CN103784979A

CN103784979A - 用于肝癌光热治疗和核磁影像的antiGPC3-PB NPs及其制备和应用

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Publication number: CN103784979A
Application number: CN201410021277.2A
Authority: CN
Inventors: 刘小龙; 刘景丰; 李正林; 黄爱民
Original assignee: FUZHOU INFECTIOUS DISEASES HOSPITAL
Current assignee: FUZHOU INFECTIOUS DISEASES HOSPITAL
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2034-01-17
Also published as: CN103784979B

Abstract

本发明涉及一种用于肝癌光热治疗和核磁影像GPC3抗体修饰普鲁士蓝纳米颗粒（antiGPC3-PB NPs）及其制备方法。所述antiGPC3-PB NPs由柠檬酸作为表面保护剂形成的普鲁士蓝纳米颗粒核心，和在其表面通过EDC/NHS共价偶联连接的GPC3抗体构成。本发明antiGPC3-PB NPs对肝癌细胞HepG2具有良好的靶向识别功能，有效地进入细胞内部；同时对HepG2细胞具有优秀的光热杀伤功能，能够用于肝癌细胞的光热治疗；具有良好的核磁共振造影成像功能，具有成为新一代靶向磁共振造影剂的潜力。

Description

用于肝癌光热治疗和核磁影像的antiGPC3-PB NPs及其制备和应用

（一）技术领域

本发明涉及一种用于肝癌光热治疗和核磁影像GPC3抗体修饰普鲁士蓝纳米颗粒（antiGPC3-PB NPs）及其制备方法和应用。

（二）背景技术

肝细胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）是临床上最常见的恶性肿瘤之一，其发病率呈逐年上升的趋势。据统计，全球每年新增肝癌患者约60万，其致死率达到第3位，仅仅稍次于肺癌和胃癌。我国是原发性肝癌的主要发病国，每年新增发病人数约占全球55%；在福建，肝癌位居所有恶性肿瘤死因第一位。肝癌治愈的关键是早期发现、早期诊断和早期治疗。其中早期诊断是关键，即在患者出现临床症状前或在癌症发生浸润前得以确诊，从而得到及时治疗，达到提高治愈率、降低死亡的目的。然而由于肝癌发病具有高度隐匿性，传统的诊断影像学因其主要以组织或者器官的性质改变为基础而使其应用具有很大的局限性，目前难以准确对肝癌进行早期诊断。

分子影像学技术可作为早期诊断的方法，利用它可以在临床症状还未出现时就检测到肿瘤的早期生物学特性。纳米技术的发展为分子影像学提供了坚实的基础，纳米分子探针是实现这一技术的首要条件。其中，MRI分子探针已成功应用于细胞表面受体表达异常、细胞代谢异常、酶活性异常、细胞凋亡、肿瘤血管生成等病理过程的活体可视化检测。目前在临床上使用得较多的主要是基于元素Gd、Mn或Fe这三种纳米探针，但由于它们在体内容易释放出相应的离子而表现出高毒性。

普鲁士蓝（Prussian blue）是一种历史悠久的蓝色染料，其制备过程非常简单且价格便宜。美国食品与药物管理局（FDA）于2003年批准将其作为治疗铯和铊辐射中毒的临床用药，它在人体内的生物安全性和代谢途径非常可靠。Shokouhimehr等研究证明普鲁士蓝纳米粒子（PB NPs）可以作为一种新型的T₁加权核磁共振分子探针，除此之外，Guanglei Fu等又发现PB NPs具有良好的光热转换性能，可以用于肿瘤光热治疗（Photothermal therapy，PTT）。与其他具有PTT功能的纳米颗粒（如：石墨烯、金纳米颗粒、碳纳米管等）相比，PB NPs具有非常优秀的光热转换效率，在很低的浓度且有近红外光的照射下，就可以有效地杀伤HeLa肿瘤细胞，能够用于肿瘤的光热治疗并且其制备过程“绿色”简单。除此之外，已有研究表明，普鲁士蓝纳米粒子可以通过胞吞等生物途径被细胞摄取，其细胞相容性很好；在血清和模拟胃酸中的稳定性很高，在生物体内不会释放游离的金属离子和毒性HCN，不易产生活性氧等有害物质。这些为普鲁士蓝纳米粒子的进一步研究和应用奠定了一定的生物医学基础。

