CN103330938A - 肿瘤靶向性光敏剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了两种肿瘤靶向性光敏剂及其制备方法与应用。所述光敏剂HSA-(PpIX)2是由HSA和PpIX通过偶联反应制备得到的。通过改性，不仅改善了PpIX生物相容性及光化学性质，对癌细胞有更强的杀伤作用，同时保持了原卟啉的荧光性质。另外，HSA-(PpIX)2负载富勒烯衍生物之后可以用于调节活性氧的产量。小鼠乳腺癌模型活体实验表明，该类光敏剂可通过纳米材料特有的EPR效应高效的富集在肿瘤部位，实现活体水平高灵敏的荧光成像，从而对肿瘤进行准确定位和监测最佳治疗时间。通过16天内光动力治疗效果的监测，发现该光敏剂可以有效的抑制肿瘤的生长。
Description
技术领域
本发明涉及两种肿瘤靶向性光敏剂及其制备方法与应用。
背景技术
近年来癌症的发病率和死亡率均呈上升趋势，严重地威胁着人类的健康。到目前为止，尚没有有效的方法遏制癌症的发生发展，寻找新型有效的癌症的诊断与治疗方法尤为迫切。光动力治疗（Photodynamic Therapy，PDT）是近二十年来新兴的一种治疗恶性肿瘤的新疗法，与传统的治疗手段手术、放疗和化疗相比，其显著的优势在于，可以选择性的给靶组织实施光照，因光敏剂仅在光照范围内有效，从而减少对正常组织的损伤，从而达到物理靶向治疗的目的。光动力疗法的三要素是光敏剂、光源以及氧气。光敏剂通过静脉注射，经血液循环会在肿瘤部位聚集（新生血管丰富），在冷光源（非热能激光）照射下，在氧气参与下可以产生具有杀伤作用的活性氧物质，能够破坏蛋白质、核酸等生物大分子，从而达到杀死肿瘤细胞的目的。光敏剂是光动力治疗中的核心组成部分，用于光动力治疗的理想光敏剂应具备以下特性：1）在光疗窗口600-800nm有较强的吸收；2）高的单线态氧产率；3）光毒性强而暗度性低；4）具有一定的肿瘤靶向性；5）组分确定；6）具有荧光特性，可以进行肿瘤的定位与早期诊断。到目前为止，已经开发出的光敏剂主要是基于卟啉/酞菁类的物质，可用于多类癌症的治疗。但是，这些光敏剂尚存在不足之处，如第一代光敏剂血卟啉衍生物和二血卟啉酯等，摩尔吸光率较低，不能充分地将光转换为细胞毒性物质；第二代光敏剂包括5-氨基酮戊酸(5-ALA)和初卟啉锡(SnEtz)等虽克服了这一缺点，但是这些光敏剂在肿瘤细胞中的富集效果有一定的局限性，提高光敏剂在肿瘤组织的含量是提高光动力疗效的重要策略。
发明内容
本发明的目的是提供一种肿瘤靶向性光敏剂HSA-(PpIX)2及其制备方法。
本发明所提供的肿瘤靶向性光敏剂HSA-(PpIX)2是由人血清白蛋白（HSA）和光敏剂原卟啉IX(PpIX)通过酰胺键偶联反应制备得到的；其中，HSA与PpIX的偶联比为1：2。
所述肿瘤靶向性光敏剂HSA-(PpIX)2的制备方法，具体包括下述步骤：将HSA溶于pH值为7.0-7.4（优选pH值为7.4）的PBS缓冲液中，分批加入过量的PpIX的DMSO溶液，并用碱调节pH值至7-7.4，进行反应，得到含所述HSA-(PpIX)2的溶液。
其中，所述HSA与PpIX的摩尔比例为HSA:PpIX=1:20-1:50。
所述碱可由0.1M NaOH溶液提供。
所述反应的反应温度为室温，反应时间为4-8h。
为了得到纯化的HSA-(PpIX)2，所述方法还包括如下步骤：将得到的含HSA-(PpIX)2的溶液使用MW=12,000-14,000透析袋透析除去小分子，最后用葡聚糖凝胶Sephadex G-25进行分离纯化，得到纯化的HSA-(PpIX)2溶液；其中，分离纯化所采用的洗脱液为：pH=5.5-6.5且浓度为0.1-0.5M的CH3COONa溶液。
