CN104127873A - 一种由纳米材料和外加辐射源组成的实现肿瘤血管阻断的肿瘤治疗药物 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米材料的新用途。该新用途是其在制备肿瘤血管阻断剂中的应用，所述纳米材料具备下述所有性质：(1)表面为亲水性；(2)表面带有电负性；(3)纳米材料的尺寸介于50-250nm之间，且该材料具有刚性，使其不易通过肿瘤血管壁孔洞而被卡在所述孔洞；(4)能够吸收外界辐射能量并在内部转化成为热能，同时将所述热能蓄积，使得所述纳米材料的形态结构发生剧烈变化。治疗时，将上述纳米材料注射到荷瘤生物体内，再对肿瘤部位施加辐射，使纳米材料吸收辐射能量而内部温度迅速升高，当温度蓄积到一定程度，会使纳米材料的形态结构发生改变(爆炸或体积急剧膨胀)，从而导致肿瘤血管内皮细胞的形态结构或功能的改变，破坏肿瘤血管。

Description

一种由纳米材料和外加辐射源组成的实现肿瘤血管阻断的肿瘤治疗药物

技术领域

本发明属于医药领域，具体涉及一种由纳米材料和外加辐射源组成的实现肿瘤血管阻断的肿瘤治疗药物。

背景技术

近年来癌症的发病率和死亡率均呈上升趋势，每年全球新增癌症患者多达1500万人，严重地威胁着人类的健康。传统的三大肿瘤治疗方法即外科手术、放疗和化疗都是以杀伤肿瘤细胞为主要目标。然而，随着癌症研究的日益进展，人们逐渐认识到，肿瘤组织里不仅有肿瘤细胞，还有丰富的肿瘤新生血管，肿瘤组织实际上是由肿瘤细胞和肿瘤新生血管形成的一个完整生态系统。一个肿瘤瘤体要想快速长大，必须依赖肿瘤新生血管的生成，并且肿瘤血管是癌细胞的主要转移通道，因此，阻断或破坏肿瘤血管，一方面能切断肿瘤组织的营养供给，“饿死”肿瘤，另一方面会最大程度地阻断癌细胞的扩散和转移。

实体瘤与正常组织相比，在解剖学和病理学上存在很大差异。正常的血管生长周期是一年，一般由内膜、中膜和外膜三层膜组成。而肿瘤血管的生长周期为4天，结构上只有一层薄薄的内膜，并且由于内皮细胞间隙较大、结构不完整，导致肿瘤血管包含有大量纳米尺寸的小孔，血浆能够透过而出。此外，肿瘤处血运丰富，肿瘤血管还具有血流量多，血压高的特点，是正常血管压力的3倍。

基于正常血管和肿瘤血管差异，针对肿瘤血管特殊性，可以设计特异性地将肿瘤血管破坏的肿瘤治疗方法，类似于肿瘤血管阻断剂(vascular disrupting,agents,VDAs)。VDAs是通过选择性地破坏恶性肿瘤新生血管从而实现治疗癌症目的的药物，它靶向已生成的肿瘤血管，通过快速改变内皮细胞形状或损伤内皮细胞引起内皮细胞凋亡，暴露基底膜，显著影响毛细血管血流量，从而瓦解实体瘤内部的血管系统，导致肿瘤局部缺血和大范围坏死。该类药物中研究最多的是小分子VDAs，现已有多种小分子VDAs进入临床前期实验中。但是，大部分VDAs类候选药被发现有比较严重的副作用，例如齐布司他、CA-1P和MPC-6827等Ⅰ/Ⅱ期临床试验均报道有心血管不良反应如高血压、心动过速、缓慢性心律失常、心房颤动、心肌梗死，且与剂量呈相关性，这些不良反应限制了其在临床上的广泛使用。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种纳米材料的新用途。

本发明所提供的纳米材料的新用途是其作为肿瘤血管阻断剂药物，结合与其相匹配的辐射源实现治疗肿瘤的目的。

本发明所述的纳米材料具备下述所有性质：(1)表面为亲水性，使其能够经由静脉注入到生物体内并被运载至肿瘤血管；(2)表面带有一定电负性，使其与正常细胞及正常组织的血管内壁等不产生非特异吸附性，一方面避免所述纳米材料在血管内聚集栓塞，另一方面也使其不易吸附于正常组织或血管壁，避免对正常细胞和组织的伤害；(3)纳米材料的颗粒尺寸范围介于50-250nm之间，且该材料具有刚性(即不易变形)，使其在欲通过肿瘤血管壁孔隙时能够被卡住；(4)所述纳米材料能够吸收外界辐射能量并在内部转化成为热能，同时将所述热能蓄积，使得所述纳米材料的形态结构发生剧烈变化，从而导致肿瘤血管内皮细胞的形态结构或功能的改变，最终破坏肿瘤血管。