关于PB NPs的MRI功能和PTT功能分别有研究报道，但是目前关于具有肿瘤靶向能力特别是肝癌靶向PB NPs的研究仍然较为少见。实现对肿瘤的靶向治疗不仅能够特异、高效地杀伤肿瘤细胞，而且对肿瘤周围的正常组织细胞不易产生毒副作用，因此靶向治疗技术具有非常大的应用优势。磷脂酰肌醇蛋白聚糖3（glypican-3，GPC3）是一种细胞膜表面的硫酸乙酰肝素糖蛋白（heparin sulfate proteoglycan，HSPG），GPC3基因在肝癌组织中高表达，而在正常肝组织不表达,有可能是目前发现的在AFP阴性肝癌中表达率最高的基因，因此GPC3成为肝癌组织的一个特异性靶点。

经查找相关专利和文献发现，目前还未见采用共价偶联的方法将GPC3抗体连接到柠檬酸作为保护剂的PB NPs表面得到antiGPC3-PB NPs用于肝癌特异靶向的核磁共振造影成像和光热治疗的相关报道。

（三）发明内容

本发明的目的是克服普鲁士蓝纳米颗粒在应用于肝癌肿瘤组织核磁共振造影成像和光热治疗时没有特异靶向性缺点，提供一种将GPC3抗体作为靶向基团，通过共价偶联技术合成出能够特异靶向肝细胞癌、并具有核磁影像和光热治疗双功能的antiGPC3-PB NPs及其制备方法和应用，并在细胞和动物水平研究其纳米生物学效应，以期为肝癌的早期诊断与治疗做出贡献。

本发明采用的技术方案是：

用于肝癌光热治疗和核磁影像的GPC3抗体修饰普鲁士蓝纳米颗粒（antiGPC3-PB NPs），由柠檬酸作为表面保护剂形成的普鲁士蓝纳米颗粒核心，和在其表面通过EDC/NHS共价偶联连接的GPC3抗体构成。

所述antiGPC3-PB NPs核心是柠檬酸作为保护剂的普鲁士蓝纳米颗粒，其表面具有大量的羧基集团，通过EDC/NHS共价偶联的方法，将GPC3抗体连接到普鲁士蓝纳米粒子表面，赋予了纳米颗粒通过抗体-受体识别作用而具有了特异靶向到肝癌细胞的功能，此外，这种修饰作用不会改变普鲁士蓝纳米颗粒的MRI造影成像和光热转换功能，因此，得到的antiGPC3-PB NPs能够应用于肝癌的靶向核磁共振造影成像诊断和光热治疗。

具体的，所述纳米颗粒为立方体结构，粒径20～25nm。研究表明，粒径介于20～150nm之间的纳米颗粒能够有效地避免被机体清除机制所清除而更有效地到达靶组织，这是因为粒径小于150nm的纳米粒子更容易通过增强渗透滞留效应（Enhanced permeability and retention effect，EPR）和有效避开网状内皮系统的清除作用而从血管中溢出进入肿瘤微环境。因此，制备的AntiGPC3-PB NPs具有合适的纳米尺寸，在进入机体内代谢过程中，更易在靶组织区域进行输送和吸收。

优选的，所述纳米颗粒外还可包覆一层阴离子聚合物—聚天冬氨酸（PASP）保护层，具体可以利用阴离子聚合物—聚天冬氨酸（PASP）通过静电相互作用对antiGP3-PB NPs进行包裹对颗粒进行保护，包裹后的颗粒到达肿瘤部位后PASP在微酸性条件下离解，裸露出来的antiGP3-PBNPs可通过受体介导作用迅速进入肝肿瘤细胞中。

