CN106039326B - 一种锆-卟啉金属有机框架材料的纳米抗癌探针的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种锆‑卟啉金属有机框架材料的纳米抗癌探针的制备方法。将无水氯化锆，中‑四羧基苯基卟啉，十六烷基三甲基溴化铵，苯甲酸和聚乙二醇加入到N,N‑二甲基甲酰胺中超声溶解，将所得混合液加热反应至底部有紫色沉淀析出；经离心分离后，用N,N‑二甲基甲酰胺，乙醇和水洗涤，冷冻干燥得到纳米抗癌探针1；将化疗药物溶于4‑羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲溶液中，加入纳米抗癌探针1，常温搅拌后离心分离，用4‑羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲溶液洗涤，冷冻干燥，获得纳米抗癌探针2；本发明的优点是：工艺简单、易于实施；在生物医学领域作为成像引导的协同治疗体系同时实现对癌症的检测和治疗。
Description
技术领域
本发明属纳米材料制备领域和诊疗一体化应用领域，尤其涉及一种纳米锆-卟啉金属有机框架材料的制备，和该材料的荧光成像引导的化疗和光动力治疗协同治疗应用。
背景技术
癌症已成为高发病率和高致死率疾病，癌症安全有效的治疗方法引起了人们的广泛关注。其中，成像引导的治疗体系作为集合了成像检测、监测和治疗方式共同作用的综合疗法为癌症治疗指引了新的方向。荧光成像，尤其是在“生物窗口”内的红光和近红外光成像，以其高穿透深度，高的信噪比和分辨率，高灵敏度和相对简易的仪器设备要求，成为无组织损伤生物成像领域的研究热点。光动力疗法是指注射光敏剂后用适当波长激光照射肿瘤部位,使聚集在肿瘤部位光敏剂受激产生氧化能力极强的活性单线态氧来破坏肿瘤细胞、促使肿瘤组织的坏死,进而达到治疗肿瘤的目的。光动力疗法具有能够选择性杀伤局部肿瘤细胞和组织,而对健康组织基本没有损害或损害较小、毒副反应少等特点，因此无需手术，避免化疗药物的毒副作用，是一种简单、安全的理想治疗方法。化疗药物如果能够实现定点释放，可以有效降低对正常组织的损伤。光动力疗与药物定点释放的化疗相结合的协同治疗体系，可以提高治疗效率，降低药物剂量和副作用，对癌症的治疗具有重要的意义。而成像引导是提高光动力疗效果和药物定点释放的前提和基础。
当前，荧光成像引导的治疗体系有以下几种类型：半导体量子点纳米材料和稀土金属上转换纳米粒子等，这些发光材料荧光可调,分辨率高且光稳定性强,如，1)H.Liu,W.Tang,C.Li,P.Lv,Z.Wang,Y.Liu,C.Zhang,Y.Bao,H.Chen,X.Meng,Y.Song,X.Xia,F.Pan,D.Cui,Y.Shi,Nanoscale Res.Lett.2015,10,959；2)X.Wang,C.X.Yang,J.T.Chen,X.P.Yan,Anal.Chem.2014,86,3263。但其此类发光材料毒性较高(重金属泄露)且难以克服；贵金属纳米点和贵金属簇的化学稳定性强,易于修饰,如，3)S.Jiang,K.Y.Win,S.Liu,C.P.Teng,Y.Zheng,M.Y.Han,Nanoscale 2013,5,3127；4)F.He,G.Yang,P.Yang,Y.Yu,R.Lv,C.Li,Y.Dai,S.Gai,J.Lin,Adv.Funct.Mater.2015,25,3966。