CN104225633A - 一种基因与药物共输送的plga超声纳米泡及其制备方法和应用 - Google Patents
一种基因与药物共输送的plga超声纳米泡及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种集超声成像、药物输送、基因治疗于一体的PLGA纳米泡及其制备方法。本发明采用生物相容性良好和可生物降解的PLGA为膜材料,通过双乳化-溶剂挥发法首先制备装载化疗药物DOX的载药纳米泡,通过PEI进一步修饰PLGA纳米泡,吸附MDR-1的shRNA质粒形成复合纳米泡。该纳米泡具有良好的载药量和包封率,释药具有pH响应性,能保护所载基因,并有效沉默耐药基因MDR-1的表达,不仅能发挥其超声成像能力,还能同时把药物和基因高效地运输到肿瘤部位协同发挥作用。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备领域,具体涉及一种基因与药物共输送的PLGA超声纳米泡及其制备方法和应用。
背景技术
超声成像由于具有实时无创、灵敏度高、价格低廉等优点被大量应用于疾病的临床诊断,成为现代医学成像的主要检测方法之一。超声造影剂的出现和不断发展大大增强了超声成像分辨率,提高了对比度。近年来研究表明超声造影剂不仅在分子成像、血栓治疗等方面具有很好的应用价值,同时在药物或基因体外靶向运输及定点释放方面也取得了较大成功,这提示我们可以通过结合超声造影剂的分子成像及药物或基因的靶向运输能力来建立一种新的肿瘤治疗方法。
临床常用的微泡级超声造影剂粒径大,不能跨越“内膜屏障”,且所携带的药物在血管内释放后仅有少量进入到肿瘤细胞内,导致许多血管外疾病的诊断受到限制。随着纳米技术的发展,超声造影剂从微米级已发展到了纳米级。研究表明,肿瘤组织生长迅速,血管新生快速,容易导致血管外膜细胞缺乏,而且肿瘤组织的淋巴回流不完善,因此纳米级造影剂能穿越血管内皮进入组织间隙进入并蓄积在肿瘤组织部位,从而实现血管外组织显像及诊断治疗。这就是肿瘤细胞的增强渗透与滞留效应(Enhanced permeation retention effect,EPR)。因此,通过改性使纳米级超声造影剂作为抗癌药物或基因的运输载体,不仅具有超声成像能力,还能定点靶向运输及释放出药物或基因,使其成为治疗诊断一体化的多功能造影剂,为肿瘤等重大疾病的早期诊断和治疗提供更可靠的信息。
发明内容
本发明的目的在于:①开发一种集超声成像、药物输送、基因治疗于一体的治疗诊断一体化的多功能纳米泡;②开发多功能纳米泡的制备方法;③以及这种多功能纳米泡在肿瘤诊断和治疗中的应用,即不仅能发挥其超声成像的能力,同时还能把药物和基因高效地运输到肿瘤部位协同发挥疗效作用。
本发明主要以可生物降解的PLGA(Poly(lactic-co-glycolid acid))作为载体材料,采用双乳化溶剂挥发法来制备PLGA超声纳米泡,其内部装载抗癌药物阿霉素(DOX),并且在该纳米泡表面通过聚乙酰亚胺(PEI)的修饰,从而通过静电吸附作用连接上能逆转肿瘤细胞多药耐药MDR-1基因的shRNA质粒,通过控制该纳米泡的粒径大小200-500nm左右,使其能通过EPR效应被动靶向肿瘤部位。该纳米泡不仅能用于肿瘤的实质成像,同时在胞内酸性条件下首先释放出所携带的基因,在细胞内被切割成siRNA、沉默耐药基因MDR-1的表达,逆转肿瘤细胞耐药性,并释放出所携带的药物DOX去协同发挥疗效,达到高效、快速杀死肿瘤细胞的目的。
本发明还提供上述PLGA纳米泡的制备方法。其制备方法包括以下步骤:
(1)按质量比1:10-30的比例将PLGA完全溶解在CH2Cl2中,再加入药物溶液,超声乳化形成初乳液;再将初乳液导入PVA溶液中,超声乳化,形成复乳液;在该复乳液里逐滴加入异丙醇溶液,磁力搅拌数小时,待CH2Cl2挥发完全。收集沉淀物并洗涤三次,得到载药的纳米泡。
(2)上述药物溶液的加入量为总体积的1%-10%;PVA溶液的体积为初始体积的10-30倍;异丙醇的量为总体积的2%-10%。
(3)上述载药的PLGA纳米泡冷冻干燥成冻干粉低温保存。
(4)按5-10g/L的比例将上述冻干粉载药PLGA纳米泡溶于双蒸水中,加入EDC溶液反应1小时;再加入PEI溶液,置于恒温摇床反应1天;收集沉淀物,洗涤数次,冷冻干燥得到载药PLGA/PEI冻干粉,低温保存。
