CN103721256A - 一种用于肿瘤光热切除治疗的近红外光热转换剂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于普鲁士蓝的近红外光热转换剂及其在肿瘤光热切除治疗中的应用。普鲁士蓝是一种古老的染料，同时是一种治疗铊辐射中毒的临床用药，其在近红外光区具有较强的吸收，并可将吸收的近红外光转换为热量，从而通过转换成的高热量靶向切除肿瘤细胞，应用于肿瘤的光热治疗。同现有光热治疗剂相比，普鲁士蓝具有光热转换效率高、成本低和制备简单的优点。最为重要的是由于普鲁士蓝早已具备多年的临床用药经验，因此其在人体内的生物安全性可以得到保障。

Description

一种用于肿瘤光热切除治疗的近红外光热转换剂

技术领域：

本发明属于生物材料技术领域，具体涉及将普鲁士蓝这种已具备多年临床经验的药物开发为一种可在近红外光区进行光热转换的生物材料，并重点将其用作近红外光热转换剂应用于肿瘤的光热切除治疗。

技术背景：

光热治疗是一种利用过高热进行的肿瘤治疗方法，这种方法主要利用光热转换剂将光转换为热量，从而通过局部增大的热量将靶向的肿瘤细胞杀死。同常规治疗方法不同，光热治疗可通过光热转换剂和激光，靶向的杀灭肿瘤细胞，从而不损伤肿瘤周边的正常组织，给人体带来的副伤害很小。同时，这种方法可通过光热转换剂产生的过高热高效的杀灭肿瘤细胞，因此肿瘤切除效果显著。由于这些优势，光热治疗成为近年来极具吸引力的研究热点，这种方法也极具潜力替代常规的治疗方法，如化疗和外科手术切除治疗等。

光热治疗离不开光热转换剂，只有在光热转换剂存在的情况下，才能将光能转换为热能，从而达到通过高热进行肿瘤切除的效果，可见光热转换剂的开发极为重要。近红外光热转换剂近年来成为研究的热点，近红外光的波长范围在700～1100nm。由于人体对近红外光的吸收较少，因此近红外光在人体组织中的穿透距离较深，从而更加适合实际临床应用。

目前共有四类近红外光热转换剂：(1)碳材料类，如碳纳米管和石墨烯；(2)金材料类，如金纳米棒和金纳米壳；(3)硫化铜半导体材料类；(4)有机化合物类。然而这些常规的光热转换剂存在一些缺陷，限制了其广泛的应用。首先，这些材料尤其是金材料和碳材料的价格非常昂贵，从而很难被普通老百姓所接受。其次这些材料的制备方法大都非常复杂，而且通常需要非常苛刻的制备条件，从而增大了生产成本，不利于其批量生产。最为重要的问题是这些材料在人体内的生物安全性得不到保障，尽管大量的体外研究已经证实了这些材料的生物相容性，然而由于缺乏人体内的实际临床试验，所以这些材料在人体复杂生物环境下的生物安全性终归得不到保障，从而使这个问题成为限制这些材料应用的最为严重的瓶颈。可见开发一种具备价格低、制备简单和体内生物安全性可以得到保障的新一代近红外光热转换剂势在必行。

普鲁士蓝是一种古老的染料，可追溯到18世纪，其基本结构式为Fe^III ₄[Fe^II(CN)₆]₃·nH₂O。这种材料制备极为简单，通过三氯化铁和亚铁氰化钾的简单混合即可，易于批量生产，成本也非常低，价格非常便宜，容易被广大老百姓所接受。同时普鲁士蓝纳米材料较容易进行表面修饰，而且粒径可控。最为重要的是普鲁士蓝还是一种用于治疗铊辐射中毒的临床用药，早已得到美国食品与药品监督管理局的认可，具备多年的临床用药经验。可见普鲁士蓝已经过了严格的人体内临床试验，其在人体内的生物安全性可以得到绝对的保障。除此之外，已有大量研究证实了普鲁士蓝在模拟人体条件下的可靠性，如在文献(1)Inorganic Chemistry Communications，2010，13：58-61和文献(2)Journalof Materials Chemistry，2010，20：5251-5259中，Mohammadreza Shokouhimehr等人详细研究了普鲁士蓝纳米粒子在人血浆中的稳定性、细胞的吞噬作用以及毒性氰化氢的产生情况。

