的荧光信号和光声信号随时间的变化。
图6中a-b光声成像中显示纳米颗粒在8小时后达到肿瘤最大蓄积量。图6中c-d为利用血氧饱和度检测小鼠肿瘤部位的氧气含量变化结果图，结果显示，纳米载氧***(OPZTP)可以明显的提高小鼠肿瘤部位的含氧量，而不载氧的纳米***(PZTP)则不能影响肿瘤含氧量。
如图7所示，在荧光成像下，肿瘤部位同样在纳米颗粒注入8小时后有最强的荧光信号。
实施例6：纳米载体活体水平治疗效果的评价
构建小鼠的乳腺癌模型。购买雌性无胸腺裸鼠(六周，20-25g)，在裸鼠右后腿皮下注射150万4T1肿瘤细胞。当肿瘤体积达80mm3时，将荷瘤小鼠随机分为7组，分别为：(1)空白组；(2)PZTP组；(3)OPZTP组；(4)PZTP+激光组；(5)OPZTP+激光组；将100μL的PZTP或OPZTP溶液(5mg/mL)通过尾静脉注射的方式注入小鼠体内，在注射后8小时对需要激光照射的组用635nm激光器0.2W/cm2的功率照射，每只20分钟。从第一次给药时算起，每隔一天用游标卡尺测量肿瘤体积，并按照公式V＝AB2/2计算肿瘤体积，其中A是肿瘤的长径，B是肿瘤的短径(mm)。每次测量结果均通过处理前的起始肿瘤体积归一化，并且观察每组老鼠的生存周期。实验结果见图8所示，图8中a表示不同治疗组肿瘤体积随时间的变化情况以及治疗过程中小鼠体重的变化。结果显示载氧组可以明显提高肿瘤的化疗和光动力学治疗效果，并且在治疗过程中小鼠的体重没有明显变化(图8中b所示)，说明纳米载氧***具有良好的生物安全性。
综上所述，本发明所述的纳米载氧***构建了一种可靶向肿瘤线粒体的pH/ATP双响应的纳米载氧颗粒，通过负载光敏分子，实现了荧光、光声双模态成像指导下的肿瘤化疗与光动力学治疗的联合治疗。
应当理解的是，ZIF-90载氧***不止仅局限于上述列举的应用，还可以用于负载各种化疗药物、光敏剂、声敏剂、放疗增敏剂等构建化疗、光动力学治疗、声动力学治疗、放疗等多种治疗方式的联合治疗。对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种纳米载氧颗粒的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将ZIF-90与光敏分子混合在有机溶剂中，搅拌使所述光敏分子装载入所述ZIF-90中，得到纳米颗粒PZ；
将所述纳米颗粒PZ分散在水中，加入三苯基膦后搅拌使所述三苯基膦偶联在所述纳米颗粒PZ上，得到纳米颗粒PZT；
对所述纳米颗粒PZT进行抽真空处理后，再将所述纳米颗粒PZT在纯氧环境中进行氧气吸附处理，得到纳米颗粒OPZT；
将所述纳米颗粒OPZT与PVP混合在水中，搅拌后使PVP包覆所述纳米颗粒OPZT，得到纳米载氧颗粒OPZTP。
2.根据权利要求1所述纳米载氧颗粒的制备方法，其特征在于，所述光敏分子为含铂的近红外花菁染料分子。
3.根据权利要求1所述纳米载氧颗粒的制备方法，其特征在于，所述ZIF-90与光敏分子的质量比为100：1。
4.根据权利要求1所述纳米载氧颗粒的制备方法，其特征在于，所述纳米颗粒OPZT与PVP的质量比为1:6。
5.根据权利要求1所述纳米载氧颗粒的制备方法，其特征在于，对所述纳米颗粒PZT进行抽真空处理后，再将所述纳米颗粒PZT在纯氧环境中进行氧气吸附处理的步骤中，抽真空处理的时间为12h，氧气吸附处理的时间为48h。
6.一种纳米载氧颗粒，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述纳米载氧颗粒的制备方法制得。
7.一种如权利要求6所述纳米载氧颗粒的应用，其特征在于，将所述纳米载氧颗粒用于制备***的药物。
8.根据权利要求7所述纳米载氧颗粒的应用，其特征在于，所述***的药物为荧光、光声双模态成像指导下的肿瘤化疗与光动力学治疗的联合治疗药物。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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