(5)上述EDC溶液的加入量为反应体积的10%-30%;PEI按纳米泡与PEI的质量比在20-100:1的量加入。
(6)将上述载药PLGA/PEI冻干粉按5-10g/L的比例溶解于双蒸水中,混合一定量的质粒DNA,室温反应1小时,得到携载基因和药物的PLGA纳米泡。
(7)上述质粒按纳米泡与质粒质量比10-120:1的比例加入反应体系。
(8)上述携载基因和药物的PLGA纳米泡冷冻干燥成冻干粉可长期低温保存。
本制备方法具有操作简单、条件温和,对设备要求低、没有污染等优点。该纳米泡保存时间长,便于在生物医学领域应用。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)合成的DOX-PLGA NBs具有很好的稳定性,适合长时间储存,有良好的载药量和包封率。
(2)纳米泡所载药物DOX释放具有pH响应性,都是先突释、后缓释的过程。
(3)空载的纳米泡对细胞没有毒性,PLGA作为膜材料有安全性。
(4)载药纳米泡对所载基因有保护作用,进入肿瘤细胞后能有效转录,沉默目的基因MDR-1基因表达。
(5)DOX-PLGA-PEI/pDNA被耐药细胞高效内吞后能沉默肿瘤多药耐药基因MDR-1基因表达,同时还可以释放出装载的DOX进入到细胞核去发挥抗肿瘤作用,最终逆转肿瘤多药耐药性。
(6)合成的复合纳米泡不仅能作为药物和基因共输送的载体,而且还能作为超声成像的造影剂用于超声成像。
附图说明
图1多功能PLGA纳米泡的合成示意图(A)及其立体结构图(B)
图2装载药物和基因的PLGA纳米泡(DOX-PLGA-PEI/pDNA NBs)的扫描电镜图(SEM图)
图3装载药物的PLGA纳米泡的药物释放规律曲线
图4装载药物和基因的PLGA纳米泡(DOX-PLGA-PEI/pDNA)沉默MDR-1基因后的反转录PCR产物的琼脂糖凝胶电泳图
图5装载药物和基因的PLGA纳米泡(DOX-PLGA-PEI/pDNA)沉默MDR-1基因后的Real-time PCR定量检测MDR-1基因表达图
图6多种PLGA纳米泡作用多药耐药细胞株(MCF-7/ADR)72h后的细胞存活率结果比对图
具体实施例
具体实施方式是对本发明做进一步说明,并不用来限制本发明的保护范围。
实施例1:基因与药物共输送的PLGA纳米泡的合成
①纳米泡膜由PLGA材料构成,内部装载抗肿瘤药物DOX和空气,纳米泡表面联接PEI,并吸附逆转多药耐药基因(MDR-1)的质粒shRNA。合成示意图和立体结构图如图1所示。
②控制纳米泡粒径大小,在200-500nm范围内,呈均一球形,在水溶液状态下分散良好。
③通过控制纳米泡粒径大小,使其通过EPR效应被动靶向肿瘤部位,不仅能用于肿瘤成像;同时在胞内酸性条件下首先释放出所携载基因,沉默多药耐药基因MDR-1的表达,逆转肿瘤耐药性;同时释放出携载的药物DOX杀死肿瘤细胞,协同发挥相应疗效。
实施例2:载药PLGA超声纳米泡的制备
①电子分析天平称量0.2g PLGA,置于装有5ml二氯甲烷(CH2Cl2)玻璃瓶中,完全溶解。
②往溶解好的PLGA二氯甲烷溶液里加入1.0ml的DOX溶液,用超声破碎仪在20%超声振幅下超声乳化2min后形成W/O初乳液。
③迅速将W/O初乳液倒入30ml 1%PVA溶液中,继续超声乳化1min后即可形成W/O/W复乳液。
④在该复乳液里逐滴加入1.5ml异丙醇溶液后,室温下磁力搅拌器搅拌4h。
⑤将上述液体均匀分装在离心管中,离心10min,弃上清,收集沉淀物。重新加入适量双蒸水,离心,弃上清,重复清洗3次。
⑥将清洗好的沉淀物加入0.4ml双蒸水混匀,置于真空冷冻干燥机中冷冻干燥约24h后即可得到PLGA纳米泡的冻干粉。
⑦把冻干粉置于4℃冰箱中保存备用。
本实例所得纳米泡为大小均匀的球形,表面光滑、分散性较好,大小为270nm左右。载药量和包封率达到3.6%和70.9%。
实施例3:一种基因与药物共输送的PLGA超声纳米泡的制备
①按实施例2方法先制备得到DOX-PLGA NBs。
②称取15mg DOX-PLGA NBs溶于1.5ml双蒸水溶液里,加入400μl EDC溶液,反应1h。
③按纳米泡与PEI在20:1质量比下加入PEI溶液,置于恒温摇床中,37℃反应12h。