目前，将普鲁士蓝开发为近红外光热转换剂并应用于肿瘤的光热切除治疗还未见报道。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种用于肿瘤光热切除治疗的近红外光热转换剂，将基于普鲁士蓝的微纳米材料开发为价格便宜、制备简单以及人体内生物安全性得到保障的新一代近红外光热转换剂，并将其应用于肿瘤的光热切除治疗。

普鲁士蓝是一种古老的染料，同时是一种治疗铊辐射中毒的临床用药，其在近红外光

区具有较强的吸收，并可将吸收的近红外光转换为热量，因此可以作为一种新型的近红外光热转换剂，从而通过转换成的高热量靶向切除肿瘤细胞，应用于肿瘤的光热治疗。同现有光热治疗剂相比，普鲁士蓝具有光热转换效率高、成本低和制备简单的优点。最为重要的是由于普鲁士蓝早已具备多年的临床用药经验，因此其在人体内的生物安全性可以得到保障。

本发明提供的一种用于肿瘤光热切除治疗的近红外光热转换剂是基于普鲁士蓝的微纳米材料。所述的普鲁士蓝的基本结构式为Fe^III ₄[Fe^II(CN)₆]₃·nH₂O，其中n的范围在0～20之间。所述的材料为纳米或微米级的材料，其粒径范围在10～2000nm之间，可为纳米粒子、介孔材料、纳米棒、纳米壳和微球中的一种或几种。所述的近红外光的波长范围在700～1100nm之间。

本发明提供的一种用于肿瘤光热切除治疗的近红外光热转换剂，制备普鲁士蓝纳米粒子的具体步骤如下：

A.表面保护剂和三氯化铁(FeCl₃)混合溶液的制备

将一定量的表面保护剂和FeCl₃的水溶液混合，使表面保护剂的终浓度为0～1.0M，并使FeCl₃的浓度为0.0001～1.0M。

B.表面保护剂和亚铁氰化钾(K₄[Fe(CN)₆])混合溶液的制备

将一定量的表面保护剂和K₄[Fe(CN)₆]的水溶液混合，使表面保护剂的终浓度为0～1.0M，并使K₄[Fe(CN)₆]的浓度为0.0001～1.0M。

C.普鲁士蓝纳米粒子的合成

分别将步骤A和B中制备的混合溶液加热到25～80℃，然后在25～80℃及搅拌下将步骤B制备的混合溶液滴加到步骤A制备的混合溶液中，搅拌速度为10～1000rpm/min，滴加速度为0.1～5.0mL/min。滴加完毕后，再在25～80℃下搅拌反应0～60min，然后搅拌下冷却至室温。

D.普鲁士蓝纳米粒子的收集

将丙酮和步骤C中制备的普鲁士蓝溶液以0∶1～1∶1的体积比混合，然后于500～12500rpm离心5～120min或采用微孔滤膜过滤溶液收集普鲁士蓝纳米粒子，将所得沉淀用上述同样方法洗涤1～4次。最后将得到的普鲁士蓝沉淀置真空干燥箱或真空冷冻箱中。真空干燥箱中于25～100℃条件下干燥2～24h，真空冷冻箱中干燥12～72h。