上述分离纯化的过程，在365nm处使用紫外可见分光光度计实时监控透析液中PpIX的吸收光谱，确保纯化彻底。
本发明还可对上述肿瘤靶向性光敏剂HSA-(PpIX)2进一步负载富勒烯羧酸衍生物，得到一种新型的肿瘤靶向性光敏剂，用于调节活性氧的产生和提高光敏剂的稳定性。
所述新型肿瘤靶向性光敏剂由HSA-(PpIX)2与富勒烯羧酸衍生物通过酰胺键偶联反应制备得到；所述富勒烯羧酸衍生物的分子表达式为C60[C(COOH)2]x，其中，x=2-4；所述HSA-(PpIX)2与富勒烯羧酸衍生物的偶联比为1：1。
所述新型肿瘤靶向性光敏剂的制备方法，具体包括下述步骤：
a）将富勒烯羧酸衍生物溶于MES（2-(N-吗啉基）乙磺酸）缓冲液中，加入EDC·HCl（1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐）和NHS（N-羟基琥珀酰亚胺），室温下反应，得到富勒烯羧酸活性酯溶液；
b）将HSA-(PpIX)2加入到所述富勒烯羧酸活性酯溶液中搅拌反应，即得到含所述新型肿瘤靶向性光敏剂的溶液。
其中，步骤a）中所述MES缓冲液的pH值为4.7-6.0；所述富勒烯羧酸衍生物在所述MES缓冲液中的浓度为1mg/mL。
所述富勒烯羧酸衍生物、EDC·HCl、NHS的摩尔比1:6:6；所述反应的反应时间为2-4小时。
所述方法还包括：将步骤b）得到的含所述新型的肿瘤靶向性光敏剂的溶液使用Mw=12,000-14,000透析袋透析除去小分子，之后使用Mw=10,000的超滤离心管除去未反应的富勒烯分子，通过测定滤液的紫外可见吸收进行监控直至完全除去富勒烯羧酸衍生物，得到纯化后的新型肿瘤靶向性光敏剂，即HSA-(PpIX)2-{C60[C(COOH)2]x}。
本发明的再一个目的是提供上述两种光敏剂即HSA-(PpIX)2和HSA-(PpIX)2-{C60[C(COOH)2]x}的应用。
本发明所提供的应用是上述两种光敏剂在下述方面的应用：1）在制备抗肿瘤光动力治疗药物中的应用；2）在荧光成像中的应用；3）纳米生物医学研究中的应用。其中，所述肿瘤为癌，所述癌具体可为乳腺癌，所对应的乳腺癌细胞具体可为4T1细胞。
在本发明中，我们利用人血清白蛋白对传统光敏剂原卟啉IX（PpIX）进行改性，不仅改善了其生物相容性及光化学性质，而且还表现出更强的癌细胞杀伤作用，同时保持了原卟啉的荧光性质。另外，通过进一步负载富勒烯衍生物可以用于调节活性氧的产量，提高光敏剂的稳定性。更为重要的是，该类光敏剂具有纳米材料特有的EPR效应，可以高效的富集在肿瘤部位。荷乳腺癌小鼠模型实验结果表明，该类光敏剂可通过活体高灵敏的荧光成像进行肿瘤定位、判断最佳治疗时间以及监测疗效。通过监测16天内光动力治疗效果，我们发现该光敏剂可以有效的抑制肿瘤的生长。该光敏剂具有制备方法简单快速、生物相容性好、在肿瘤组织高度富集的特性，作为抗肿瘤光动力治疗药物具有良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的光敏剂HSA-(PpIX)2的制备流程图。
图2为实施例2制备的光敏剂HSA-(PpIX)2-TF60的制备流程图。
图3为实施例1和实施例2的质谱图，（A）HSA，（B）HSA-(PpIX)2和（C）HSA-(PpIX)2-TF60
图4为实施例1（A）中和实施例2（B）中制备的光敏剂分别在水中及盐水中粒径分布图。
图5为实施例1中和实施例2中制备的光敏剂的荧光光谱（488nm激发）。
图6为实施例1中和实施例2中制备的光敏剂以及对比实例的细胞毒性实验。
图7为实施例1中和实施例2中制备的光敏剂对HeLa细胞的光毒性实验。
