CN104096244A - 磁性普鲁士蓝纳米粒子用于癌症靶向诊疗的新应用 - Google Patents

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本发明涉及开拓现存磁性普鲁士蓝纳米粒子用于癌症核磁共振成像及靶向光热治疗的新应用。磁性普鲁士蓝是一种传统的纳米材料，主要由四氧化三铁纳米核和普鲁士蓝纳米壳组成。普鲁士蓝是一种高效的近红外光热剂，并且是一种临床药物，其体内生物安全性高。四氧化三铁具有很好的核磁共振成像以及磁靶向作用，并且也已应用到了临床。磁性普鲁士蓝纳米粒子具有现存成熟的制备方法，而且其制备方法简单、绿色、成本低。开拓磁性普鲁士蓝纳米粒子用于癌症核磁共振成像及靶向光热治疗的新应用，实现其用于癌症靶向诊疗的一体化，在癌症诊疗中的应用前景极为广阔。

Description

磁性普鲁士蓝纳米粒子用于癌症靶向诊疗的新应用
技术领域：
本发明属于生物材料技术领域，具体涉及将现存的磁性普鲁士蓝纳米粒子开发为一种新型癌症靶向诊疗剂，同时用于癌症的核磁共振成像以及靶向光热切除治疗。
技术背景：
癌症的诊疗技术是一种集诊断和治疗于一体的肿瘤杀伤技术，这种方法主要是集各种癌症成像诊断技术(如超声成像、核磁成像、CT成像、荧光成像、光声成像等)和癌症治疗杀伤技术(如化学治疗、基因治疗、光动力治疗、光热治疗等)于一种纳米材料，从而实现癌症诊断和治疗同时进行的技术。同单独的癌症诊断技术和癌症治疗技术相比，癌症的诊疗技术具有能够在癌症治疗过程中实时定位肿瘤的位置及大小的优点，从而更好的对肿瘤细胞进行杀伤和正常细胞的保护，同时这种技术还可以减少患者多次用药的痛苦和风险，提高诊断治疗效率，降低医疗费用。由于这些优势，诊疗技术成为近年来极具吸引力的研究热点，这种方法也极具研究和应用的潜力。如文献(1)Accounts OfChemical Research，2011，10：863-874中，Yoo，Dongwon Cheon，Jinwoo等人详细研究了磁性诊疗剂的优点及应用潜力。
癌症的靶向治疗技术是指在无创或微创条件下以肿瘤为目标，采用有选择、针对性较强、患者易于接受的局部或全身治疗，最终达到有效控制肿瘤，减少肿瘤周围正常组织损伤为目的的各种手段的总称。而属于物理性靶向治疗的基于磁性纳米粒子的磁靶向治疗依据其可以控制药物在靶向部位的释放、减少药物用量、降低药物对正常组织的毒副作用并加强药效的各种优点，在肿瘤靶向治疗中发挥越来越重要作用，已成为近年来的研究热点。如在文献(2)Langmuir，2012，32：11843-11851中，Bealle，Gaelle Di Corato，Riccardo等人详细研究了顺磁性四氧化三铁纳米材料的核磁共振成像效果和磁靶向作用。
光热治疗是通过光热转换剂将光转换为热量，从而通过局部增大的热量进行肿瘤切除的治疗方法。同常规治疗癌症方法不同，光热治疗可通过光热转换剂和激光，相对靶向的杀灭肿瘤细胞，减少治疗过程中对肿瘤周边正常组织的损伤。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。如文献(3)Accounts OfChemical Research，2008，12：1578-1586中，Jain，PK Huang，HX等人详细论述了光热治疗的优点及应用潜力。
普鲁士蓝是一种古老的蓝色染料，其制备过程非常简单、绿色，且成本低、价格便宜、可进行批量生产。同时在医学上普鲁士蓝是一种解毒剂，可以用于治疗某些重金属中毒，如铊和铯，因此体内生物安全性高。最为重要的是普鲁士蓝还是一种新型的近红外光热治疗转换剂，和传统的光热治疗剂相比，普鲁士蓝具有光热转换效率高、成本低和制备简单的优点。已有研究证实了普鲁士蓝作为近红外光热转换剂在模拟人体条件下的可靠性及高效的肿瘤杀伤效果，如在文献(4)Chemical Communications，2012，94：11567-11569中，Guanglei Fu Wei Liu等人详细研究了普鲁士蓝纳米粒子的细胞毒性、光热稳定性以及近红外光热杀伤肿瘤细胞效果的情况。
顺磁性四氧化三铁纳米材料的制备过程非常简单、粒径可控、成本低、适合大批量生产。同时顺磁性四氧化三铁纳米材料也已应用到临床，生物安全性可靠。最重要的是顺磁性四氧化三铁纳米材料的良好的顺磁性，使其具有很好的核磁共振成像效果和磁靶向作用，和其它的磁性材料相比，顺磁性四氧化三铁纳米材料具有弛豫率高、靶向性强的优点。已有研究证实了顺磁性四氧化三铁纳米材料作为纳米生物医药的一种有着很好的核磁共振成像效果和磁靶向作用。
磁性普鲁士蓝纳米粒子主要由四氧化三铁纳米核以及普鲁士蓝纳米壳组成，目前其制备方法已经得到了报道，因此是一种现成的传统纳米材料。然而，将磁性普鲁士蓝纳米粒子这种现成的材料用于癌症的靶向诊疗还未见报道。
发明内容：