所述纳米材料的形态结构发生改变的可能途径如下：对于具有单晶/多晶结构的纳米材料来说，当蓄积的温度超过材料的相变温度点(40-150℃)，材料体积迅速地发生膨胀；对于内部疏松并含有结合水的纳米材料，蓄积的温度超过100℃蒸发内部的水产生水蒸气，当蒸气压累积到一定程度超过材料的结合力发生微型爆炸；或者材料骤热直接发生爆炸；所述的可能途径均可以作用于肿瘤血管，最终达到高效治疗肿瘤的效果。

本发明所述的纳米材料是由主体材料经过水溶性和电负性修饰得到的。所述主体材料是具有可以吸收外界辐射(红外线、可见光、X射线、交变磁场，射频等)能量并蓄积热量的纳米材料，可以是单质金属或非金属材料，也可以是复合材料，典型的材料例如：富勒烯纳米颗粒、内嵌金属富勒烯纳米颗粒、贵金属纳米团簇(包括金纳米团簇、银纳米团簇、铂纳米团簇)、四氧化三铁纳米材料、氧化锌纳米材料、硫化锌纳米材料、硒化镉纳米材料、碲化镉纳米材料、稀土氧化物纳米材料、碳量子点、碳纳米角、碳纳米管、石墨烯等及其任意组合。

本发明所述的纳米材料具体可为AuSiO₂纳米颗粒(即荷负电的SiO₂层包覆Au纳米颗粒的复合纳米粒子，Zeta电势-34±0.4eV)、水溶性富勒烯纳米颗粒、水溶性金属富勒烯纳米颗粒、表面包覆亲水层的Fe₃O₄纳米颗粒等。

本发明所述外界辐射的能量源包括射频(又称为无线电波)、微波、红外光、可见光、激光、X射线和交变磁场等及其任意组合。能量形式尽可能为超短时间脉冲辐射，例如激光脉冲、电磁脉冲(包括射频脉冲)等，以利于纳米材料快速吸收辐射能量而使温度迅速上升，然后在未及时通过热交换等方式散失能量前迅速发生形变(膨胀或爆炸)，从而释放能量。脉冲能量源同时可降低外界辐射对生物体的损伤。

本发明所使用的纳米材料需具备水溶性，能够经由静脉注入到生物体内，并随着血液循环输送至肿瘤血管处发挥治疗作用。为实现此目的，通常可对上述主体材料进行水溶性修饰，使其更具生物相容性。例如在主体材料表面修饰一种或多种亲水性化学基团，如：羟基、氨基、巯基、羧基等及其任意组合；还可以在主体材料表面包裹一层亲水性无机物如二氧化硅、或直接用亲水性生物小分子如氨基酸、肽链等包裹主体材料，还可以借助具有生物相容性的载体材料负载主体材料，如脂质体、细胞膜等作为载体，亦可以通过自组装形成水溶性超分子体系等形式。上述修饰方法均可按照现有技术公开的方法进行修饰。

本发明所使用的纳米材料应带有一定的电负性，电负性修饰方法包括直接在主体材料表面通过共价键引入电负性官能团，如羟基、羧基和氨基酸等，亦可以通过带有电负性的载体进行非共价作用包覆，如羟基化的二氧化硅层、羧基化的碳膜、肽链等。使得材料不易被细胞吞噬或被正常组织及血管吸附，即使接触也会被迅速弹开，这样在纳米材料发生形变(膨胀或爆炸)时可降低对正常细胞或生物组织的损伤。

当然为了简化修饰的步骤，也可以通过选择合适的修饰方法，同步实现对主体材料的水溶化修饰和负电修饰。

本发明所使用的纳米材料的尺寸分布一般应该在50-250nm范围内，并且该材料需要具有一定的刚性(不易变形)，使其不能穿过肿瘤血管内皮细胞间的纳米孔隙，且又能够利用肿瘤血管内外压力差紧紧地贴合在血管壁的孔隙部位，以利于纳米材料迅速发生形变(膨胀或爆炸)时更有效地损伤肿瘤血管内皮细胞。