图8为实施例1中制备的光敏剂静脉注射于荷瘤小鼠体内后，24h内实时监测得到的肿瘤荧光成像图。
图9为静脉注射实施例1中制备的光敏剂后，在24h时主要器官的荧光成像。
图10为实施例1和实施例2中制备的光敏剂以及对照实例对荷瘤小鼠活体光动力实验。
图11为肿瘤组织的HE染色图；其中，A:control;B:PpIX;C:HSA-(PpIX)2;D:HSA-(PpIX)2-TF60。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
对比例：使用PpIX作为对照组来比较结合蛋白和富勒烯衍生物前后肿瘤富集效果以及光动力治疗效果。PpIX购买于Sigma-Aldrich公司，因其水溶性较差，实验中使用DMSO助溶。
实施例1：HSA-(PpIX)2光敏剂的制备过程
图1为HSA-(PpIX)2制备流程示意图
1）将100mg HSA溶于5mL PBS（pH7.4）缓冲液中，直接分批加入500μL浓度为10mM的PpIX的DMSO溶液，使用0.1M NaOH溶液调节pH至7左右，室温下反应4h；
2）反应后使用MW=12,000-14,000透析袋透析除去小分子，最后通过葡聚糖凝胶Sephadex G-25（PD-10目）进行进一步分离纯化，洗脱液：0.5M CH3COONa(pH=6.0)，在365nm处使用紫外可见分光光度计实时监控透析液中PpIX的吸收光谱，确保纯化彻底，得到HSA-(PpIX)2光敏剂。
实施例2：HSA-(PpIX)2-TF60光敏剂的制备过程
图2为HSA-(PpIX)2-TF60制备流程示意图
a）（C60[C(COOH)2]x(x=3)，简称TF60）制备：参考文献（Bingel,C.,Cyclopropanierungvon Fullerenen.ChemischeBerichte1993,126(8),1957-1959.）制备富勒烯羧酸酯衍生物，之后使用NaH水解得到富勒烯羧酸衍生物。
b）10mg富勒烯羧酸衍生物（C60[C(COOH)2]x(x=3)）溶于10mL MES（pH5.5）缓冲液中，加入10mg EDC和5mg NHS（C60[C(COOH)2]x与EDC，NHS摩尔比为1:6:6），室温下反应2h，得到富勒烯羧酸活性酯。
c）将10mg HSA-(PpIX)2加入到上述富勒烯羧酸活性酯溶液中，室温下搅拌过夜，使用MW=12,000-14,000透析袋透析除去小分子，之后使用MW=10,000的超滤离心管除去未反应的富勒烯分子，通过测定滤液的紫外可见吸收进行监控，直至完全除去富勒烯羧酸衍生物，得到HSA-(PpIX)2与富勒烯羧酸衍生物的偶联物HSA-(PpIX)2-TF60。
图3A-C分别为HSA、HSA-(PpIX)2和HSA-(PpIX)2-TF60的质谱图，通过分子离子峰可以大致计算出偶联比为HSA:PpIX:TF60=1:2:1。
图4A和4B为HSA-(PpIX)2和HSA-(PpIX)2-TF60分别在水中和盐水中的粒径分布图，两种光敏剂的粒径分布在65-90nm范围内，适用于纳米生物医学研究。
使用荧光光谱表征了光敏剂的荧光性质，如图5所示。HSA-(PpIX)2和HSA-(PpIX)2-TF60在408nm波长下激发具有很强的荧光强度，但在同一浓度下（20μM），由于富勒烯衍生物π体系具有淬灭荧光的性质，HSA-(PpIX)2的荧光强度是HSA-(PpIX)2-TF60的两倍左右，这种荧光淬灭特性可用来调节活性氧的产率。利用HSA-(PpIX)2的荧光特性可进行肿瘤的定位和判定治疗的最佳时间。
实施例3：光敏剂活体水平光动力效果评价
1、光敏剂体外暗毒性实验：