步骤A和B中所述的表面保护剂为分别为柠檬酸、酒石酸、己二酸、乙二胺四乙酸和二乙基三胺五乙酸中的一种或几种。

本发明的效果可以从本发明提供的普鲁士蓝纳米粒子看出。采用上述方法使用柠檬酸为表面保护剂制备的普鲁士蓝纳米粒子的粒径在10～50nm范围内。该柠檬酸表面修饰的普鲁士蓝纳米粒子在水中具有很好的分散型，同时在人血清中的分散型和稳定性均很好。制备的普鲁士蓝纳米粒子的最高吸收峰在712nm，在近红外光区700～900nm范围内仍具有很强的吸收，其在近红外光区的摩尔吸光系数和常规的金纳米棒的在同一个数量级(10⁹M^-1cm^-1)。采用总输出功率为2W波长为808nm的激光器照射3mL普鲁士蓝纳米粒子水分散液10min，水分散液的温度发生较快的升高，0.01mg/mL的普鲁士蓝纳米粒子水分散液温度可从初始温度升高12℃，0.5mg/mL的普鲁士蓝纳米粒子水分散液温度可升至60℃，将温度升至杀灭肿瘤细胞的临界温度(42℃)只需3min，表明普鲁士蓝具有较强的近红外光热转换能力。除此之外，和常规的金纳米棒相比较，普鲁士蓝的光热稳定性较强，从而更加适合于实际临床应用。采用HeLa细胞进行了普鲁士蓝纳米粒子的光热毒性实验，结果表明普鲁士蓝纳米粒子在0.016mg/mL时即可通过其较强的光热作用靶向杀灭肿瘤细胞，可见普鲁士蓝极具潜力成为新一代的近红外光热转换剂，从而应用于肿瘤的光热切除治疗。

同现有技术相比较，本发明提供的基于普鲁士蓝微纳米材料用于肿瘤光热切除治疗的近红外光热转换剂的突出优点是：

(1)价格低廉。合成普鲁士蓝微纳米材料的原料均是常规试剂，而且其价格都很便宜，因此普鲁士蓝的价格普遍低廉，更容易被广大老百姓所接受。

(2)制备简单。通过三氯化铁和亚铁氰化钾的简单混合即可制备出普鲁士蓝纳米粒子，成本非常低，所需的制备设备也较简单，易于大批量生产。

(3)表面易于修饰，粒径可控。可通过柠檬酸等表面保护剂对普鲁士蓝材料进行表面修饰，同时还可以控制其粒径。

(4)人体内生物安全性可得到保障。普鲁士蓝还是一种用于治疗铊辐射中毒的临床用药，早已得到美国食品与药品监督管理局的认可，具备多年的临床用药经验。可见普鲁士蓝已经过了严格的人体内临床试验，其在人体内的生物安全性可以得到绝对的保障。

附图说明

图1.(A)实施例1制备的普鲁士蓝纳米粒子的透射电镜图；(B)常规的金纳米棒的透射电镜图；(C)普鲁士蓝纳米粒子(0.05mg/mL)和金纳米棒(0.016mg/mL)水分散液的紫外-可见吸收光谱；(D)普鲁士蓝纳米粒子和金纳米棒水分散液的摩尔吸光系数曲线

(A)：比例尺-200(单位：纳米，nm)

(B)：比例尺-50(单位：纳米，nm)

(C)：横坐标-波长(单位：纳米，nm)

纵坐标-吸光度值

(D)：横坐标-波长(单位：纳米，nm)

纵坐标-摩尔吸光系数(单位：每摩尔厘米，M^-1cm^-1)

图2.实施例1制备的不同浓度的3mL普鲁士蓝纳米粒子水分散液在输出功率为2W波长为808nm的激光器照射10min过程中的温度变化曲线

横坐标-照射时间(单位：秒，s)

纵坐标-温度(单位：摄氏度，℃)

图3.实施例1制备的3mL普鲁士蓝纳米粒子(0.05mg/mL)和金纳米棒(0.016mg/mL)水分散液在808nm激光器连续照射4个循环过程中的温度变化曲线

横坐标-照射时间(单位：秒，s)

纵坐标-温度(单位：摄氏度，℃)

图4.HeLa细胞经不同光热处理并经钙黄绿素染色后的荧光显微镜图。(A)HeLa细胞未同普鲁士蓝纳米粒子孵育，HeLa细胞未经808nm激光照射；(B)HeLa细胞只经808nm激光照射10min；(C)HeLa细胞只同普鲁士蓝纳米粒子孵育(0.025mg/mL)；(D)HeLa细胞同普鲁士蓝纳米粒子孵育，HeLa细胞经808nm激光照射10min

