CN105233284B - 一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的应用 - Google Patents

一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的应用 Download PDF

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一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的应用，本发明属于光动力治疗领域，它为了解决传统光动力疗法中的光敏剂激发光波长在可见区范围内导致激发光组织穿透深度差的问题。将基于Yb3+的氟化物纳米晶作为光敏剂应用于光动力治疗中，其中基于Yb3+的氟化物纳米晶的制备方法：一、YbCl3·6H2O加入到油酸和十八烯；二、加热溶解；三、NaOH和NH4F加入到甲醇中；四、混合除水后加热反应；五、收集NaYbF4纳米晶；六、与Tween进行键连；七、再进行叶酸键连。本发明采用1μm附近的光源进行照射，其波长在生物组织透过窗范围内，可实现深组织实体瘤的治疗。

Description

一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的 应用
技术领域
本发明属于光动力治疗领域，具体涉及一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的应用。
背景技术
光动力疗法是一种微创性肿瘤治疗方法，它涉及三个基本要素：光敏剂、激发光和氧。当特定波长的光照射光敏剂时，光敏剂被激发，处于激发态的光敏剂与氧发生光化学反应，使氧气转变成活性氧，引起不可逆的肿瘤组织损伤。跟传统的化学疗法、手术疗法和放射疗法相比，PDT有若干潜在的优势：相对的非侵入性治疗，能够准确定位目标肿瘤组织，可以重复性治疗，操作相对方便并且副作用很小等。然而，对于传统PDT而言，传统光敏剂的激发光波长一般在可见区，不在近红外生物组织透过窗范围内(700nm-1100nm)，其激发光的组织穿透性差，使其只适用于表皮性病变的治疗。为了实现对实体瘤的治疗，人们期望将光敏剂的激发波长移到近红外区，提出了上转换光动力疗法，利用上转换荧光去激发光敏剂。但是上转换效率很低，并且在上转换光动力过程中，能量传递过程复杂，二者共同阻碍了上转换光动力疗法的治疗效率。另外，上转换光动力疗法基于非线性激发过程，需要较高的激发光功率才能激发出荧光，所以，激发光需要被聚焦到很小的面积来提高激发光功率密度，导致了很小的治疗区域。而且，上转换光动力疗法中纳米粒子对光敏剂载药的可控性差，无法得到稳定的光动力治疗效果。针对光动力疗法存在的问题，需要开发近红外激发的能量转换效率高，治疗效果稳定的光敏剂。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统光动力疗法中的光敏剂激发光波长在可见区范围内导致激发光的组织穿透深度差的问题，提出了一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的应用。
本发明一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的应用是将基于Yb3+的氟化物纳米晶作为光敏剂应用于光动力治疗中，其中所述的基于Yb3+的氟化物纳米晶的制备方法按以下步骤实现：
一、在室温下将YbCl3·6H2O加入到反应容器中，然后加入油酸和十八烯，得到混合液；
二、在Ar气保护下，将步骤一得到的混合液加热到160～170℃，搅拌保温使YbCl3·6H2O完全溶解，得到反应液；
三、按摩尔比为5:(7～8)将NaOH和NH4F加入到甲醇中，搅拌至溶解，得到原料液；
四、将步骤三的原料液加入到步骤二得到的反应液中，搅拌反应后升温至80℃，待甲醇蒸发完全，再升温至100℃蒸发除水，然后升温到300℃，反应0.8～1小时后冷却至室温，得到反应产物溶液；
五、把步骤四得到的反应产物溶液放入离心管中，加入无水乙醇，振荡溶液混合均匀，然后离心洗涤处理，收集固相物，清洗后分散到环己烷溶剂中，得到NaYbF4纳米晶；
六、将步骤五的NaYbF4纳米晶放入反应瓶中，加入Tween 80-COOH(带羧基配体的吐温80)，进一步再加入氯仿，搅拌混合0.8～1.2小时，然后加入去离子水，将混合液在70～80℃的温度下恒温反应2.5～3.5小时，离心分离得到Tween-NaYbF4纳米晶；
七、将步骤六得到的Tween-NaYbF4纳米晶加入到DMSO(二甲基亚砜)中，然后按Tween-NaYbF4纳米晶、EDC(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)和NHS(N- 羟基琥珀酰亚胺)的质量比为(4～6):(1.5～2.5):(5～7)加入EDC和NHS，搅拌1～3 小时加入叶酸(FA)水溶液，在室温下连续搅拌10～14小时，离心处理后用磷酸盐缓冲液(PBS)清洗，冷冻干燥得到基于Yb3+的氟化物纳米晶(FA键连的Tween-NaYbF4纳米晶)。
