CN106362148A - 一种普鲁士蓝纳米介晶细胞膜包覆修饰方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种普鲁士蓝纳米介晶细胞膜包覆修饰方法，生物膜与普鲁士蓝纳米介晶在pH 7.4～8.0下超声包覆，随后再经离心处理得到有生物膜的包覆普鲁士蓝纳米介晶；其中，超声的功率为150～300w，超声频率20～40kHz。本发明中，在所述的pH下通过超声的包覆修饰方式能有效实现生物膜与普鲁士蓝纳米介晶高效包覆。此外，本发明方法无需对普鲁士蓝纳米介晶预先进行疏水性等处理，操作简单；包覆效果好；且包覆修饰后的普鲁士蓝在体内的作用效果有较大提升。

Description

一种普鲁士蓝纳米介晶细胞膜包覆修饰方法
技术领域
本发明属于药物制备领域，具体涉及一种普鲁士蓝纳米介晶细胞膜包覆修饰方法。
背景技术
普鲁士蓝作为染料已经有200年历史，普鲁士蓝纳米材料被发现在光物理，电、光学等领域有较好的应用前景，已被广泛用于电化学、催化、分析等领域。普鲁士蓝纳米材料具有制备过程简单、反应条件温和、低成本、化学结构稳定等优点，在2003年已得到美国食品及药品管理局(FDA)的认证。最近，科学家发现普鲁士蓝在近红外区域有强烈的光吸收，具有较高的光热转换效率，同时可作为核磁共振造影剂，已将其广泛应用于疾病的诊断和治疗当中。
与大多数应用于生物医药的纳米材料相似，普鲁士蓝纳米材料也存在血液循环时间短，易被免疫系统清除，主要富集于肝、脾等内皮组织器官等问题。因此，如何对普鲁士蓝纳米材料进行修饰以解决上述问题，使其更好的应用于临床实践中是亟待解决的问题。
现有对纳米材料进行生物膜包覆的方法，例如将纳米颗粒和生物膜混合后，再经纳米滤膜过滤得到(C.J.Hu，L.Zhang，S.Aryal，C.Cheung，R.H.Fang，L.Zhang.Erythrocytemembrane-camouflaged polymeric nanoparticles as a biomimetic deliveryplatform.PNAS，108(27)：10980-10985)；该方法制备效率低，制备耗时长，制备设备和耗材费用昂贵。
发明内容
为解决普鲁士蓝纳米材料在生物应用中出现的血液循环时间短，易被免疫系统清除；现有纳米颗粒生物膜包覆效果差，需要对纳米颗粒进行表面改性，设备昂贵，生成效率低等问题：本发明提供了一种普鲁士蓝纳米介晶细胞膜包覆修饰方法；旨在通过生物膜包覆、修饰手段，提高普鲁士蓝纳米材料在生物应用中的潜力和应用效果。
本发明的发明人先采用生物膜和普鲁士蓝纳米介晶进行超声包覆处理，但包覆过程得到的包覆材料的状态不稳定，容易发生聚集、聚沉；生物适应性也较差，发明人也不明所以。通过进一步研究，发明人偶然发现，对包覆过程的进行pH进行调控，有助于普鲁士蓝纳米介晶的生物膜包覆，故提供以下方案：
一种普鲁士蓝纳米介晶细胞膜包覆修饰方法，生物膜与普鲁士蓝纳米介晶在pH7.4～8.0下超声包覆，随后再经离心处理得到包覆有生物膜的普鲁士蓝纳米介晶；其中，超声的功率为150～300W，超声频率20～40kHz。
本发明人发现，在所述的pH下及超声条件下进行包覆修饰能有效实现生物膜与普鲁士蓝纳米介晶高效包覆。此外，本发明方法无需对普鲁士蓝纳米介晶预先进行疏水性等处理，操作简单；包覆效果好；且包覆修饰后的普鲁士蓝在体内的作用效果有较大提升。
作为优选，超声包覆过程的pH为7.4。