5x104Hela细胞接种到96孔板中培养过夜，加入一系列浓度梯度的样品与细胞孵育24h后，使用WST-8分析细胞毒性，每孔中加入10μl CCK-8，用酶联免疫检测仪在450nm波长下测定其光吸收值，可间接反映活细胞数量。
样品在0-50μM浓度范围内与HeLa细胞孵育24h后的细胞活性如图6所示，未加样品的细胞以及PpIX（溶于2μL DMSO中）处理的细胞作为对照。使用HSA修饰的光敏剂明显增加了PpIX的生物相容性，在50μM浓度下没有明显的细胞毒性。富勒烯的加入在一定程度上进一步降低细胞毒性，这是由于富勒烯羧酸衍生物在避光时是一种很好的自由基清除剂，而自由基的产生是导致细胞凋亡的重要环节。细胞活性结果表明，HSA-(PpIX)2/TF60没有明显的细胞毒性，可以进一步应用到细胞及活体内的实验中。
2、光敏剂在体外对HeLa细胞的光毒性：
光毒性测试：5x104Hela细胞接种到96孔板中培养过夜，加入一系列浓度梯度的样品与细胞孵育3h后，去除培养基，加入无酚红培养基，在可见光源（400-700nm）下照射不同时间，光源型号：MVL-210,MEJIRO GENOSSEN，日本。更换培养基，继续孵育24h后，使用WST-8测定细胞活性。每次实验重复三次，取平均值。
光敏剂的光毒性通过光照下测定细胞活性加以评估，图7列出了三种光敏剂分子在1μM浓度时，1mW/cm2光照强度下光照1、2、5和10min后光毒性，可以看出，即使在低剂量光照（0.06J/cm2）下，HSA-(PpIX)2仍然表现出显著的光毒性；随着光照时间的延长，PpIX和HSA-(PpIX)2-TF60均表现出明显的光毒性。这种现象可能与三者的细胞摄取量直接相关。另一方面，在低剂量的光照强度下，由于富勒烯羧酸衍生物表现出淬灭自由基的性质，因此HSA-(PpIX)2-TF60光毒性低于HSA-(PpIX)2，这种光毒性受光照强度依赖，可以用于调节活性氧的产率。
3、活体荧光成像：
首先利用HSA-(PpIX)2的荧光性质进行肿瘤的定位和确定最佳治疗时间。
动物模型：选用4-5周BALB/c小鼠，在右侧大腿上接种106个小鼠乳腺癌细胞（4T1细胞），接种3-5天后，肿瘤直径达到5mm左右时，进行实验。
静脉注射100μL浓度为1.5mM的HSA-(PpIX)2，分别监测注射15min、1h、2h、4h和24h后肿瘤部位的荧光强度，24h后解剖各个器官进行荧光成像。
如图8所示，随着时间的延长，在肿瘤部位的荧光强度不断增强，表明光敏剂在肿瘤部位的积聚是时间依赖的。注射后4h后，光敏剂在肿瘤部位有明显的积聚，在24h时积聚仍在加剧。通过对24h后各个器官的荧光成像（图9）分析，我们发现在24h时肿瘤部位光敏剂的浓度远高于其在肝和肾脏中的浓度。这一结果充分表明，通过HSA负载的光敏剂表现出优越的肿瘤靶向行为，在之后的活体光动力实验中，我们选择光敏剂注射4h和24h后的时间点进行光照。
4、荷瘤鼠活体光动力实验：
使用上述动物模型，使用白光光源（400-800nm），功率密度为100mW/cm2，每组5只小鼠，静脉注射4h和24h后的时间点光照，每次光照15min，每隔一天测定肿瘤的大小，观察16天内光动力治疗效果。
图10为所制备光敏剂HSA-(PpIX)2和HSA-(PpIX)2-TF60的活体光动力实验，使用盐水和PpIX作为对照组，静脉注射100μL浓度为1.5mM光敏剂，统计16天内肿瘤的体积大小。从图10可以看出，静脉注射HSA-(PpIX)2或HSA-(PpIX)2-TF60的实验组，在10d内肿瘤得到了很好的抑制，而对照组则无明显的抑瘤效果。重要的是，HSA包裹的光敏剂可以延长PpIX在血液中的保留时间，可以进行多次光照提高疗效；富勒烯衍生物的引入可以调节活性氧的产率，通过调节光照强度调节光动力治疗的效果。
