CN103908681A - angiopep-2修饰的荧光碳纳米粒在脑肿瘤诊断中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明属生物材料和肿瘤病灶部位诊断领域，设计一种荧光碳纳米粒在脑肿瘤病灶部位诊断中的应用。本发明将谷氨酸和葡萄糖采用烧制法处理后即得到荧光碳纳米粒，通过对该荧光碳纳米粒修饰可特异性识别血脑屏障及脑肿瘤细胞上高表达的低密度脂蛋白受体的配体—angiopep-2，从而对脑肿瘤细胞具有较好的靶向性，且具有较好的安全性，因此能够用于脑肿瘤诊断成像。

Description

angiopep-2修饰的荧光碳纳米粒在脑肿瘤诊断中的应用

技术领域

本发明涉及材料学和肿瘤诊断领域，特别涉及荧光碳纳米粒在脑肿瘤诊断中的应用。该碳纳米粒是将含“碳、氢、氧、氮”的有机化合物通过“高温烧制法”制备而成的粒径在10—150nm的纳米粒，由于其自身的性质而具有荧光性质，同时表面修饰的angiopep-2能够介导该纳米粒靶向脑肿瘤而用于脑肿瘤诊断。

背景技术

纳米粒作为一种常用的且较为新颖的药物载体，近年来一直是研究的热点，关键在于其不断变化的存在形式，制备方法，理化性质。纳米粒一般是指由天然或合成的高分子载体材料制成，是一种固态胶体，粒径在1～1000nm，类似的分散系还有纳米球、纳米囊、纳米胶束、纳米脂质体、纳米乳剂（nanoemulsion,NE）和纳米凝胶（nanogel）等，其中比较常见的是纳米粒。

量子点(quantum dot)是准零维 (quasi-zero-dimensional)的纳米材料，是由有限数目的原子组成，三个维度尺寸均在纳米数量级。量子点一般为球形或类球形，是由半导体材料(通常由II B～ⅥB或IIIB～VB元素组成)制成的、稳定直径在2～20 nil2的纳米粒子。由于量子点纳米材料自身独特的元素组成及结构，使其具有光致发光荧光效应，且具有稳定的荧光量子产率，因此可作为生物荧光探针用于体内的诊断，在生命科学邻域具有一定的应用前景。

荧光碳纳米粒为量子点的一种，其主要材料为碳，相比传统过渡金属量子点，具有安全性好、来源丰富等优点，因此引起广泛关注。然而目前的研究主要集中在制备碳纳米粒的方法，较少研究关注其潜在的生物学应用。

目前，荧光碳纳米粒的制备方法主要分为物理方法和化学方法，以化学方法为主，化学方法较多，一种是采用水热法合成，即在水相中直接合成。另一种则是将含碳有机化合物碳化后加入水相合成：即“烧制法”合成量子点纳米材料，该方法具有操作简便，重复性好，成本低，表面电荷和表面性质可控，生物相容性较好，无显著性毒性，并可以引入功能基团的优点，其优良的性能使之作为一种新颖的生物荧光探针，近年来受到越来越多邻域的青睐。

发明内容

基于以上背景，本发明目的之一是提供一种低毒性，生物相容性好，且具有较长的激发与发射波长的量子点纳米材料，通过其光致发光荧光效应的性质，作为一种生物荧光探针，用于生物体内肿瘤病灶部位的活体诊断。

本发明所述的量子点纳米材料是一种含碳的有机化合物通过高温烧制法制备而成的，即将谷氨酸在高温加热熔化后加入一定量的葡萄糖，共同加热数秒后撤去热源，冷却一定时间后加入一定量的水即得，因此称为碳纳米粒（碳纳米粒）。加入葡萄糖的作用是在谷氨酸加热熔化过程中留住其中的氮元素并粉碎粒子，荧光碳纳米粒中氮元素的比重的提高有助于延长其最大激发与发射波长，为脑肿瘤的活体诊断提供可能性。