本发明的目的之二是提供一种用于治疗肿瘤的药物套装。

本发明所提供的药物套装由上述纳米材料和提供与其相匹配的辐射能量源的装置组成。

药物套装可具体为金纳米团簇+脉冲激光；富勒烯纳米颗粒+脉冲激光；金属富勒烯纳米团簇+射频；四氧化三铁纳米颗粒+交变磁场等。

关于上述能量源，本领域技术人员可以根据现有技术的教导，依据形成所述纳米材料中主体材料对不同辐射能量的吸收性质，做出合理的选择。

本发明的目的之三是提供一种基于上述纳米材料能特异性阻断肿瘤血管的肿瘤治疗方法。

本发明所提供的肿瘤治疗方法，包括下述步骤：

1)向需要治疗的荷瘤生物体注射给予有效剂量的纳米材料；

2)用与所述纳米材料相匹配的辐射能量源对所述生物体的肿瘤部位进行辐照。

本发明中所述的“有效剂量”是指当通过本发明的方法给予生物体纳米材料时，足以向生物体有效传递用于治疗疾病的活性成分的量。

本发明中所述的生物体是指包括人在内的哺乳动物。

本发明所述的辐照为静脉注射纳米材料0-1h后辐照一段时间，例如10min-1h。

上述肿瘤治疗方法优选的注射方式为静脉注射，直接在血液中发挥作用，无需渗透，所用的药剂量小，疗效高。

本发明所使用的纳米材料通过特异性地阻断肿瘤血管治疗肿瘤，是利用肿瘤组织内血管与正常血管的差异，因而具有广谱性，适用于一切实体肿瘤，包括：肝癌、肺癌、结肠直肠癌、肾癌、胰腺癌、骨癌、乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌、食管癌、胃癌、口腔癌、鼻癌、喉癌、肝癌、胆管癌、宫颈癌、子宫癌、睾丸癌、脑膜瘤、皮肤癌、黑色素瘤、肉瘤(如纤维肉瘤、粘液肉瘤、脂肪肉瘤、软骨肉瘤、骨原性肉瘤、脊索瘤、血管肉瘤、内皮肉瘤)等。

本发明所采用的纳米材料为尺寸在50-250纳米之间的特定纳米粒子，能够在吸收外界特定波长的辐射能量(红外线、可见光、X射线、交变磁场，射频等)后发生形变(膨胀或爆炸)。使用时将纳米材料静脉注射到荷瘤生物体内，经血液输运至肿瘤。由于肿瘤血管壁细胞之间存在着大量的纳米孔隙，尺寸较小的纳米材料将通过这些空隙进入肿瘤体内，但尺寸合适并具有一定刚性的纳米材料(即具有本发明所述性质的纳米材料)被这些纳米孔卡住，并因血管内外压差而使其长时间滞留于这些肿瘤血管细胞间隙处。这时再对肿瘤附近施加合适波长的辐射，使纳米材料吸收辐射能量而内部温度迅速升高，当温度蓄积到一定程度，使得所述纳米材料的形态和/或结构发生改变(如发生爆炸或体积急剧膨胀)。由于纳米材料被血管内外血压差作用密切接触肿瘤血管孔隙，其所发生的迅速形变导致周围肿瘤血管内皮细胞受损凋亡，暴露基底膜，从而显著影响毛细血管血流量，破坏肿瘤血管的输运血液功能，使肿瘤细胞失去营养供给而被饿死。

本发明所使用的纳米材料在吸收辐射能量发生迅速形变(快速膨胀或爆炸)时，如果位于正常血管或器官，由于纳米材料表面电负性与它们相斥而远离这些血管与器官表面，所以对正常血管或生物器官损伤很小；而如果纳米材料通过位于肿瘤血管的内皮细胞间隙，当吸收辐射能量发生迅速形变(快速膨胀或爆炸)时会重伤附近的内皮细胞，改变周围肿瘤血管内皮细胞形态及功能，导致细胞调亡，暴露基膜，最后产生肿瘤血管破损营养物质流失，快速饿死肿瘤细胞。

本发明所使用的纳米材料通过特异性地阻断肿瘤血管来治疗肿瘤，导致大量肿瘤细胞饿死或受损，死亡后的肿瘤细胞被机体吸收，会激发机体的免疫反应，进一步产生抗肿瘤效应。

本发明所使用的纳米材料通过特异性地阻断肿瘤血管治疗肿瘤，给药方式为静脉注射，药物直接在血液中发挥作用，无需渗透，所用的药剂量小，疗效高，能够送达生物体全身，因此，不但能够治疗原发肿瘤，还可治疗已在全身扩散的后期肿瘤。