结合肿瘤病理切片，如图11所示，使用HE染色后，清晰地看到治疗组的恶性细胞的增值要比明显低于对照组，初步达到了治疗肿瘤的目的。
Claims (11)
1.一种光敏剂HSA-(PpIX)2，是由人血清白蛋白HSA和光敏剂PpIX通过酰胺键偶联反应制备得到的；其中，HAS与PpIX的偶联比为1:2。
2.根据权利要求1所述的光敏剂HSA-(PpIX)2，其特征在于：所述光敏剂是按照权利要求3-5中任一项所述方法制备得到的。
3.制备权利要求1所述光敏剂HSA-(PpIX)2的方法，包括下述步骤：将HSA溶于pH值为7.0-7.4的PBS缓冲液中，分批加入过量的PpIX的DMSO溶液，并用碱调节pH值至7-7.4，进行反应，得到含所述HSA-(PpIX)2的溶液。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述HSA与PpIX的摩尔比为1:20-1:50；
所述碱由0.1M NaOH溶液提供；
所述反应的反应温度为室温，反应时间为4-8h。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于：所述方法还包括如下步骤：将含所述HSA-(PpIX)2的溶液使用MW=12,000-14,000透析袋透析除去小分子，最后用葡聚糖凝胶Sephadex G-25进行分离纯化，得到纯化的HSA-(PpIX)2溶液；其中，分离纯化所采用的洗脱液为：pH=5.5-6.5且浓度为0.1-0.5M的CH3COONa溶液。
6.一种光敏剂，由权利要求1或2所述的HSA-(PpIX)2与富勒烯羧酸衍生物通过酰胺键偶联反应制备得到的；所述富勒烯羧酸衍生物的分子表达式为C60[C(COOH)2]x，其中，x=2-4；所述HSA-(PpIX)2与富勒烯羧酸衍生物的偶联比为1：1。
7.权利要求6所述的光敏剂，其特征在于：所述光敏剂是按照权利要求8或9所述方法制备得到的。
8.制备权利要求6所述光敏剂的方法，包括下述步骤：
a）将富勒烯羧酸衍生物溶于2-(N-吗啉基）乙磺酸缓冲液中，加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，室温下反应，得到富勒烯羧酸活性酯溶液；
b）将权利要求1或2所述的HSA-(PpIX)2加入到所述富勒烯羧酸活性酯溶液中搅拌反应，即得到含所述光敏剂的溶液。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤a）中所述2-(N-吗啉基）乙磺酸缓冲液的pH值为4.7-6.0；所述富勒烯羧酸衍生物在所述2-(N-吗啉基）乙磺酸缓冲液中的浓度为1mg/mL；
步骤a）中，所述富勒烯羧酸衍生物、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺的摩尔比为1:6:6；所述反应的反应时间为2-4小时。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：将步骤b）得到的含所述光敏剂的溶液使用Mw=12,000-14,000透析袋透析除去小分子，之后使用Mw=10,000的超滤离心管除去未反应的富勒烯分子的步骤。
11.权利要求1或2所述的光敏剂HSA-(PpIX)2或权利要求6或7所述的光敏剂在下述方面的应用：1）在制备抗肿瘤光动力治疗药物中的应用；2）在荧光成像中的应用；3）在纳米生物医学研究中的应用。
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