本发明的目的之一是提供一种简便易得、成本低、表面元素、粒径与电荷可控的碳纳米粒，由于其原材料的来源是可食用的有机材料，本身是安全、无毒性的材料，且仅由几种简单的元素组成。细胞学实验证明其毒性低，生物相容性较好，由此有机化合物制备的碳纳米粒荧光探针在脑肿瘤的摄取与蓄积，对脑正常组织细胞无明显损害，因此在用于脑肿瘤诊断方面具有一定的优势，避免了一些有机荧光素标记物质或是重金属元素制备的荧光标记物质正常组织的损害。

本发明所述的碳纳米粒溶液的表征是利用其光学性质，对于其最大激发波长（EX）和发射波长（EM）的确定，是采用荧光分光光度计对进行扫描。 

本发明所述的碳纳米粒荧光量子产率是量子点纳米材料的一种表征，一般采用参比法测定，即在相同激发条件下，分别测定待测荧光试样和已知量子产率的参比荧光标准物质两种稀溶液的积分荧光强度（即校正荧光光谱所包括的面积）以及对一相同激发波长的入射光（紫外-可见光）的吸光度。再将这些值分别代入特定公式计算，即得待测荧光试样的量子产率; Yu = Ys ·Fu/Fs · As/Au

Yu、Ys— 分别为待测物质与参比物质的荧光量子产率

Fu、Fs—分别为待测物质与参比物质的积分荧光强度

As、Au—分别为待测物质与参比物质在该激发波长的入射光的吸收值（A）。

运用此公式时一般要求吸光度值As、Au低于0.05，参比标准物质与待测物质激发波长相近的荧光物质，据文献报道：有分析应用价值的荧光化合物的Yu一般在0.1—1之间。

本发明的目的之一是提供一种具有可修饰的表面功能基团的碳纳米粒，由于其自身原材料较为单一的元素组成，在高温烧制法制备碳纳米粒的过程中，其表面会产生一些含“碳”、“氮”、“氧”的功能基团，X射线场发射电子能谱（XPS）进行表面元素分析，可以分析出有羧基、氨基、羟基等功能基团的存在，红外光谱仪对其分析也进一步证实这些基团的存在，因此碳纳米粒在作为生物荧光探针的同时，亦可对其修饰而作为药物传递至生物体内的载体。

本发明的目的之一是提供一种聚乙二醇（PEG）修饰的碳纳米粒生物荧光探针，由于碳纳米粒自身存在一定的聚集而致使其粒径增大，稳定性降低，并致使其荧光量子产率降低，对碳纳米粒表面的羧基进行修饰，通过1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC·HCL)和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）的活化，使羧基形成一种NHS的活性酯，加入一端为氨基封端,另一端为羧基的聚乙二醇（NH2-PEG-COOM，MW 5000）室温避光反应12 h，使碳纳米粒表面包裹上一层PEG，从而延长其在体内的循环时间，提高其血液相容性并增加其自身稳定性。

本发明的目的之一时提供一种在修饰了PEG的基础上，进一步修饰可特异性识别血脑屏障(BBB)及脑肿瘤细胞上高表达的低密度脂蛋白受体（LRP）的多肽配体(angiopep-2), 通过EDC·HCL和NHS对PEG修饰的碳纳米粒进一步的活化，加入一定量的angiopep-2，室温避光反应12 h，使PEG化的碳纳米粒联接上特异性的配体，在延长碳纳米粒在体内的循环时间并增加其自身稳定性的基础上，进一步增加其血脑屏障的穿透性和对脑肿瘤细胞的靶向性。

本发明的目的之一是提供一种修饰了PEG及联接特异性的多肽配体的碳纳米粒，可以增加其在血液循环中的稳定性。由于血清蛋白的影响，碳纳米粒的稳定性会降低，与血清蛋白的结合而使其发生聚集，因此在进行血清稳定性实验时，修饰了PEG及联接特异性的多肽配体的碳纳米粒的稳定性显著优于未经修饰的的碳纳米粒。