本发明还涉及制备所述GPC3抗体修饰普鲁士蓝纳米颗粒的方法，所述方法包括：

（1）配制含200～300mM柠檬酸的0.8～1.5mM K₄[Fe（CN）₆]的水溶液，记为A液；

（2）配制含200～300mM柠檬酸的0.8～1.5mM FeCl₃的水溶液，记为B液；

（3）于55～65℃（优选60℃）下将等体积的A液缓慢滴加至B液中（A液中K₄[Fe（CN）₆]与B液中FeCl₃的摩尔用量之比优选为1:1），不断搅拌30～60min后，冷却至室温，离心、去离子水洗涤2～3次，取沉淀物50～60℃真空干燥得到柠檬酸修饰的普鲁士蓝纳米粒子；

（4）用PBS缓冲液溶解步骤（3）所得柠檬酸修饰的普鲁士蓝纳米粒子使纳米粒子浓度为200～300ppm，并调节pH为4.8～5.2，向此溶液中加入0.5～2.0mg/mL的EDC（1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐）和1～3mg/L的Sulfo-NHS（N-羟基硫代琥珀酰亚胺），震荡下室温活化1～2h；

（5）向步骤（4）反应体系中加入GPC3抗体使抗体终浓度为8～11μg/mL，混合均匀，振荡下室温反应2～4小时后，置于4℃冰箱内震荡反应过夜，反应结束后调节混合体系pH至7.0，用PBS缓冲液离心洗涤2～3次，得到所述GPC3抗体修饰普鲁士蓝纳米颗粒（antiGPC3-PB NPs）。制得的antiGPC3-PB NPs可加入PBS缓冲液重新分散均匀，配置成浓度为500ppm的antiGPC3-PB NPs溶液，置于4℃冰箱内保存待用。具体的，所述方法可如下步骤进行：

（1）配制20mL含0.5mmol柠檬酸的1.0mM K₄[Fe（CN）₆]水溶液，记为A液；

（2）配制20mL含0.5mmol柠檬酸的1.0mM FeCl₃水溶液，记为B液；

（3）于60℃下将A液缓慢滴加至B液中，不断搅拌30～60min后，冷却至室温，离心、去离子水洗涤2～3次，取沉淀物50℃真空干燥得到柠檬酸修饰的普鲁士蓝纳米粒子；

（4）用4.0mL PBS缓冲液溶解步骤（3）所得柠檬酸修饰的普鲁士蓝纳米粒子使纳米粒子浓度为250ppm，并调节pH为5.0，向此溶液中加入4.0mg的EDC和8.0mg的Sulfo-NHS，震荡下室温活化1～2h；

（5）向步骤（4）反应体系中加入GPC3抗体使抗体终浓度为10.0μg/mL，混合均匀，振荡下室温反应2～4小时后，置于4℃冰箱内震荡反应过夜，反应结束后调节混合体系pH至7.0，用PBS缓冲液离心洗涤2～3次，得到所述GPC3抗体修饰普鲁士蓝纳

米颗粒。

所述颗粒外包裹PASP保护层的具体方法如下：

向antiGPC3-PB NPs溶液中加入等体积的PASP溶液（antiGPC3-PB NPs与PASP溶液浓度之比为2:1），充分摇匀后置于摇床上反应15～20min，用PBS缓冲液离心洗涤2～3次，弃上清液，得到PASP包裹的antiGP3-PB NPs。