但此类材料在体代谢能力较差,药物负载量较低，不利于有效治疗；有机高分子胶束尺寸可调,负载量大,如，5)S.Chang,T.Si,S.Zhang,M.A.Merrick,D.E Cohn,R.X.Xu,Ultrason.Sonochem.2016,28,31；6)A.Topete,S.Barbosa,P.Taboada,J.Appl.Polym.Sci.2015,132。但其热力学稳定性差，易分解，不便于体内传输，降低了治疗效果。上述材料的生物相容性低，合成复杂、步骤繁琐，也限制了它们在生物成像领域的应用。同时，上述材料为单一治疗体系，缺乏成像引导的协同治疗体系。因此，开发合成简单、生物相容性高、治疗效果明显的成像引导的协同治疗体系具有重要的学术价值和临床实际意义。
本发明旨在发展一种简单可控、通用性强的荧光成像探针的制备方法，并将制备的探针用做荧光成像引导的化疗和光动力治疗纳米抗癌探针。本发明制备了纳米锆-卟啉有机金属框架材料，充分利用其高生物相容性，优异光学特性实现荧光成像和光动力治疗效果，结合其一维纳米孔道的载药能力，实现荧光成像引导的化疗—光动力治疗协同治疗效果，填补了成像引导的协同治疗体系方面的空白。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种简单可控、通用性强的荧光成像引导的靶向化疗和光动力治疗纳米抗癌探针的合成方法并开发其应用。
本发明的技术方案是：
一种锆-卟啉金属有机框架材料的纳米抗癌探针的制备方法，采用模版辅助的微乳液法制备，步骤如下：
1)将无水氯化锆，中-四羧基苯基卟啉，十六烷基三甲基溴化铵，苯甲酸和聚乙二醇加入到N,N-二甲基甲酰胺中，超声溶解，得到均匀透明混合液；
2)将混合液在120℃下加热反应24小时至底部出现紫色沉淀；
3)将沉淀与上清液离心分离，用N,N-二甲基甲酰胺，乙醇和水各洗涤2次，冷冻干燥，得到纳米抗癌探针1；
4)将盐酸阿霉素溶于4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲溶液中，加入纳米抗癌探针1，常温搅拌36小时使其充分吸附阿霉素，吸附结束后离心分离，用4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲溶液洗涤3次，冷冻干燥，利用纳米抗癌探针1的一维纳米孔道负载阿霉素，获得纳米抗癌探针2。
进一步的，所述无水氯化锆，中-四羧基苯基卟啉，十六烷基三甲基溴化铵，苯甲酸，聚乙二醇和N,N-二甲基甲酰胺的用量比为30mg:10mg:100mg:300mg:100mg:10mL。
进一步的，盐酸阿霉素的浓度为2mg/mL。
进一步的，盐酸阿霉素与纳米抗癌探针1的用量比为2mg:1mg。
本发明纳米抗癌探针1可以作为荧光成像造影剂标记、显像或示踪，并通过对肿瘤的特异性富集和在体成像实现癌症的早期报告，利用纳米抗癌探针1的光学特性实现癌症的光学成像引导的光动力治疗。纳米抗癌探针2负载阿霉素，实现肿瘤部位的荧光成像，通过成像引导的定点光动力治疗，结合肿瘤部位释放阿霉素实现化疗—光动力治疗的协同治疗效果。纳米抗癌探针1和2可以实现从肿瘤检测和监测的全监控，实现对肿瘤的光动力治疗和化疗的治疗效果。(光动力治疗是一种安全、高效、简易的新型治疗方式，通过对肿瘤部位进行定点光照释放具有高活性的单线态氧，并实现杀死癌症细胞的治疗效果。)