由于上述治疗方法对肿瘤的杀伤是纯物理性损伤，因此也不存在抗药性的问题；

本发明所使用的纳米材料通过特异性地阻断肿瘤血管治疗肿瘤，通过迅速损伤肿瘤血管内皮细胞，引发肿瘤血管内皮细胞凋亡，暴露基膜，血管损坏，继而肿瘤细胞因缺乏营养死亡，整个过程发生在2-5个小时内，因而具有快速治疗肿瘤的效果。

本发明提供的肿瘤治疗方法利用纳米材料高选择性地阻断肿瘤血管，特异性强，威力大，直接快速，并且安全高效，对正常组织伤害性小，是一种非常具有前景的新型肿瘤治疗方法。

综上，本发明提供的肿瘤治疗方法具有以下优点：(1)具有广谱性，对任何实体肿瘤都有效；(2)水溶化的纳米材料经血液循环直接作用于肿瘤血管壁(内皮细胞),给药方式简单、靶向作用强；(3)治疗效果具有放大效应，由于一个血管内皮细胞支持50-100个肿瘤细胞生长，所以破坏肿瘤血管后，抑制肿瘤的效果会成倍放大；(4)副作用小，只针对具有孔隙的肿瘤血管，而正常组织的血管由于结构不同，不易受到损害；(5)物理破坏肿瘤血管，没有耐药性问题；(6)肿瘤转移也依赖于血管，故能抑制肿瘤转移与扩散；(7)作用时间短，一旦肿瘤血管出血或阻塞阻断营养供给，肿瘤细胞缺血发生坏死的时间不超过2h；(8)治疗不受限于肿瘤的位置及深度，并且对晚期肿瘤亦具有治疗效果；(9)保护和激活免疫；(10)较强的镇痛效果。

附图说明

图1为纳米材料特异性破坏肿瘤血管内皮细胞示意图，图中黑色颗粒指代满足于本发明所述性质即可以发生形变(快速膨胀或爆炸)的纳米材料；绿色颗粒指代未满足本发明所述性质的纳米颗粒；紫色部分指代纳米材料发生作用后导致肿瘤血管内皮细胞凋亡。

图2为水溶性AuSiO₂纳米颗粒的透射电镜照片。

图3为水溶性AuSiO₂溶液在760nm激光作用下迅速产生大量气泡，表明一些纳米颗粒发生了爆炸。

图4为使用AuSiO₂纳米颗粒进行激光脉冲作用的肿瘤在治疗24h后效果图。

图5为经过AuSiO₂纳米颗粒和激光脉冲治疗后肿瘤血管的环境扫描电镜照片(图中黄色箭头为肿瘤血管受损处)。

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。

下述实施例中使用的具备本发明全部所述性质的纳米材料为水溶性Au羟基化的SiO₂纳米颗粒，其制备方法参照文献(J.Am.Chem.Soc.2014,136,7317；Angew.Chem.Int.Ed.2010,49,3777)

图2为上述水溶性AuSiO₂纳米颗粒的透射照片，颗粒的尺寸约为80-100nm左右，羟基化的SiO₂包覆层的厚度为7nm左右。由于所修饰的SiO₂表面带有羟基集团，故该AuSiO₂纳米颗粒表面具有电负性，Zeta电势值测定为-34±0.4eV。

实施例1：AuSiO₂水溶液在激光作用下产生气泡实验

如图3所示，AuSiO₂水溶液(浓度25mg/mL)在760nm激光脉冲(平均功率500mW,16W/cm²)作用下产生大量的气泡，说明通过金纳米颗粒在激光脉冲作用下可以产生热量，由于外部包裹一层隔热的SiO₂层，不与外界进行快速能量交换，当内部热量积聚到一定程度，产生爆炸。而经过激光处理后的样品不再产生爆炸作用。

实施例2：AuSiO₂纳米材料在激光作用下肿瘤治疗及效果验证

1、建立荷瘤鼠动物模型：

抽取腹腔接种H22肝癌细胞株的小鼠腹水，离心去上清液计数，接种细胞浓度为10⁷/mL的细胞悬浮液50μL于每只小鼠右侧大腿皮下。待生长5-7天后，肿瘤大小在5mm左右进行实验。