本发明还涉及所述的GPC3抗体修饰普鲁士蓝纳米颗粒在制备肝癌靶向的核磁共振成像造影剂和光热治疗药物中的应用。

本发明antiGPC3-PB NPs靶向诊疗制剂可通过全身递送（静脉注射），动脉内，肿瘤内，胃肠外，肺腔内，局部给药等递送形式进入体内。可以依据肝癌细胞类型、组织及肝癌患者的一般医学状况，以各种不同形式的单位剂量进行给药。例如，分别用于核磁共振造影成像和光热治疗的药品准确剂量和浓度可由临床医生例行确定。此外，用药方案的制定还需考虑到肝癌细胞类型、组织或肿瘤是分散还是局部、患者健康程度及年龄等因素。通过参照其他相关诊疗制剂的用药方案，本领域技术人员能够确定本发明药物的最佳有效剂量及浓度。

本发明antiGPC3-PB NPs对肝癌细胞HepG2具有良好的靶向识别功能，有效的进入细胞内部；同时对HepG2细胞具有优秀的光热杀伤功能，能够用于肝癌细胞的光热治疗；具有良好的核磁共振造影成像功能，具有成为新一代靶向磁共振造影剂的潜力。

（四）附图说明

图1表示antiGPC3-PB NPs的SEM和TEM图片。其中A表SEM图片，B图为粒子电子衍射图，C和D图为TEM图片。

图2表示antiGPC3-PB NPs的能谱成分分析图（EDS）。

图3表示antiGPC3-PB NP的UV-Vis吸收光谱图。A表示偶联GPC3抗体前后纳米粒子的紫外吸收光谱图，B图为以PBS为基线的不同浓度的纳米粒子在培养基中的吸收光谱图，C图为纳米粒子在808nm处吸收值的线性拟合（以浓度为X轴），D图为以培养基（含10%血清）为基线的不同浓度的纳米粒子在培养基中的吸收光谱图。

图4表示不同浓度antiGPC3-PB NPs样品溶液的T1和T2核磁共振加权图像。

图5表示antiGPC3-PB NPs体外升温曲线图。A为不同浓度的纳米粒子溶液10min内升温曲线，B图为90.0ppm的纳米粒子溶液在连续光照三个循环内的升温曲线。

图6考察不同浓度的antiGPC3-PB NPs溶液对HepG2细胞的光热杀死效果。

（五）具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1：

精确称量5.4mg的FeCl₃·6H₂O药品，于洁净的三口烧瓶中加入20.0mL去离子水溶解得到浓度为1.0mM的FeCl₃溶液，然后加入0.5mmol（即98.0mg）的无水柠檬酸，机械搅拌，加热至60℃。精确称量8.4mg的K₄[Fe（CN）₆]·3H₂O药品，于洁净的容量为50.0mL的烧杯中加入20.0mL的去离子水溶解得到浓度为1.0mM的K₄[Fe（CN）₆]水溶液，然后加入0.5mmol（即98.0mg）的无水柠檬酸，机械搅拌，加热至60℃。

实施例2：

将所配的含0.5mmol柠檬酸的1.0mM K₄[Fe（CN）₆]水溶液于60℃缓慢滴加到所配的含0.5mmol柠檬酸的1.0mM FeCl₃水溶液中，不断机械搅拌，可以发现混合溶液中出现清晰明亮的蓝色，表明生成了普鲁士蓝纳米颗粒，此时混合体系pH～2.8。继续搅拌30min，冷却至室温，于30000rpm转速下离心15min收集沉淀，去离子水分散离心洗涤，此过程重复三次。最后收集沉淀物去50℃真空干燥过夜得到蓝黑色的干燥固体物，称重定量之后，于常温干燥处保存。此步骤合成出来的普鲁士蓝纳米粒子表面采用柠檬酸作为保护剂修饰的，柠檬酸可以通过其结构中的羧基和Fe³⁺进行配位，在Fe³⁺和亚铁氰根混合形成普鲁士蓝晶体的过程中，柠檬酸可以有效的控制普鲁士蓝纳米粒子的粒径大小，有效地阻止粒子发生聚集。