比例尺-500(单位：微米，μm)

图5.HeLa细胞经实施例1制备的不同浓度的普鲁士蓝纳米粒子光热处理(输出功率2W的808nm激光照射10min)的细胞毒效应图

横坐标-浓度(单位：毫克每毫升，mg/mL)

纵坐标-细胞存活率(单位：百分之，％)

具体实施方式

实施例1

A.柠檬酸和三氯化铁(FeCl₃)混合溶液的制备

将一定量的柠檬酸和FeCl₃的水溶液混合，使柠檬酸的终浓度为0.025M，并使FeCl₃的浓度为0.05M。

B.柠檬酸和亚铁氰化钾(K₄[Fe(CN)₆])混合溶液的制备

将一定量的柠檬酸和K₄[Fe(CN)₆]的水溶液混合，使柠檬酸的终浓度为0.025M，并使K₄[Fe(CN)₆]的浓度为0.05M。

C.普鲁士蓝纳米粒子的合成

分别将步骤A和B中制备的混合溶液加热到60℃，然后在60℃及搅拌下将步骤B制备的混合溶液滴加到步骤A制备的混合溶液中，搅拌速度为500rpm/min，滴加速度为0.8mL/min。滴加完毕后，再在60℃下搅拌反应30min，然后搅拌下冷却至室温。

D.普鲁士蓝纳米粒子的收集

将丙酮和步骤C中制备的普鲁士蓝溶液以1∶1的体积比混合，然后于12500rpm离心60min收集普鲁士蓝纳米粒子，将所得沉淀用上述同样方法洗涤3次。最后将得到的普鲁士蓝沉淀置真空干燥箱中，于50℃条件下干燥12h。

如附图所示，采用上述方法制备的柠檬酸表面修饰的普鲁士蓝纳米粒子的平均粒径为42nm。制备的普鲁士蓝纳米粒子水分散液的最高吸收峰在712nm，在近红外光区700～900nm范围内仍具有很强的吸收，其在近红外光区的摩尔吸光系数和常规的金纳米棒的在同一个数量级(10⁹M^-1cm^-1)。采用总输出功率为2W波长为808nm的激光器照射3mL普鲁士蓝纳米粒子水分散液10min，水分散液的温度发生较快的升高，0.01mg/mL的普鲁士蓝纳米粒子水分散液温度可从初始温度升高12℃，0.5mg/mL的普鲁士蓝纳米粒子水分散液温度可升至60℃，将温度升至杀灭肿瘤细胞的临界温度(42℃)只需3min。除此之外，和常规的金纳米棒相比较，普鲁士蓝的光热稳定性较强，从而更加适合于实际临床应用。采用HeLa细胞进行了普鲁士蓝纳米粒子的光热毒性实验，结果表明普鲁士蓝纳米粒子在0.016mg/mL时即可通过其较强的光热作用靶向杀灭肿瘤细胞。

实施例2

A.柠檬酸和三氯化铁(FeCl₃)混合溶液的制备

将一定量的柠檬酸和FeCl₃的水溶液混合，使柠檬酸的终浓度为0.25M，并使FeCl₃的浓度为0.05M。

B.柠檬酸和亚铁氰化钾(K₄[Fe(CN)₆])混合溶液的制备

将一定量的柠檬酸和K₄[Fe(CN)₆]的水溶液混合，使柠檬酸的终浓度为0.25M，并使K₄[Fe(CN)₆]的浓度为0.05M。

C.普鲁士蓝纳米粒子的合成

分别将步骤A和B中制备的混合溶液加热到60℃，然后在60℃及搅拌下将步骤B制备的混合溶液滴加到步骤A制备的混合溶液中，搅拌速度为500rpm/min，滴加速度为0.8mL/min。滴加完毕后，再在60℃下搅拌反应30min，然后搅拌下冷却至室温。