④将上述反应液置于离心管中,离心,弃上清,加入双蒸水洗涤,离心、弃上清。共重复5次。
⑤最后冷冻干燥后即得DOX-PLGA-PEI NBs冻干粉,4℃储存备。
⑥实验前按50:1质量比把合成好的DOX-PLGA-PEI NBs与pDNA混合,室温静置30min以上即可使用。
本实例所得产品的电镜图如图2所示,纳米泡为大小均匀的球形、分散性较好,大小为300nm。
实施例4:携载基因和药物的纳米泡(DOX-PLGA-PEI NBs)体外释放DOX实验
载药纳米泡进入到细胞后能释放装载的药物是其发挥疗效的前提,因此我们分别对比研究了DOX-PLGA NBs与DOX-PLGA-PEI NBs在不同pH值条件下的药物释放规律,对实施例2、3制备得到的纳米泡进行体外药物释放试验。具体步骤如下:取12个小玻璃瓶,分为2组,每组各6个瓶子,分别称取5mg DOX-PLGA NBs粉末和DOX-PLGA-PEI NBs置于其中,其中3个瓶中加入2ml pH值为7.4的PBS溶液,另外3个瓶子加入2ml pH值为4.4的PBS溶液。置于恒温摇床中(37℃,100rpm)振荡,分别间隔0.5、1、4、8、12、24、48、72、84、104、128、140h后离心取上清,用紫外分光光度计在486nm处测OD值,根据标准曲线计算出各个时间点的DOX释放量,再计算出累积释放量。每组实验重复3次。结果如图3所示,不管载药纳米泡是否被PEI所修饰,在酸性条件下的药物释放速率远远高于中性条件下的释放,而且都是呈两级释放。而在同一pH条件下,PEI修饰的纳米泡其药物释放速率要低于没有PEI修饰的粒子,例如pH 4.4条件下,DOX-PLGA-PEI NBs在140h后药物释放了85%左右,而相同条件下的DOX-PLGA NBs的药物释放为70%,说明了PEI的修饰会阻滞部分药物的快速释放,但仍然缓慢能释放出所载药物去发挥相应疗效,且药物释放具有pH响应性。
实施例5:携载基因和药物的纳米泡(DOX-PLGA-PEI/pDNA NBs)靶基因沉默效率实验
为了评估DOX-PLGA-PEI NBs作为MDR-1 shRNA基因载体的有效性,把DOX-PLGA-PEINBs与连有MDR-1 shRNA的质粒载体(pDNA)分别验证它们对其靶基因MDR-1的沉默效率,接下来我们用连有基因的复合纳米泡转染多药耐药细胞株(MCF-7/ADR细胞),通过PCR来检查MDR-1基因水平的表达。具体步骤如下:
①将MCF-7/ADR细胞消化后,按细胞密度为3×105个/孔接种到培养板里,孵育24h待细胞贴壁。
②分别按以下分组对细胞进行基因转染。每组使用的pDNA量为4μg。每组实验重复3次,
每个浓度分组设置5个复孔。
第一组:空白对照,不加纳米泡及pDNA
第二组:Lipo2000(μl):pDNA(μg)=2:1
第三组:Lipo2000(μl):SC pDNA(μg)(乱序质粒)=2:1
第四组:PLGA-PEI NBs(μg):pDNA(μg)=100:1
第五组:DOX-PLGA-PLGA NBs(μg):pDNA(μg)=100:1
③分别转染细胞72h后,提取细胞总RNA,反转录为cDNA后,分别通过普通PCR和Realtime PCR对MDR-1的表达水平进行检测。
结果如图4所示,当用转染试剂Lipo 2000来转染MDR-1 shRNA质粒时,发现MDR-1的基因表达水平明显下调,而用PLGA-PEI/shRNA NBs和DOX-PLGA-PEI/shRNA NBs来转染pDNA,也能明显下调MDR-1基因的表达,且转染及沉默效率与转染试剂Lipo 2000的效率相当,通过Real-time PCR进一步对基因表达定量分析也得到相同的结果,如图5所示。这个结果就说明DOX-PLGA-PEI/shRNA NBs不仅能作为基因的有效递送载体,而且还具有很好的基因沉默效应,能够协同药物共同发挥抗肿瘤的作用。
实施例6:携载基因和药物的纳米泡(DOX-PLGA-PEI/pDNA NBs)的抗肿瘤作用实验
①将多药耐药的细胞(MCF-7/ADR细胞)培养、消化后,按细胞密度为7×103个/孔接种到96孔板中,孵育24h待细胞贴壁。