本发明的目的在于开拓磁性普鲁士蓝纳米粒子在癌症靶向诊疗中的新应用，将磁性普鲁士蓝纳米粒子这种绿色、成本低且生物安全性高的现存材料开发为新型的癌症靶向诊疗剂，将其应用于癌症的核磁共振成像以及靶向光热切除治疗。
普鲁士蓝是一种临床用药，可以用于治疗某些重金属中毒，因此体内生物安全性高，同时其制备过程简单、绿色，且成本低、价格便宜。最为重要的是，普鲁士蓝还是一种新型的近红外光热转换剂，可以将近红外光转换成高热量应用于肿瘤的光热治疗。顺磁性四氧化三铁纳米材料也已应用到临床中，因此其在人体内的生物安全性也非常可靠。四氧化三铁纳米粒子还具有很好的核磁共振成像效果和磁靶向作用，和其它的磁性材料相比，四氧化三铁纳米材具有弛豫率高、靶向性强的优点。
本发明提供的磁性普鲁士蓝纳米粒子用于癌症靶向诊疗的新应用，将现存的磁性普鲁士蓝纳米粒子用于癌症的靶向诊疗一体化。所述的磁性普鲁士蓝纳米粒子是一种可按照现存方法制备的传统材料，该材料由四氧化三铁纳米核以及普鲁士蓝纳米壳组成。所述的诊疗为癌症的医学诊断和治疗一体化，即能同时进行癌症的诊断和治疗。所述的癌症诊断为常规医学成像诊断中应用的T2加权核磁共振成像，其成像过程和方法可按照实际临床应用的核磁共振成像的方法进行。所述的癌症治疗为近红外光热治疗，用于癌症光热治疗的近红外激光的波长范围在700～1100nm之间，所采用近红外激光的强度及其它参数可根据实际临床应用的需求灵活调整。所述的癌症靶向治疗为磁性普鲁士蓝纳米粒子在一定磁场作用下向人体中肿瘤部位定向聚集的作用，所采用磁场的强度及其它参数可根据实际临床应用的需求灵活调整。所述的磁性普鲁士蓝纳米粒子可通过其核磁共振成像作用实时引导并评价其靶向癌症光热治疗作用。
本发明的效果可以从本发明将磁性普鲁士蓝纳米粒子用于癌症靶向诊疗的效果中看出。如实施例1所示，现存磁性普鲁士蓝纳米粒子在水中分散效果良好，在715nm左右有一个普鲁士蓝典型的吸收峰。采用总输出功率为2W、波长为808nm的激光器照射3mL该磁性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，0.1mg/mL的磁性普鲁士蓝纳米粒子水分散液温度可从初始温度升至49.8℃，将温度升至杀灭肿瘤细胞的临界温度(42℃)只需6min，表明该磁性普鲁士蓝纳米粒子具有良好的近红外光热转换能力。同时从核磁共振T2加权成像效果图中可以看出该磁性普鲁士蓝纳米粒子可明显增强核磁共振T2加权成像效果。采用HeLa细胞进行了磁性普鲁士蓝纳米粒子的光热毒性实验，通过其磁靶向作用，0.008mg/mL的该磁性普鲁士蓝纳米粒子即可通过其光热效应高效杀伤肿瘤细胞，0.016mg/mL的该纳米粒子杀伤效果则非常明显，表明制备的这种具有核壳结构的磁性普鲁士蓝纳米粒子具有很好的磁靶向功能，可通过其磁靶向作用提高纳米粒子对肿瘤细胞的杀伤效率，降低其对周围细胞的损伤，提高了光热治疗的靶向性和安全性。可见该磁性普鲁士蓝纳米粒子可同时实现成像、靶向、光热治疗于一体，因此在癌症诊疗中研究和应用前景极为广阔。
同现有癌症诊疗剂相比较，本发明将现存的磁性普鲁士蓝纳米粒子开发为新型的癌症靶向诊疗剂，具有以下突出优点：
(1)该磁性普鲁士蓝纳米粒子的制备方法已经得到报道，是一种制备成熟的现存材料。而且，该纳米材料的制备方法简单、绿色。
(2)通过现存成熟方法制备磁性普鲁士蓝纳米粒子的成本低、价格便宜，适用于大批量生产。
(3)核磁共振成像效果好，磁靶向性能强。磁性普鲁士蓝纳米粒子中四氧化铁纳米核具有良好的顺磁性，是一种常用且增强效果好的T2核磁成像造影剂，因此其核磁共振成像效果好，磁靶向性强。
(4)人体内生物安全性可得到保障。普鲁士蓝和四氧化三铁纳米材料均已应用于临床，人体内的生物安全性都很高，因此磁性普鲁士蓝纳米材料在人体内的生物安全性也可以得到保障。
(5)近红外光热转换效率高。磁性普鲁士蓝纳米粒子中普鲁士蓝纳米壳具有高效稳定的近红外光热效应，因此磁性普鲁士蓝纳米材料同样具有良好的近红外光热效果，可以高效的杀伤肿瘤细胞。
附图说明
图1.所制备纳米粒子的透射电镜图片
(a)常规的四氧化三铁纳米粒子的透射电镜图；(b)实施例1制备的磁性普鲁士蓝纳米粒子的透射电镜图
比例尺-200(单位：纳米，nm)
图2.实施例1制备的不同浓度的3mL磁性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制备的磁性普鲁士蓝纳米粒子(0.21mM)水分散液在7T磁场作用下的核磁共振T2加权成像效果图
图4.HeLa细胞经实施例1制备的不同浓度的磁性普鲁士蓝纳米粒子(25ppm)孵育后进行不同光热处理和磁场吸附并经钙黄绿素染色后的荧光显微镜图