本发明以键连抗体的NaYbF4纳米粒子作为光敏剂，并以980nm附近的光源作为辐照光源。当NaYbF4纳米粒子被摄入到机体内，待其在病变组织部位聚集与肿瘤发生特异性结合后，利用光源对病变组织进行照射，使Yb3+与氧发生光化学作用，产生活性氧，进而杀死肿瘤细胞。
本发明提出一种基于Yb3+的氟化物纳米晶作为光敏剂应用于近红外光动力疗法中，由于Yb3+离子的吸收在980nm附近，所以采用980nm附近的光源作为激发光，980nm光激发Yb3+基于线性激发过程，能够利用低功率的980nm附近激发光对肿瘤进行大面积照射。NaYbF4纳米粒子作为光敏剂，其中Yb3+激发态能量为1.27eV，而氧的激发态能量0.97eV，二者能级匹配程度高，当聚集在肿瘤部位的Yb3+离子被激发后，激发态的Yb3+可以与周围的氧发生能量传递，产生活性氧。产生的单态氧可以进入肿瘤细胞内部，与细胞器(线粒体，溶酶体等)相互作用，直接诱导细胞坏死或凋亡；单态氧也可以通过抗血管生成效应来破坏给肿瘤细胞提供营养的脉管系统，使肿瘤缺血性死亡；此外，单态氧还可以刺激机体的免疫系统，激活机体的抗肿瘤免疫反应，产生抗体，识别和跟踪肿瘤细胞，进而杀死肿瘤细胞，实现对肿瘤的治疗。
综上所述，发明将基于Yb3+的氟化物纳米晶应用于光动力治疗中作为光敏剂的方法包含以下优点：
1、采用1μm附近的光源进行照射，其波长正好在生物组织透过窗范围内(700nm-1100 nm)可实现深组织实体瘤的治疗；
2、采用980nm附近的光源去激发Yb3+离子属于下转换激发，不需要光源聚焦来获得大功率密度，可实现小功率密度大面积的光动力治疗；
3、Yb3+离子可直接将能量传递给氧，产生单态氧，此能量传递过程简单，实现高效的光动力过程；
4、Yb3+离子作为光敏药物，避免了传统光敏剂中光漂白问题，可以获得持久的药效，同时，Yb3+离子可掺杂到氟化物中，形成NaYbF4纳米粒子作为光敏剂，无需载体，避免了上转换光动力疗法过程中光敏剂载药不稳定导致的光动力治疗效果不可控问题。
附图说明
图1是实施例一得到的Yb3+的氟化物纳米晶(NaYbF4纳米晶)的透射电子显微镜图；
图2是利用1,3-Diphenylisobenzofuran作为活性氧指示剂，在近红外激发下，DPBF 吸收光谱随光照时间的变化曲线图，其中■代表0min，●代表10min，▲代表20min，▼代表30min，◆代表40min，★代表50min；
图3是不同氧气浓度下Yb3+的时间分辨光谱图，其中1—低氧浓度，2—高氧浓度。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的应用是将基于Yb3+的氟化物纳米晶作为光敏剂应用于光动力治疗中，其中所述的基于Yb3+的氟化物纳米晶的制备方法按以下步骤实现：
一、在室温下将YbCl3·6H2O加入到反应容器中，然后加入油酸和十八烯，得到混合液；
二、在Ar气保护下，将步骤一得到的混合液加热到160～170℃，搅拌保温使YbCl3·6H2O完全溶解，得到反应液；
三、按摩尔比为5:(7～8)将NaOH和NH4F加入到甲醇中，搅拌至溶解，得到原料液；
四、将步骤三的原料液加入到步骤二得到的反应液中，搅拌反应后升温至80℃，待甲醇蒸发完全，再升温至100℃蒸发除水，然后升温到300℃，反应0.8～1小时后冷却至室温，得到反应产物溶液；
五、把步骤四得到的反应产物溶液放入离心管中，加入无水乙醇，振荡溶液混合均匀，然后离心洗涤处理，收集固相物，清洗后分散到环己烷溶剂中，得到NaYbF4纳米晶；
六、将步骤五的NaYbF4纳米晶放入反应瓶中，加入Tween 80-COOH(带羧基配体的吐温80)，进一步再加入氯仿，搅拌混合0.8～1.2小时，然后加入去离子水，将混合液在70～80℃的温度下恒温反应2.5～3.5小时，离心分离得到Tween-NaYbF4纳米晶；
七、将步骤六得到的Tween-NaYbF4纳米晶加入到DMSO(二甲基亚砜)中，然后按Tween-NaYbF4纳米晶、EDC(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)和NHS(N- 羟基琥珀酰亚胺)的质量比为(4～6):(1.5～2.5):(5～7)加入EDC和NHS，搅拌1～3 小时加入叶酸(FA)水溶液，在室温下连续搅拌10～14小时，离心处理后用磷酸盐缓冲液(PBS)清洗，冷冻干燥得到基于Yb3+的氟化物纳米晶(FA键连的Tween-NaYbF4纳米晶)。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一YbCl3·6H2O的摩尔量与油酸的体积比为1mmol：6ml，YbCl3·6H2O的摩尔量与十八烯的体积比为1mmol：15ml。