实施例3：

取4.0mL采用PBS缓冲液溶解的浓度为250ppm的柠檬酸修饰的普鲁士蓝纳米粒子溶液，利用浓度为0.2N的稀HCl调节pH至5.0。分别精确称量4.0mg的EDC和8.0mg的Sulfo-NHS先后加入到上述溶液中，机械振荡下室温活化1-2小时。

实施例4：

加入4.0μL浓度为10.0mg/mL的GPC3抗体（monoclonalantibody produced in mouse，安必奇生物科技有限公司）混合均匀，机械振荡下室温反应3小时后，置于4℃冰箱内机械振荡继续反应过夜。采用0.2N的NaOH溶液调节混合体系pH至7.0，于30000rpm转速下离心15min收集沉淀，用PBS缓冲液重新分散离心洗涤，重复三次。最后收集的沉淀用2.0mL的PBS分散配置成含有500ppm的antiGPC3-PB NPs溶液，置于4℃冰箱内保存待用。此步骤合成出来的antiGPC3-PB NPs已经具有特异靶向到肝癌细胞HepG2的功能；在近红外光处有较强的吸收，有效地将光能转换为热能，杀伤肿瘤细胞；具有核磁共振造影成像功能，是一种潜在具有靶向性的磁共振造影剂。

使用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、紫外-可见-近红外分光光度计（UV-Vis-NIR）、光热升温曲线及对HepG2细胞光热杀伤等方法表征前述制得的antiGPC3-PB NPs，具体测试结果如下描述：

（1）扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）表征

利用SEM和TEM技术对制备的antiGPC3-PB NPs进行了形貌和纳米尺寸表征。结果参见图1，A为SEM电镜图，表示在1.0μm的标尺下，拍摄到的antiGPC3-PB NPs粒径分布及总体形貌，其粒径大小为20nm左右且粒径非常均一，形貌一致。B图为TEM电镜图，表示的是在标尺为20nm时的antiGPC3-PB NPs形貌，其粒径在20nm左右，与SEM结果一致。

（2）能谱成分分析（EDS）

利用TEM-EDS对制备的antiGPC3-PB NPs进行元素成分定性分析，结果参见图2所，可以明显看到样品中铁元素的峰，证实了普鲁士蓝纳米颗粒中铁元素的存在。

（3）紫外-可见-近红外分光光度计（UV-Vis-NIR）

采用UV-Vis-NIR分光光度计测定制备的antiGPC3-PB NPs在vis-NIR处的光吸收情况，以考察其在近红外区的吸收。结果参见图3，A表示的是偶联GPC3抗体前后纳米粒子的紫外吸收光谱图，B图为以PBS为基线的不同浓度（20，40，60，80，100ppm）的纳米粒子在培养基中的吸收光谱图，C图为纳米粒子在808nm处吸收值的线性拟合（以浓度为X轴），D图为以培养基（含10%血清）为基线的不同浓度（20，40，60，80，100ppm）的纳米粒子在培养基中的吸收光谱图。从图中看出普鲁士蓝纳米颗粒的特征吸收峰在715nm左右，且偶联GPC3抗体前后，吸收峰的位置为发生明显的变化，但是吸收值有一定的降低；在PBS缓冲液或者培养基中，antiGPC3-PB NPs在近红外区都有较强的光吸收，且随着浓度的增大，吸收逐渐增加；通过对其在808nm处光吸收值进行线性拟合（以anti GPC3-PB NP浓度为X轴），发现吸收值与其浓度有良好的线性关系，这也说明了制备的antiGPC3-PB NPs在PBS或者培养基中具有良好的分散性。

（4）MRI成像

利用核磁共振仪（磁场强度11.2T）测试不同浓度（0,10，50，100，300ppm）antiGPC3-PB NPs样品溶液的T1和T2加权的MRI成像图，结果参见图4，发现随着浓度的依次增加，T1图像越来越亮，而T2图像越来越暗，这表明其具有良好的T1和T2加权的核磁共振造影成像效果。