D.普鲁士蓝纳米粒子的收集

将丙酮和步骤C中制备的普鲁士蓝溶液以1∶1的体积比混合，然后于12500rpm离心80min收集普鲁士蓝纳米粒子，将所得沉淀用上述同样方法洗涤3次。最后将得到的普鲁士蓝沉淀置真空干燥箱中，于50℃条件下干燥12h。

采用上述方法制备的柠檬酸表面修饰的普鲁士蓝纳米粒子的平均粒径为22nm。制备的普鲁士蓝纳米粒子水分散液的最高吸收峰在707nm，在近红外光区700～900nm范围内仍具有很强的吸收。采用总输出功率为2W波长为808nm的激光器照射3mL普鲁士蓝纳米粒子水分散液10min，水分散液的温度发生较快的升高，0.6mg/mL的普鲁士蓝纳米粒子水分散液温度可升至60℃，将温度升至杀灭肿瘤细胞的临界温度(42℃)只需4min。

采用HeLa细胞进行了普鲁士蓝纳米粒子的光热毒性实验，结果表明普鲁士蓝纳米粒子在0.032mg/mL时即可通过其较强的光热作用靶向杀灭肿瘤细胞。

Claims (6)

1.一种用于肿瘤光热切除治疗的近红外光热转换剂，其特征在于：近红外光热转换剂是基于普鲁士蓝的微纳米材料。

2.根据权利要求1所述的一种用于肿瘤光热切除治疗的近红外光热转换剂，其特征在于：所述的普鲁士蓝的基本结构式为FeIII₄[FeII(CN)₆]₃·nH₂O，其中n的范围在0～20之间。

3.根据权利要求1所述的一种用于肿瘤光热切除治疗的近红外光热转换剂，其特征在于：所述的材料为纳米或微米级的材料，其粒径范围在10～2000nm之间，可为纳米粒子、介孔材料、纳米棒、纳米壳和微球中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种用于肿瘤光热切除治疗的近红外光热转换剂，其特征在于：所述的近红外光的波长范围在700～1100nm之间。

5.根据权利要求1所述的一种用于肿瘤光热切除治疗的近红外光热转换剂，制备普鲁士蓝纳米粒子的具体步骤如下：

A.表面保护剂和三氯化铁(FeCl₃)混合溶液的制备

将一定量的表面保护剂和FeCl₃的水溶液混合，使表面保护剂的终浓度为0～1.0M，并使FeCl₃的浓度为0.0001～1.0M。

B.表面保护剂和亚铁氰化钾(K₄[Fe(CN)₆])混合溶液的制备

将一定量的表面保护剂和K₄[Fe(CN)₆]的水溶液混合，使表面保护剂的终浓度为0～1.0M，并使K₄[Fe(CN)₆]的浓度为0.0001～1.0M。

C.普鲁士蓝纳米粒子的合成

分别将步骤A和B中制备的混合溶液加热到25～80℃，然后在25～80℃及搅拌下将步骤B制备的混合溶液滴加到步骤A制备的混合溶液中，搅拌速度为10～1000rpm/min，滴加速度为0.1～5.0mL/min。滴加完毕后，再在25～80℃下搅拌反应0～60min，然后搅拌下冷却至室温。

D.普鲁士蓝纳米粒子的收集

将丙酮和步骤C中制备的普鲁士蓝溶液以0∶1～1∶1的体积比混合，然后于500～12500rpm离心5～120min或采用微孔滤膜过滤溶液收集普鲁士蓝纳米粒子，将所得沉淀用上述同样方法洗涤1～4次。最后将得到的普鲁士蓝沉淀置真空干燥箱或真空冷冻箱中。真空干燥箱中于25～100℃条件下干燥2～24h，真空冷冻箱中干燥12～72h。

6.根据权利要求5所述的一种用于肿瘤光热切除治疗的近红外光热转换剂，其特征是：步骤A和B中所述的表面保护剂为分别为柠檬酸、酒石酸、己二酸、乙二胺四乙酸和二乙基三胺五乙酸中的一种或几种。

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