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二所述搅拌的速度为300～500r/min。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤五中的离心洗涤处理是以6000r/min的转速离心洗涤10min。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤七所述的Tween-NaYbF4纳米晶的质量与叶酸水溶液的体积比为5mg:(1.5～3)ml。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是将基于Yb3+的氟化物纳米晶作为光敏剂应用于光动力治疗肿瘤中。
本实施方式利用NaYbF4纳米粒子作为光敏剂，其光学稳定性好，避免了传统光敏剂中光漂白问题，能够获得持久的药效；
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是将基于Yb3+的氟化物纳米晶作为光敏剂摄入到体内，待光敏剂聚集到病变组织部位，采用波长为970nm～1μm的光源进行照射，使光局部照射到病变组织部位。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是采用波长为980nm的光源进行照射，使光局部照射到病变组织部位。
采用980nm附近的光源去激发Yb3+离子属于线性激发，不需要光源聚焦来获得大功率密度，可实现小功率密度大面积的光动力治疗；本实施方式采用980nm附近的光源进行照射，可实现深组织实体瘤的治疗；在近红外光激发下，Yb3+离子可直接将能量传递给氧，产生单态氧，此能量传递过程简单，实现高效的光动力过程。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六不同的是基于Yb3+的氟化物纳米晶通过静脉注射的方式摄入体内。
实施例一：本实施例基于Yb3+的氟化物纳米晶的制备方法按以下步骤实施：
一、在室温下1mmolYbCl3·6H2O加入到反应容器中，然后加入6ml油酸和15ml十八烯，得到混合液；
二、在Ar气保护下，将步骤一得到的混合液加热到160℃，以400r/min的速度搅拌保温50分钟使加入的YbCl3·6H2O完全溶解，得到反应液；
三、将0.1g NaOH和0.148g NH4F加入到10ml甲醇中，搅拌至溶解，得到原料液；
四、将10ml原料液加入到步骤二得到的反应液中，在400r/min的转速下搅拌30分钟后升温至80℃，待甲醇蒸发完全后，升温至100℃蒸发除水，然后再升温到300℃，反应1小时后冷却至室温，得到反应溶液；
五、把步骤四得到的反应溶液放入离心管中，加入无水乙醇，振荡溶液混合均匀，然后以6000r/min的转速离心洗涤10min，收集固相物，清洗后分散到环己烷溶剂中，得到NaYbF4纳米晶；
六、将步骤五的5mg NaYbF4纳米晶放入反应瓶中，加入80μL Tween 80-COOH(带羧基配体的吐温80),进一步再加入2mL氯仿，搅拌混合1小时，然后加入10mL去离子水，将混合液在70℃的温度下恒温反应3小时，离心分离得到Tween-NaYbF4纳米晶；
七、将步骤六得到的50mg Tween-NaYbF4纳米晶加入到20mL DMSO(二甲基亚砜)中，然后加入20mg EDC和60mg NHS，搅拌2小时后加入2mL的0.5wt％叶酸(FA) 水溶液(pH＝8)，在室温下连续搅拌12小时，离心处理后用磷酸盐缓冲液(PBS)清洗3 次，冷冻干燥得到基于Yb3+的氟化物纳米晶(FA键连的Tween-NaYbF4纳米晶)。
本实施例所得的NaYbF4纳米粒子在固态下为白色粉末，溶解在环己烷中为透明液体，其中步骤七得到的NaYbF4纳米粒子尺寸约为8nm。
应用实施例：本实施例将实施例一制备得到的基于Yb3+的氟化物纳米晶作为光敏剂通过静脉注射摄入到体内，待光敏剂聚集到病变组织部位，采用波长为980nm的光源进行照射，使光局部照射到病变组织部位。
基于Yb3+的氟化物纳米晶作为近红外光动力药物的可行性：
(1)Yb3+产生活性氧的检测。利用1,3-Diphenylisobenzofuran(DPBF)作为活性氧指示剂对Yb3+产生的活性氧进行探测。当有活性氧产生时，DPBF与活性氧发生不可逆的化学反应，使DPBF被氧化，进而导致DPBF的吸收系数减小。因此，通过溶液中DPBF 吸收系数的减小，来推断出活性氧的产生。
具体实验过程如下：利用氘灯作为吸收谱的测量光源，利用QE65000光纤光谱仪进行探测，980nm光源作为Yb3+的激发光源。在20μmol/ml NaYbF4纳米粒子溶液中加入 DPBF(0.2M)，然后利用980nm光源对其进行光照，每隔10min测量溶液的透过光谱，然后根据Beer–Lambert计算溶液中DPBF的吸收光谱，观察DPBF溶液吸收系数随光照时间的变化(如图2所示)，发现DPBF的吸收系数随光照时间的增加而降低，此现象说明Yb3+离子在980nm光照下能够产生活性氧。