(a)HeLa细胞未同磁性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细胞只同磁性普鲁士蓝纳米粒子孵育；(d)HeLa细胞同磁性普鲁士蓝纳米粒子孵育、在外界磁场的作用下吸附磁性纳米粒子20min、HeLa细胞未经808nm激光照射；(e)HeLa细胞同磁性普鲁士蓝纳米粒子孵育、未在外界磁场的作用下吸附磁性纳米粒子、HeLa细胞经808nm激光照射10min；(f)HeLa细胞同磁性普鲁士蓝纳米粒子孵育、在外界磁场的作用下吸附磁性纳米粒子20min、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制备的不同浓度的磁性普鲁士蓝纳米粒子光热处理(输出功率2W的808nrm激光照射10min)以及是否有外界磁场吸附作用的细胞毒性效应图
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
按照现存方法制备磁性普鲁士蓝纳米粒子，具体制备方法如下：
A.亚铁氰化钾(K4[Fe(CN)6])溶液的制备
将一定量的K4[Fe(CN)6]固体溶于水中并调节其pH值，使K4[Fe(CN)6]的浓度为0.002M，pH值为3。
B.四氧化三铁(Fe3O4)纳米悬液的制备
将一定量的Fe3O4粉末溶于水中并调节其pH值，使Fe3O4悬液浓度为10mg/mL，pH值为5。
C.过氧化氢(H2O2)和三氯化铁(FeCl3)混合溶液的制备
将一定量的H2O2和FeCl3的水溶液混合并调节其pH值，使H2O2的浓度为0.3％，FeCl3的浓度为0.002M，pH值为3。
D.诊疗剂纳米粒子的合成
将步骤A中制备的溶液加热到25℃，然后在25℃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25℃下搅拌反应15min。然后在25℃及搅拌下将步骤C制备的混合溶液滴加到上述反应后的混合溶液中，搅拌速度仍为500rpm/min，滴加速度仍为0.8mL/min。滴加完毕后，再在25℃下搅拌反应15min，然后搅拌下冷却至室温。
E.诊疗剂纳米粒子的收集
将步骤D中制备的诊疗剂纳米粒子溶液作用于一定的外界磁场下，收集在磁场作用下吸附的沉淀，并将所得沉淀用上述同样方法洗涤3次。最后将得到的磁性普鲁士蓝沉淀置真空干燥箱中，在50℃条件下干燥12h。
如附图所示，采用上述方法制得的基于四氧化三铁和普鲁士蓝的磁性普鲁士蓝纳米粒子的四氧化三铁核的粒径约为15nm，普鲁士蓝壳的厚度约为3～6nm。该磁性普鲁士蓝纳米粒子在水中分散效果良好，在715nm左右也有一个普鲁士蓝典型的吸收峰。采用总输出功率为2W波长为808nm的激光器照射3mL磁性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，0.1mg/mL的磁性普鲁士蓝纳米粒子水分散液温度可从初始温度升至49.8℃，将温度升至杀灭肿瘤细胞的临界温度(42℃)只需6min，表明该磁性普鲁士蓝纳米粒子具有良好的近红外光热转换能力。同时从核磁共振T2加权成像效果图中可以看出该磁性普鲁士蓝纳米粒子可明显增强核磁共振T2加权成像效果。采用HeLa细胞进行了磁性普鲁士蓝纳米粒子的光热毒性实验，通过其磁靶向作用，0.008mg/mL的该磁性普鲁士蓝纳米粒子即可通过其光热效应高效杀伤肿瘤细胞。
实施例2
对制备磁性普鲁士蓝纳米粒子的现存方法进行一定的调整，具体制备方法如下：
A.亚铁氰化钾(K4[Fe(CN)6])溶液的制备
将一定量的K4[Fe(CN)6]固体溶于水中并调节其pH值，使K4[Fe(CN)6]的浓度为0.001M，pH值为3。
B.四氧化三铁(Fe3O4)纳米悬液的制备
将一定量的Fe3O4粉末溶于水中并调节其pH值，使Fe3O4悬液浓度为10mg/mL，pH值为5。
C.过氧化氢(H2O2)和三氯化铁(FeCl3)混合溶液的制备
将一定量的H2O2和FeCl3的水溶液混合并调节其pH值，使H2O2的浓度为0.3％，FeCl3的浓度为0.001M，pH值为3。
D.诊疗剂纳米粒子的合成
将步骤A中制备的溶液加热到25℃，然后在25℃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25℃下搅拌反应10min。然后在25℃及搅拌下将步骤C制备的混合溶液滴加到上述反应后的混合溶液中，搅拌速度仍为500rpm/min，滴加速度仍为0.8mL/min。滴加完毕后，再在25℃下搅拌反应10min，然后搅拌下冷却至室温。
E.诊疗剂纳米粒子的收集
将步骤D中制备的诊疗剂纳米粒子溶液作用于一定的外界磁场下，收集在磁场作用下吸附的沉淀，并将所得沉淀用上述同样方法洗涤3次。最后将得到的磁性普鲁士蓝纳米粒子沉淀置于真空干燥箱中，在50℃条件下干燥12h。