本发明的优点是：此类纳米抗癌探针采用模版辅助的微乳液法制备，工艺简单、易于实施；采用低毒性和内源类似前体制备，生物相容性和水溶性好；可同时实现成像诊断和化疗—光动力治疗的协同及一体化，作为成像引导的化疗—光动力治疗协同治疗纳米抗癌探针，可在生物医学领域实现成像检测和监测以及成像引导的癌变组织的协同治疗。
附图说明
图1为荧光成像引导化疗—光动力治疗协同治疗纳米抗癌探针的形貌和拓扑结构图，其中：A为扫描电镜图；B为透射电镜图；C为该框架材料的拓扑结构；D为动态光散射粒径分布。
图2为荧光成像引导化疗—光动力治疗协同治疗纳米抗癌探针的性质表征图，其中：A为其紫外吸收和荧光发射图；B为其热重表征图；C为ABDA(9,10-anthracenediyl-bis(methylene)dimalonic acid，9,10-蒽基-双(亚甲基)二丙二酸)的紫外吸收变化，证明纳米抗癌探针的体外光动力治疗效果；D为C图380nm处紫外吸收值—时间关系图；E为负载盐酸阿霉素的纳米抗癌探针2体外药物释放情况。pH 7为正常组织的酸碱环境，证明对正常组织的低毒性，pH 5为癌变组织的酸碱环境，证明了纳米抗癌探针2可以快速释放阿霉素；F为荧光成像引导化疗-光动力治疗的协同治疗体系不同情况下的细胞毒性。证明了纳米抗癌探针1的低细胞毒性，纳米抗癌探针的单一光动力治疗或化疗效果，以及纳米抗癌探针2的光动力治疗—化疗协同治疗效果。
图3为荧光成像引导化疗—光动力治疗协同治疗纳米抗癌探针的载瘤裸鼠及其主要器官的成像图，其中：A为不同时间荧光成像并标记出肿瘤所在位置。可以发现转移癌因连通血管，可以快速成像，而种植癌则需要更长时间达到富集纳米抗癌针的峰值，因此可以用成像快慢区分转移癌和探种植癌；B为载瘤裸鼠注射纳米抗癌探针2后主要器官的荧光图。一方面证明了纳米抗癌探针的体内代谢路径，另一方面可以发现在肿瘤部分的有效富集，为成像引导的协同治疗提供可能。
图4为实施不同治疗方法的荧光成像引导化疗-光动力治疗协同治疗体系对载瘤裸鼠的治疗效果图。其中，Control为生理盐水注射组，P为注射纳米抗癌探针1后施加光照(光动力治疗)组，C为注射纳米抗癌探针2后化疗组，C+P为注射纳米抗癌探针2后施加光照(光动力治疗和化疗协同治疗)组。右图为经过10天治疗后各组老鼠肿瘤的组织。与对照组对比，单一光动力治疗或化疗显示明显的治疗效果，协同治疗组的效果更明显，其中两只老鼠的肿瘤组织经过协同治疗后消失。
图5为通过HE染色法验证实施不同治疗方法后，纳米抗癌探针对肿瘤的治疗效果及组织毒性图。肿瘤组织经治疗后有明显变化并证明图4的治疗效果。
图6为通过HE染色法验证实施不同治疗方法后，纳米抗癌探针对裸鼠主要器官的生理毒性图。证明了纳米抗癌探针1和2对主要器官的低毒性：纳米抗癌探针本身的低毒性，在正常器官的低富集和缓慢药物释放是对正常组织毒性低的根源。
具体实施方式
本发明提供了一种纳米锆-卟啉金属有机框架材料的制备，并将其用于荧光成像引导的化疗和光动力治疗协同治疗纳米抗癌探针。纳米锆-卟啉金属有机框架材料采用模版辅助的微乳液法制备，步骤如下：
1)将30mg无水氯化锆，10mg中-四羧基苯基卟啉，100mg十六烷基三甲基溴化铵，300mg苯甲酸和100mg聚乙二醇加入到10mL N,N-二甲基甲酰胺中，超声溶解10min，得到紫色均匀透明混合液；
2)将混合液加到30mL聚四氟乙烯内胆的反应釜内，放入烘箱，在120℃下加热反应24小时，得到底部有紫色沉淀析出的反应液；
3)将沉淀与上清液离心分离后，用N,N-二甲基甲酰胺，乙醇和水各洗涤2次，最后冷冻干燥，得到纳米抗癌探针1；