(2)计算Yb3+的活性氧量子产率。通过对不同氧气浓度下Yb3+激发态寿命进行测量(如图3所示)，寿命与跃迁几率互为倒数关系，再根据跃迁几率A＝A0+W0+k[O2]，计算活性氧量子产率(η＝k[O2]/A)，其中A0为自发辐射跃迁几率；W0为无辐射跃迁几率；k[O2]为Yb3+与O2之间的能量传递几率。
在较高氧浓度下(462(6)μM)，其活性氧产生效率可达39(5)％，在较低氧浓度下(146(3) μM)，其活性氧产生效率仍可达17(2)％。其活性氧量子产率与传统光敏剂相当。以上两方面的实验结果表明，在近红外光激发下，Yb3+能够高效的产生活性氧，基于Yb3+的氟化物纳米晶能够实现近红外光动力疗法。

Claims (9)

1.一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的应用，其中所述的基于Yb3+的氟化物纳米晶的制备方法按以下步骤实现：
一、在室温下将YbCl3·6H2O加入到反应容器中，然后加入油酸和十八烯，得到混合液；
二、在Ar气保护下，将步骤一得到的混合液加热到160～170℃，搅拌保温使YbCl3·6H2O完全溶解，得到反应液；
三、按摩尔比为5:(7～8)将NaOH和NH4F加入到甲醇中，搅拌至溶解，得到原料液；
四、将步骤三的原料液加入到步骤二得到的反应液中，搅拌反应后升温至80℃，待甲醇蒸发完全，再升温至100℃蒸发除水，然后升温到300℃，反应0.8～1小时后冷却至室温，得到反应产物溶液；
五、把步骤四得到的反应产物溶液放入离心管中，加入无水乙醇，振荡溶液混合均匀，然后离心洗涤处理，收集固相物，清洗后分散到环己烷溶剂中，得到NaYbF4纳米晶；
六、将步骤五的NaYbF4纳米晶放入反应瓶中，加入Tween 80-COOH，进一步再加入氯仿，搅拌混合0.8～1.2小时，然后加入去离子水，将混合液在70～80℃的温度下恒温反应2.5～3.5小时，离心分离得到Tween-NaYbF4纳米晶；
七、将步骤六得到的Tween-NaYbF4纳米晶加入到DMSO中，然后按Tween-NaYbF4纳米晶、EDC和NHS的质量比为(4～6):(1.5～2.5):(5～7)加入EDC和NHS，搅拌1～3小时加入叶酸水溶液，在室温下连续搅拌10～14小时，离心处理后用磷酸盐缓冲液清洗，冷冻干燥得到基于Yb3+的氟化物纳米晶。
2.根据权利要求1所述的一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的应用，其特征在于步骤一YbCl3·6H2O的摩尔量与油酸的体积比为1mmol：6ml，YbCl3·6H2O的摩尔量与十八烯的体积比为1mmol：15ml。
3.根据权利要求1所述的一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的应用，其特征在于步骤二所述搅拌的速度为300～500r/min。
4.根据权利要求1所述的一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的应用，其特征在于步骤五中的离心洗涤处理是以6000r/min的转速离心洗涤10min。
5.根据权利要求1所述的一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的应用，其特征在于步骤七所述的Tween-NaYbF4纳米晶的质量与叶酸水溶液的体积比为5mg:(1.5～3)ml。
6.根据权利要求1所述的一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的应用，其特征在于将基于Yb3+的氟化物纳米晶作为光敏剂应用于光动力治疗肿瘤中。
7.根据权利要求1所述的一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的应用，其特征在于将基于Yb3+的氟化物纳米晶作为光敏剂摄入到体内，待光敏剂聚集到病变组织部位，采用波长为970nm～1μm的光源进行照射，使光局部照射到病变组织部位。
8.根据权利要求7所述的一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的应用，其特征在于采用波长为980nm的光源进行照射，使光局部照射到病变组织部位。
9.根据权利要求1所述的一种基于Yb3+的氟化物纳米晶在制备光动力治疗药物中的应用，其特征在于基于Yb3+的氟化物纳米晶通过静脉注射的方式摄入体内。
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