采用上述方法制得的基于四氧化三铁和普鲁士蓝的磁性普鲁士蓝纳米粒子的四氧化三铁核的粒径约为15nm，普鲁士蓝壳的厚度约为2～4nm。该磁性普鲁士蓝纳米粒子在水中分散效果良好，在715nm左右也有一个普鲁士蓝典型的吸收峰。采用总输出功率为2W波长为808nm的激光器照射3mL磁性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，0.15mg/mL的磁性普鲁士蓝纳米粒子水分散液温度可从初始温度升至49℃，将温度升至杀灭肿瘤细胞的临界温度(42℃)需8min，表明该磁性普鲁士蓝纳米粒子具有良好的近红外光热转换能力。同时从核磁共振T2加权成像效果图中可以看出该磁性普鲁士蓝纳米粒子可明显增强核磁共振T2加权成像效果。采用HeLa细胞进行了磁性普鲁士蓝纳米粒子的光热毒性实验，通过其磁靶向作用，0.016mg/mL的该磁性普鲁士蓝纳米粒子即可通过其光热效应高效杀伤肿瘤细胞。

Claims (7)

1.磁性普鲁士蓝纳米粒子用于癌症靶向诊疗的新应用，其特征在于：磁性普鲁士蓝纳米粒子是一种可按照现存方法制备的传统材料，该材料由四氧化三铁纳米核以及普鲁士蓝纳米壳组成。
2.根据权利要求1所述的磁性普鲁士蓝纳米粒子用于癌症靶向诊疗的新应用，其特征在于：将现存的磁性普鲁士蓝纳米粒子用于癌症的靶向诊疗一体化，开发其用于癌症靶向诊疗的新应用。
3.根据权利要求1所述的磁性普鲁士蓝纳米粒子用于癌症靶向诊疗的新应用，其特征在于：所述的诊疗为癌症的医学诊断和治疗一体化，即能同时进行癌症的诊断和治疗。
4.根据权利要求1所述的磁性普鲁士蓝纳米粒子用于癌症靶向诊疗的新应用，其特征在于：所述的癌症诊断为常规医学成像诊断中应用的T2加权核磁共振成像，其成像过程和方法可按照实际临床应用的核磁共振成像的方法进行。
5.根据权利要求1所述的磁性普鲁士蓝纳米粒子用于癌症靶向诊疗的新应用，其特征在于：所述的癌症治疗为近红外光热治疗，用于癌症光热治疗的近红外激光的波长范围在700～1100nm之间，所采用近红外激光的强度及其它参数可根据实际临床应用的需求灵活调整。
6.根据权利要求1所述的磁性普鲁士蓝纳米粒子用于癌症靶向诊疗的新应用，其特征在于：所述的癌症靶向治疗为磁性普鲁士蓝纳米粒子在一定磁场作用下向人体中肿瘤部位定向聚集的作用，所采用磁场的强度及其它参数可根据实际临床应用的需求灵活调整。
7.根据权利要求1所述的磁性普鲁士蓝纳米粒子用于癌症靶向诊疗的新应用，其特征在于：所述的磁性普鲁士蓝纳米粒子可通过其核磁共振成像作用实时引导并评价其靶向癌症光热治疗作用。
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Yu et al. Oxygen self-sufficient NIR-activatable liposomes for tumor hypoxia regulation and photodynamic therapy
Jia et al. Synthesis of carbon dots from Hypocrella bambusae for bimodel fluorescence/photoacoustic imaging-guided synergistic photodynamic/photothermal therapy of cancer
Wan et al. A Mn (III)-sealed metal–organic framework nanosystem for redox-unlocked tumor theranostics
Sun et al. Ce6-modified carbon dots for multimodal-imaging-guided and single-NIR-laser-triggered photothermal/photodynamic synergistic cancer therapy by reduced irradiation power
McNamara et al. Nanoparticles in biomedical applications
Chen et al. Oxygen production of modified core–shell CuO@ ZrO2 nanocomposites by microwave radiation to alleviate cancer hypoxia for enhanced chemo-microwave thermal therapy
Wang et al. New advances on the marrying of UCNPs and photothermal agents for imaging-guided diagnosis and the therapy of tumors