②弃去旧的培养基,分别加入含有药物浓度为3.5、14.0、28.0μg/ml的游离DOX、DOX-PLGANBs、DOX-PLGA-PEI NBs以及DOX-PLGA-PEI/pDNA NBs的培养基。每组实验重复3次,每个浓度分组设置5个复孔。同时设置空白对照和阴性对照孔。
③继续与细胞孵育72h后,弃去旧培养基,用PBS清洗细胞3次以上。
④在每孔内加入含有10μl CCK-8的培养基孵育1h,用酶标仪检测在450nm处的光吸收值。按以下公式计算细胞存活率,细胞存活率=(A实验组-A空白组)/(A对照组-A空白组),每组实验重复三次。
图6表示的是各种载药纳米泡与多药耐药的细胞(MCF-7/ADR)作用72h后的肿瘤细胞存活率结果,可以看到:细胞毒性与药物浓度呈正关,比起其他处理组,DOX-PLGA-PEI/pDNA处理的细胞组,细胞存活率被抑制的最为明显,特别在DOX浓度为28μg/ml时,90%细胞的存活率都被抑制。比起游离的DOX组,空载的纳米泡PLGA NBs处理的细胞组细胞存活率没有改变,再次证明了载体本身具有很好的生物相容性,而细胞毒性是由DOX所导致。该实验说明了DOX-PLGA-PEI/pDNA被耐药肿瘤细胞高效内吞后,释放出装载的DOX进入到细胞核去发挥抗肿瘤作用,同时还能沉默肿瘤多药耐药基因表达,逆转肿瘤多药耐药性,最终达到杀死肿瘤细胞、治疗肿瘤的作用。
以上所述为本发明的较佳实施例,但本发明不应该局限于该实施例所公开内容。所以凡是不脱离本发明所公开的原理下完成的等效或修改,都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基因与药物共输送的PLGA纳米泡,其特征在于:所述纳米泡膜由PLGA材料构成,内部装载抗肿瘤药物和空气,纳米泡表面联接PEI并吸附基因。
2.根据权利要求1所述PLGA纳米泡,其特征在于:纳米泡粒径200-500nm,呈均一球形,在水溶液状态下分散良好。
3.根据权利要求1所述PLGA纳米泡,其特征在于:内部装载的抗肿瘤药物是DOX,吸附的基因是肿瘤多药耐药基因MDR-1的shRNA质粒。
4.一种制备方法如权利要求1-3所述PLGA纳米泡,其特征在于,包括下述步骤:
A.将PLGA溶解在CH2Cl2中,再加入DOX水溶液,超声乳化形成初乳液;
B.再将初乳液导入PVA溶液中,超声乳化,形成复乳液;
C.在该复乳液里逐滴加入异丙醇溶液,磁力搅拌;
D.收集沉淀物并洗涤,得到载药的纳米泡;
E.上述载药DOX的PLGA纳米泡冷冻干燥成冻干粉低温保存;
F.将上述冻干粉载药PLGA纳米泡溶于双蒸水中,加入EDC溶液反应;
G.再加入PEI溶液反应;
H.收集沉淀物,洗涤数次,冷冻干燥得到载药PLGA/PEI冻干粉,低温保存;
I.将上述载药PLGA/PEI冻干粉溶解于双蒸水中,混合质粒DNA,室温反应,得到携载基因和药物的PLGA纳米泡;
J.上述携载基因和药物的PLGA纳米泡冷冻干燥成冻干粉,长期低温保存。
5.根据权利要求4所述的基因与药物共输送的PLGA纳米泡的制备方法,其特征在于,步骤A中所述PLGA和CH2Cl2的质量比为1:10-30;步骤A所述DOX溶液的加入量为总体积的1%-10%。
6.根据权利要求4所述的基因与药物共输送的PLGA纳米泡的制备方法,其特征在于,步骤B所述PVA溶液的浓度为1-3%,其体积为初始体积的10-30倍;步骤B所述超声振幅为15%-45%;步骤C所述异丙醇的量为总体积的2%-10%。
7.根据权利要求4所述的基因与药物共输送的PLGA纳米泡的制备方法,其特征在于,步骤F所述冻干粉载药PLGA按5-10g/L的比例溶解于双蒸水中;步骤F所述EDC溶液的加入量为反应总体积的10%-30%。
8.根据权利要求4所述的基因与药物共输送的PLGA纳米泡的制备方法,其特征在于,步骤G所述PEI按纳米泡与PEI的质量比20-100:1的量加入。
9.根据权利要求4所述的基因与药物共输送的PLGA纳米泡的制备方法,其特征在于,步骤I所述载药DOX-PLGA/PEI冻干粉按按5-10g/L的比例溶于双蒸水中;步骤I所述质粒按纳米泡与质粒质量比10-120:1的比例加入反应体系。
10.一种如权利要求1或4所述PLGA纳米泡,在肿瘤诊断和治疗中的应用。
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