4)将盐酸阿霉素溶于4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲溶液中，加入纳米抗癌探针1(2mg盐酸阿霉素,1mg纳米抗癌探针1)，常温搅拌36小时使纳米抗癌探针1其充分吸附阿霉素，吸附结束后离心分离，用4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲溶液洗涤3次,冷冻干燥，得到纳米抗癌探针2(阿霉素负载量为109％g/g)；
图1为荧光成像引导化疗—光动力治疗协同治疗纳米抗癌探针的形貌和拓扑结构图，其中：A为扫描电镜图；B为透射电镜图；C为该框架材料的拓扑结构；D为动态光散射粒径分布。图中结果表明：制备的纳米抗癌探针粒径和形貌均一，所含的一维孔道证明纳米抗癌探针具有负载药物的潜力。
图2为荧光成像引导化疗—光动力治疗协同治疗纳米抗癌探针的性质表征，其中：A为其紫外吸收和荧光发射图；B为其热重表征图；C为ABDA的紫外吸收变化，证明纳米抗癌探针的体外光动力治疗效果；D为C图380nm处紫外吸收值—时间关系图；E为负载盐酸阿霉素的纳米抗癌探针2体外药物释放情况。pH7为正常组织的酸碱环境，证明对正常组织的低毒性，pH 5为癌变组织的酸碱环境，证明了纳米抗癌探针2可以快速释放阿霉素；F为荧光成像引导化疗-光动力治疗的协同治疗体系不同情况下的细胞毒性。证明了纳米抗癌探针1的低细胞毒性，纳米抗癌探针的单一光动力治疗或化疗效果，以及纳米抗癌探针2的光动力治疗—化疗协同治疗效果。图中说明：所制得的纳米抗癌探针具有红色荧光，适合作为荧光显像剂，同时具有较高的光动力治疗能力和负载能力；纳米抗癌探针2具有pH分辨的阿霉素释放能力，可以智能的治疗肿瘤，降低对正常组织的副作用；HepG2癌细胞生存率实验验证了纳米抗癌探针1的高生物相容性和纳米抗癌探针2的协同治疗的增强治疗效果。
荧光成像引导化疗-光动力治疗纳米抗癌探针的生物毒性试验：
将HepG2细胞以10000个/孔的密度接种于96孔培养板中，加入实施例中所制备的纳米抗癌探针1和纳米抗癌探针2进行孵育，8h后洗去药物。使用665纳米激光照射纳米抗癌探针1处理细胞实施光动力治疗(180J/cm2)，使用665纳米激光照射纳米抗癌探针2处理细胞实施化疗—光动力治疗协同治疗。
向每个培养孔中加入20微升MTT(3-(4,5-dimethyl-2-thiazolyl)-2,5-diphenyl-2-H-tetrazolium bromide)溶液，培养3h，除去剩余的MTT溶液，加入150微升DMSO(dimethyl sulfoxide)，测定上清液550nm处的吸光度，得到纳米抗癌探针本身、单一光动力治疗或化疗以及化疗—光动力治疗协同治疗对细胞毒性结果。
图3为荧光成像引导化疗—光动力治疗协同治疗纳米抗癌探针的载瘤裸鼠及其主要器官的成像图，其中：A为不同时间荧光成像并标记出肿瘤所在位置。可以发现转移癌因连通血管，可以快速成像，而种植癌则需要更长时间达到富集纳米抗癌针的峰值，因此可以用成像快慢区分转移癌和种植癌；B为载瘤裸鼠注射纳米抗癌探针2后主要器官的荧光图。一方面证明了纳米抗癌探针的体内代谢路径，另一方面可以发现在肿瘤部分的有效富集，为成像引导的协同治疗提供可能。图中说明：纳米抗癌探针1通过尾静脉注射后，可以迅速的富集于体内原位生长的转移瘤中，实现对初生癌症的快速检测。7h后纳米抗癌探针1富集于皮下移植瘤内，为成像引导治疗提供可能。解剖后的器官图也说明纳米抗癌探针对于肿瘤的标记效应及在正常组织的低富集效果。