本发明的目的之一是提供一种修饰了PEG及联接特异性的多肽配体的碳纳米粒，可以减少其对血红细胞的破坏，尽管碳纳米粒是一种无毒且生物相容性好，但作为异原性物质进入机体内，对血红细胞有一定的破坏能力，因此在进行溶血实验时，修饰了PEG及联接特异性的多肽配体的碳纳米粒对血红细胞的破坏明显小于未经修饰的碳纳米粒。

本发明的目的之一是提供一种可主动靶向并蓄积至脑肿瘤病灶部位的碳纳米粒，由于其纳米数量级的粒径及肿瘤部位的血管间隙增大，通过“增强的渗透与保留效应(EPR)”，碳纳米粒可一定程度蓄积在脑肿瘤部位。然而，血脑屏障的存在大大降低碳纳米粒的蓄积，因此，通过修饰了特异性识别血脑屏障上的LRP受体的angiopep-2的碳纳米粒，可以较多的在脑肿瘤中蓄积，利用其光致发光荧光效应可进行活体成像，从而对脑肿瘤病灶部位进行诊断。

有益效果：本发明所介绍的碳纳米粒不仅可以作为药物传递至体内的载体，而且超越了常规意义上的纳米粒载体，是一种量子点纳米材料，同时由于其自身低毒性及生物相容性较好，其自身亦可作为一种生物荧光探针，用于生物体内的病灶部位的诊断。现有的研究已经披露了其可用于细胞水平的摄取成像，本发明与这些研究不同及改进的地方在于其用于克服血脑屏障并对恶性脑肿瘤的病灶部位的诊断，由于碳纳米粒表面具有可修饰的功能基团，为进一步修饰提供可能性，因此具有一定的应用价值。

附图说明：

图1：碳纳米粒的粒径分布图。

图2：碳纳米粒的荧光扫描图。

图3：碳纳米粒与聚乙二醇（PEG）修饰的碳纳米粒在不同血清浓度条件下的稳定性。血清浓度设置为0%、10%、50%，并设置磷酸盐缓冲液（PBS）作为对照。

图4：溶血性实验。

图5：脑肿瘤细胞对不同浓度碳纳米粒溶液（31μg/mL、125μg/mL、500μg/mL）的摄取。

图6：碳纳米粒对脑肿瘤的诊断效果。

具体实施方式：

为了进一步阐述本发明，下面给出一系列实施例。这些实施例完全是例证性的，它们仅用来对本发明进行具体描述，不应当理解为对本发明的限制。

实施例一：碳球纳米粒的制备及修饰

1.  将100mL的圆底烧瓶中加热至250°C，称取谷氨酸固体粉末约1g加入其中，待谷氨酸溶化至一半后，加入0.1g的葡萄糖，共同加热30秒后撤去热源，冷却1min后加入5mL的去离子水即得褐色的碳纳米粒的胶体溶液，将该碳纳米粒胶体溶液用0.22μm的水系滤膜挤压过膜，备用，测定其粒径在100nm左右，如图1所示。

2.  取1mL的浓度约为200mg/mL碳纳米粒溶液置于25mL的圆底烧瓶中，加磷酸盐缓冲溶液（PBS，PH7.4） 至10mL，精密称取EDC·HCL 8.6mg（0.044mmol），   NHS 5.2mg（0.045mmol）置于溶液中，室温避光搅拌3h，即得到碳纳米粒的NHS活性酯。调PH至8.0左右,随后加入1mg/mL的NH2-PEG-COOM（MW 5000）水溶液100μL，室温避光搅拌24h，将反应好的溶液用0.22μm的水系滤膜过滤，即得PEG修饰的碳纳米粒溶液。

3.  取上述PEG修饰的碳纳米粒的溶液5mL置于25mL的圆底烧瓶中，精密称取EDC·HCL 5.6mg（0.029mmol），NHS 4.7mg（0.040mmol）置于溶液中，室温避光搅拌3h，即将碳纳米粒外层包裹的PEG活化成NHS酯。调PH至8.0左右，随后加入1mg/mL的angiopep-2（MW 2400）水溶液50μL，室温避光搅拌24h，同样将反应液用0.22μm的水系滤膜过滤，即得多肽修饰的碳纳米粒溶液。