（5）光热升温曲线

利用2W808nm激光器对含有不同浓度（45.5，90.9ppm）antiGPC3-PB NPs溶液进行辐射，热电偶测量辐射10min内的温度变化，作出光热升温曲线。结果参见图5，曲线表示不同浓度的antiGPC3-PB NPs升温特性（考察光热转换性能，其中以去离子水作为空白对照），从图中可以看出antiGPC3-PB NPs溶液浓度仅为90.9ppm时，体系温度从30.8℃升到69.5℃，升高了38.7℃，而去离子水的温度变化不大，这表明了 antiGPC3-PB NPs具有优秀的光热转换性能。此外，经过多次照射循环，其光热转换升温性能依然良好，说明其光热稳定性很好。

（6）对HepG2细胞光热杀伤

配置不同浓度（0，1，3，5，10，15，20ppm）antiGPC3-PB NPs溶液（用含10%血清的细胞培养基配置），于96孔板上与HepG2细胞共同孵育4个小时，利用2W808nm激光器分别对其辐照8min，之后利用细胞增殖与活性检测试剂盒（CCK8）（Yeasen公司）检测细胞活力，采用无光照作为对照组。结果参见图6，从图中可以发现随着antiGPC3-PB NPs浓度的增加，其对细胞的光热杀伤能力越强；当浓度仅为15.0ppm时，细胞活力就降到了10%以下，说明本发明制备的antiGPC3-PB NPs对肝癌细胞HepG2具有优秀的光热治疗效果。

Claims

1.用于肝癌特异靶向的光热治疗和核磁影像的GPC3抗体修饰普鲁士蓝纳米颗粒，由柠檬酸作为表面保护剂形成的普鲁士蓝纳米颗粒核心，和在其表面通过EDC/NHS共价偶联连接的GPC3抗体构成。

2.如权利要求1所述的GPC3抗体修饰普鲁士蓝纳米颗粒，其特征在于所述纳米颗粒为立方体结构，粒径为20～25nm。

3.如权利要求1或2所述的GPC3抗体修饰普鲁士蓝纳米颗粒，其特征在于所述纳米颗粒外还包覆有一层阴离子聚合物—聚天冬氨酸保护层。

4.制备如权利要求1所述GPC3抗体修饰普鲁士蓝纳米颗粒的方法，所述方法包括：

（1）配制含200～300mM柠檬酸的0.8～1.5mM K₄[Fe(CN)₆]的水溶液，记为A液；

（3）于55～65℃下将等体积的A液缓慢滴加至B液中，不断搅拌30～60min后，冷却至室温，离心、去离子水洗涤2～3次，取沉淀物50～60℃真空干燥得到柠檬酸修饰的普鲁士蓝纳米粒子；

（4）用PBS缓冲液溶解步骤（3）所得柠檬酸修饰的普鲁士蓝纳米粒子使纳米粒子浓度为200～300ppm，并调节pH为4.8～5.2，向此溶液中加入0.5～2.0mg/mL的EDC和1～3mg/L的Sulfo-NHS，震荡下室温活化1～2h；

（5）向步骤（4）反应体系中加入GPC3抗体使抗体终浓度为8～11μg/mL，混合均匀，振荡下室温反应2～4小时后，置于4℃冰箱内震荡反应过夜，反应结束后调节混合体系pH至7.0，用PBS缓冲液离心洗涤2～3次，得到所述GPC3抗体修饰普鲁士蓝纳米颗粒。

5.如权利要求1所述的GPC3抗体修饰普鲁士蓝纳米颗粒在制备肝癌靶向的核磁共振成像造影剂中的应用。

6.如权利要求1所述的GPC3抗体修饰普鲁士蓝纳米颗粒在制备肝癌靶向的光热治疗药物中的应用。