荧光成像引导化疗—光动力治疗协同治疗纳米抗癌探针用做显像剂用于小鼠成像及在肿瘤的检测和治疗中的应用：
将实施例中制备的纳米抗癌探针1溶解于生理盐水中，通过尾静脉注射将200微升纳米抗癌探针1生理盐水溶液注射入裸鼠(18-22g)体内，通过荧光成像监测肿瘤部位的荧光强度，在荧光强度达到最高值时，使用665nm激光照射肿瘤部位(180J/cm2)，并在接下来的几天内测量肿瘤尺寸和裸鼠体重的变化。
图4为实施不同治疗方法的荧光成像引导化疗-光动力治疗协同治疗体系对载瘤裸鼠的治疗效果。其中，Control为生理盐水注射组，P为注射纳米抗癌探针1后施加光照(光动力治疗)组，C为注射纳米抗癌探针2后化疗组，C+P为注射纳米抗癌探针2后施加光照(光动力治疗和化疗协同治疗)组。右图为经过10天治疗后各组老鼠的肿瘤组织。与对照组对比，单一光动力治疗或化疗显示明显的治疗效果，协同治疗组的效果更明显，其中两只老鼠的肿瘤组织经过协同治疗后消失。图中说明：光动力治疗组和化疗组经治疗后，肿瘤生长速度均有所下降；而光动力治疗—化疗协同治疗组经过治疗后，肿瘤迅速减小，其中有半数完全消失，有效实现对肿瘤的快速治疗。图4结果证明本发明的荧光成像引导化疗-光动力治疗协同治疗体系可以应用于活体成像、肿瘤标记及实现肿瘤高效协同治疗结果。
图5为通过HE染色法验证实施不同治疗方法后，纳米抗癌探针对肿瘤的治疗效果及组织毒性。肿瘤组织经治疗后有明显变化并证明图4的治疗效果。图中说明：箭头所指的地方为肿瘤坏死的位置，其中以光动力治疗—化疗协同治疗组的坏死最多，治疗效果最好。
图6为通过HE染色法验证实施不同治疗方法后，纳米抗癌探针对裸鼠主要器官的生理毒性。证明了纳米抗癌探针1和2对主要器官的低毒性：纳米抗癌探针本身的低毒性，在正常器官的低富集和缓慢药物释放是对正常组织毒性低的根源。图中说明：裸鼠的各主要器官都没有明显的生理毒性和病变，证明了纳米抗癌材料1和2良好的生物相容性。
Claims (2)
1.一种锆-卟啉金属有机框架材料的纳米抗癌探针的制备方法，采用模版辅助的微乳液法制备，步骤如下：
1)将无水氯化锆，中-四羧基苯基卟啉，十六烷基三甲基溴化铵，苯甲酸和聚乙二醇加入到N,N-二甲基甲酰胺中，超声溶解，得到均匀透明混合液；
2)将混合液在120℃下加热反应24小时至底部出现紫色沉淀；
3)将沉淀与上清液离心分离，用N,N-二甲基甲酰胺，乙醇和水各洗涤2次，冷冻干燥，得到纳米颗粒；
4)将盐酸阿霉素溶于4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲溶液中，加入纳米颗粒，常温搅拌36小时使其充分吸附阿霉素，吸附结束后离心分离，用4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲溶液洗涤3次，冷冻干燥，利用纳米颗粒的一维纳米孔道负载阿霉素，获得纳米抗癌探针；
其中纳米抗癌探针负载阿霉素，实现肿瘤部位的荧光成像，通过成像引导的定点光动力治疗；
所述无水氯化锆，中-四羧基苯基卟啉，十六烷基三甲基溴化铵，苯甲酸，聚乙二醇和N,N-二甲基甲酰胺的用量比为30mg:10mg:100mg:300mg:100mg:10mL；
盐酸阿霉素与纳米颗粒的用量比为2mg:1mg。
2.根据权利要求1所述锆-卟啉金属有机框架材料的纳米抗癌探针的制备方法，其特征在于：盐酸阿霉素的浓度为2mg/mL。
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