实施例二：荧光碳纳米粒的光学性质表征

1.碳纳米粒的最大激发波长与发射波长的确定，具体实验方案如下：

将原始溶液稀释2×10⁵倍，浓度大约为1μg/mL，固定其激发波长，对发射波长进行扫描，设置激发波长（EX）为380nm、400nm、420nm、440nm、460nm、480nm、500nm、520nm、540nm、560nm及580nm，分别扫描其发射波长，可观察到EX为480nm时的发射波长强度最高，因此大致确定最大激发波长在480 nm左右处，其相应的最大发射波长为550nm，如图2所示。

将PEG修饰及多肽修饰的碳纳米粒溶液进行同样的荧光扫描处理，结果表明修饰了PEG以及多肽的碳纳米粒溶液的最大激发波长与最大发射波长未有明显的变化，最大激发波长在480nm，最大发射波长为550nm。

 

实施例三：荧光碳纳米粒的荧光量子产率的测定

碳纳米粒荧光量子产率的测定是以硫酸奎宁为参比物质进行的，具体操作如下：

1.参数设置：将荧光分光光度计的激发波长设置为465nm（接近碳纳米粒的最大激发波长），紫外分光光度计的激发波长的入射光同样设置为465nm。

2.参比溶液硫酸奎宁稀溶液的配制：称取34.2mg的硫酸奎宁溶于2mL 0.1N的H₂SO₄中，超声，振摇溶解后形成乳白色溶液。将该溶液稀释6×10⁴倍，测定其吸光度值（As）为0.0065，并测定其积分荧光强度（Fs）为18735.652。

3．待测物质碳纳米粒稀溶液的配制：将碳纳米粒原始浓度的溶液稀释2×10⁵倍，测定其吸光度值（Au）为0.0375，并测定其积分荧光强度（Fu）为78378.811。

4. 将PEG修饰及多肽修饰的碳纳米粒溶液稀释2×10⁴倍，测定其吸光度值（Au）分别为0.0418,0.0338，并测定其积分荧光强度（Fu）分别为47337.432，37708.842。

5．根据Melhuish定律，在25oC，激发波长为365nm，硫酸奎宁的荧光量子产率为0.546。因此将上述数据代入公式计算得到碳纳米粒的荧光量子产率为0.375，而修饰了PEG及多肽的碳纳米粒的荧光量子产率分别为0.204,0.201。

实施例四：荧光碳纳米粒的血清稳定性实验

1.  碳纳米粒初始溶液与PEG修饰及多肽修饰的碳纳米粒溶液的实验浓度确定

在进行血清稳定性实验时，要对碳纳米粒、PEG修饰及多肽修饰的碳纳米粒溶液的吸光度值进行限定，三种溶液在350nm处的吸光度值应在0.1左右，将碳纳米粒原始溶液稀释5×10⁴倍，再将PEG修饰及多肽修饰的碳纳米粒溶液稀释5×10³倍，用紫外分光光度计测定三种溶液在350nm处的吸收值，测得碳纳米粒溶液的吸收值为0.1135，PEG修饰及多肽修饰的碳纳米粒溶液的吸收值分别为0.1046,0.1098，三种稀释后的碳纳米粒溶液吸光度值相近，因此浓度大致相同，可作为血清稳定性实验所需浓度。

2.不同血清浓度的配制：

取人血清100μL用PBS（PH7.4）稀释至1mL制备成10%的人血清,另取人血清500μL用PBS（PH7.4）稀释至1mL制备成50%的人血清。

2.  用PBS作为空白对照，分别取100μL的PBS、10%的人血清、50%的人血清置于96孔板，再分别加入100μL的碳纳米粒溶液与PEG修饰及多肽修饰的碳纳米粒溶液。每个浓度点设置3个附孔。于化学发光仪上分别测定0h、1h、2h、4h、8h、12h、24h的紫外吸收值（入射光的激发波长设置为560nm），24h时PEG修饰及多肽修饰的碳纳米粒的血清稳定性明显好于未PEG化的碳纳米粒，如图3所示。