2、动物实验活体磁共振成像及肿瘤治疗实验：

通过尾静脉注射AuSiO₂水溶液(浓度25mg/mL，其中Au浓度10mg/kg)200μL于荷瘤鼠体内。对肿瘤部位施加760nm激光脉冲30min，分别采集各个时间点肿瘤组织、肾脏和肝脏的成像情况。

图4为使用本发明方法治疗24h后肿瘤的照片，经治疗后肿瘤内部中空，外部结痂，大部分的肿瘤组织被机体消解。

图5显示经过AuSiO₂处理2天后的肿瘤在射频作用后肿瘤血管的环境扫描电镜照片，可以观察到经过AuSiO₂纳米材料和激光脉冲作用后，肿瘤血管发生大范围内皮细胞坏死脱落，露出血管基膜，说明AuSiO₂纳米材料在激光作用下的爆炸冲击力可以快速有效地摧毁肿瘤血管，最终“饿死”肿瘤组织，达到高效快速治疗的作用。

Claims (10)

1.一种纳米材料在制备肿瘤血管阻断剂中的应用；

所述的纳米材料具备下述所有性质：(1)表面为亲水性，使其能够经由静脉注入到生物体内并被运载至肿瘤血管；(2)表面具有电负性，使其与正常细胞及正常组织的血管内壁产生排斥性；(3)纳米材料的颗粒尺寸范围介于50-250nm之间，且该材料具有刚性，使其在通过肿瘤血管内壁孔隙时而被卡住，被由于肿瘤血管内外压力差而长期滞留该处；(4)所述纳米材料能够吸收外界辐射能量并在内部转化成为热能，同时将所述热能蓄积，使得所述纳米材料的形态结构发生剧烈变化，从而导致肿瘤血管内皮细胞的形态结构或功能的改变。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述纳米材料由下述至少一种材料经过水溶性和电负性修饰得到：富勒烯纳米颗粒、内嵌金属富勒烯纳米颗粒、贵金属纳米团簇、四氧化三铁纳米材料、氧化锌纳米材料、硫化锌纳米材料、硒化镉纳米材料、碲化镉纳米材料、稀土氧化物纳米材料、碳量子点、碳纳米角、碳纳米管和石墨烯。

3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于：提供所述外界辐射能量的能量源选自下述至少一种：射频、微波、红外光、可见光、激光、X射线和交变磁场。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的应用，其特征在于：所述外界辐射能量的能量形式为超短时间脉冲辐射，其能量源优选：激光脉冲、电磁脉冲。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的应用，其特征在于：所述纳米材料为荷负电的SiO₂层包覆Au纳米颗粒形成的复合纳米粒子即AuSiO₂纳米颗粒、水溶性富勒烯纳米颗粒、水溶性金属富勒烯纳米颗粒或表面包覆亲水层的Fe₃O₄纳米颗粒。

6.一种用于治疗肿瘤的药物套装，由权利要求1-5中任一项所述的纳米材料和提供与所述纳米材料相匹配的辐射能量源的装置组成。

7.根据权利要求6所述的药物套装，其特征在于：所述纳米材料为AuSiO₂纳米颗粒，与其相匹配的辐射能量源为脉冲激光；所述纳米材料为水溶性富勒烯纳米颗粒，与其相匹配的辐射能量源为脉冲激光；所述纳米材料为水溶性金属富勒烯纳米团簇，与其相匹配的辐射能量为射频；所述纳米材料为表面包覆亲水层的Fe₃O₄纳米颗粒，与其相匹配的辐射源为交变磁场。

8.一种肿瘤的治疗方法，包括下述步骤：

1)向需要治疗的荷瘤生物体注射给予有效剂量的权利要求1-5中任一项所述的纳米材料；

2)用与所述纳米材料相匹配的辐射能量源对所述生物体的肿瘤部位进行辐照。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述的生物体是指包括人在内的哺乳动物；所述注射的方式为静脉注射；

所述的辐照为静脉注射纳米材料0-1h后辐照一段时间，例如10min-1h。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的应用、权利要求6-7所述的药物套装、权利要求8-9所述的治疗方法，其特征在于：所述肿瘤为实体肿瘤；所述实体肿瘤，包括：肝癌、肺癌、结肠直肠癌、肾癌、胰腺癌、骨癌、乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌、食管癌、胃癌、口腔癌、鼻癌、喉癌、肝癌、胆管癌、宫颈癌、子宫癌、睾丸癌、脑膜瘤、皮肤癌、黑色素瘤、肉瘤。