Wang et al. Metal–Organic‐framework‐derived mesoporous carbon nanospheres containing porphyrin‐like metal centers for conformal phototherapy
Shen et al. CMCTS stabilized Fe 3 O 4 particles with extremely low toxicity as highly efficient near-infrared photothermal agents for in vivo tumor ablation
CN108434462B (zh) 一种介孔聚多巴胺负载羰基锰的多功能纳米诊疗剂及其制备方法与应用
Li et al. Cu 7.2 S 4 nanocrystals: a novel photothermal agent with a 56.7% photothermal conversion efficiency for photothermal therapy of cancer cells
Du et al. Design of TPGS-functionalized Cu 3 BiS 3 nanocrystals with strong absorption in the second near-infrared window for radiation therapy enhancement
He et al. Enhanced up/down-conversion luminescence and heat: simultaneously achieving in one single core-shell structure for multimodal imaging guided therapy
Liu et al. In vivo near-infrared photothermal therapy and computed tomography imaging of cancer cells using novel tungsten-based theranostic probe
Shou et al. Zn2+ doped ultrasmall prussian blue nanotheranostic agent for breast cancer photothermal therapy under MR imaging guidance
Liu et al. Responsive functionalized MoSe2 nanosystem for highly efficient synergistic therapy of breast cancer
Hou et al. Multifunctional NIR-responsive poly (vinylpyrrolidone)-Cu-Sb-S nanotheranostic agent for photoacoustic imaging and photothermal/photodynamic therapy
Guo et al. Emerging biocompatible nanoplatforms for the potential application in diagnosis and therapy of deep tumors
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Sun et al. MnO 2 nanoflowers as a multifunctional nano-platform for enhanced photothermal/photodynamic therapy and MR imaging
CN108671231B (zh) 一种用于肿瘤光热增效治疗和超声成像的多功能纳米载体及制备方法
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Cai et al. A ph-activable chemo–photodynamic therapy based on cube-wrapped-cube α-naybf4: Tm@ caf2/nd@ zno nanoparticles mediated by 808 nm light
Chang et al. Plasmon-pyroelectric nanostructures used to produce a temperature-mediated reactive oxygen species for hypoxic tumor therapy

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