实施例五、荧光碳纳米粒的溶血实验

1、   碳纳米粒溶液与PEG修饰及多肽修饰的碳纳米粒溶液的实验浓度确定

将碳纳米粒的原始溶液稀释40、160、640倍，即得不同浓度的碳纳米粒溶液，分别为5mg/mL,1.66mg/mL,0.55mg/mL,将PEG修饰及多肽修饰的碳纳米粒溶液分别稀释4、16、64倍，即得不同浓度PEG修饰及多肽修饰的碳纳米粒溶液，分别为5mg/mL,1.66mg/mL,0.55mg/mL。

2、   血红细胞的制备：

取25g左右健康的雄性昆明小鼠，对其心脏取血，将取得的新鲜全血保存于含有少量肝素钠的EP管中，用冷冻离心机离心，5000rpm离心5min，去除上清液。加入少量的PBS重悬，同样5000rpm离心5min，此过程重复3次，尽可能减少已破坏的血红细胞对实验结果的影响。将全血用PBS稀释至2%的血红细胞溶液，作为实验所需血红细胞溶液。

3、   分别吸取不同浓度的三种碳纳米粒溶液0.5mL置于1.5mL的EP管中，每种碳纳米粒的每个浓度重复3份，分别加入0.5mL 的2%血红细胞溶液，充分混匀后置于37°C，75rpm的摇床中孵育。将PBS与2%的血红细胞溶液混合作为阴性对照，1%的聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100）与2%血红细胞溶液混合作为阳性对照。

4、   溶血率的测定：在0、1、2、4、8、12h分别将混合溶液用3000rpm离心5min，分别取出100μL的上清液置于96孔板，于化学发光仪下检测（入射光的激发波长设置为490nm。在4h时间点，PEG修饰及多肽修饰的碳纳米粒的溶血率明显小于未经修饰的碳纳米粒，如图4所示。

实施例六、荧光碳纳米粒在脑肿瘤细胞的摄取效果

1、将脑肿瘤细胞（C6）培养至玻璃底培养皿中，待其生长到一定密度，加入不同浓度的PEG修饰及多肽修饰的荧光碳纳米粒孵育1h，并考察同一浓度（125μg/mL）的PEG修饰及多肽修饰的荧光碳纳米粒与脑肿瘤细胞（C6）孵育不同时间，之后于共聚焦显微镜下观察。

如图5所示，脑胶质瘤细胞能够明显摄取荧光碳纳米粒而呈现绿色荧光，修饰的多肽配体的荧光碳纳米粒的荧光强度强于PEG修饰的荧光碳纳米粒。

实施例七、荧光碳纳米粒的活体成像效果

1. 5%的水合氯醛麻醉小鼠后，尾静脉注射PEG修饰及多肽修饰荧光碳纳米粒至小鼠体内，于5min、15min、30min、1h、2h时间点分别进行活体成像观察，随后对小鼠进行心脏灌流生理盐水和福尔马林，之后取各主要脏器做离体成像观察，随后对各脏器进行冷冻切片，并于共聚焦显微镜下观察各组织的荧光分布。

如图6所示，修饰了多肽配体的荧光碳纳米粒在脑胶质瘤病灶部位具有较强的分布，强于PEG修饰的荧光碳纳米粒，说明修饰了多肽配体的荧光碳纳米粒具有良好的脑胶质瘤靶向性和脑胶质瘤病灶部位成像效果。 

Claims (2)

1.angiopep-2修饰的荧光碳纳米粒在脑胶质瘤病灶部位诊断中的应用，其特征是一种量子点碳纳米材料，表面经angiopep-2修饰后可以靶向至脑肿瘤病灶部位而作为一种肿瘤诊断荧光探针。

2.根据权利要求1所述的“荧光碳纳米粒”量子点材料，其特征是主要由谷氨酸和葡萄糖制备而成，其具有荧光性质，且有稳定的荧光量子产率。