本发明人还发现，除pH对包覆具有影响外，超声的功率及频率也对包覆效果具有一定的影响。
进一步优选，超声的功率为300W，超声频率40kHz。
超声包覆过程的温度例如为10～60℃。
作为优选，所述的生物膜为红细胞膜、巨噬细胞细胞膜、癌症细胞细胞膜中的至少一种。
进一步优选，所述的生物膜为红细胞膜。
利用红细胞膜对普鲁士蓝纳米材料进行包覆修饰，可大大提高包覆产物的生物应用的能力和效果。
作为优选，所述普鲁士蓝纳米介晶为介孔实心纳米颗粒或介孔中空纳米颗粒。
本发明技术方法，对普鲁士蓝纳米介晶的粒度要求不大，理论上不同粒度范围下的普鲁士蓝纳米介晶均能采用本发明方法进行生物膜修饰、包覆。
为进一步适应生物的使用，进一步提高包覆效果，作为优选，所述的普鲁士蓝纳米介晶的粒径为100～120nm；比表面积BET：145～160m2/g；平均孔径分布12～15nm。
例如，所述的中空普鲁士蓝纳米介晶的粒径为100～120nm；比表面积BET：145～160m2/g；平均孔径分布12～15nm。
进一步优选，所述的中空普鲁士蓝纳米介晶的平均粒径为110nm；比表面积BET为158.12m2/g；平均孔径分布13.7nm。
为了使中空普鲁士蓝纳米介晶充分包覆，作为优选，生物膜与普鲁士蓝纳米介晶的重量比为1∶1～2。
进一步优选，生物膜与中空普鲁士蓝纳米介晶的重量比为1∶1～2。
进一步优选，生物膜与中空普鲁士蓝纳米介晶的重量比为1∶1。
本发明方法中，作为优选，预先将所述的普鲁士蓝纳米介晶浸渍于药物溶液中，随后将固液分离得到的携药的普鲁士蓝纳米介晶和生物膜在所述pH下超声包覆。
进一步优选，预先将所述的中空普鲁士蓝纳米介晶浸渍于药物溶液中，随后将固液分离得到的携药的中空普鲁士蓝纳米介晶和生物膜在所述pH下超声包覆。
所述的负载的药物可为现有的抗肿瘤药物、心血管等药物；作为优选，所述的负载的药物可为紫杉醇、喜树碱、姜黄素中的至少一种。
本发明的一种优选的实施方案：调节生物膜的溶液的pH为7.4～8.0；随后与普鲁士蓝纳米介晶的分散液混合；再水浴超声包覆至体系变为澄清；最后经离心处理得到生物膜包覆的中空普鲁士蓝纳米介晶。
在所述的优选方案中，所述的生物膜的溶液为包含所述生物膜的PBS或生理盐水溶液；所述的生物膜的溶液中，生物膜的重量百分数为1～10％。
在所述的优选方案中，预先将中空普鲁士蓝纳米介晶分散在水中得所述的分散液；所述的分散液中，普鲁士蓝纳米介晶的重量百分数为0.1～1％。
本发明中，所述的普鲁士蓝纳米介晶的制备方法可为：聚乙烯吡咯烷酮、铁氰化钾和酸液搅拌混合至澄清，随后升温至70～90℃下反应，反应结束后离心、洗涤得实心普鲁士蓝纳米介晶固体(MPB)。
普鲁士蓝纳米介晶的制备过程中，所述的酸液为盐酸。在所述温度下的反应时间为20～24h。
中空的普鲁士蓝纳米介晶的制备方法可为：将制得的MPB、PVP和酸液混合后再在130～140℃下反应3～4h，随后在经离心处理得到深蓝色中空普鲁士蓝纳米介晶固体(HPB)。
本发明所述技术方案相比于现有技术具有以下优点：
(1)本发明提供了一种利用细胞膜对普鲁士蓝纳米材料进行表面修饰的方法，该方法操作简单，耗时短，修饰效果好。
(2)本发明所涉及的对普鲁士蓝纳米材料进行表面修饰的方法可以应用于现有大多数球状有机/无机纳米材料的生物膜包覆。所用的细胞膜不仅局限于红细胞膜，使用巨噬细胞和癌症细胞的细胞膜也可达到同样的修饰效果。
(3)本发明制备过程中，无需对普鲁士蓝纳米材料进行表面改性处理，例如无需对其进行疏水性等处理即可实现良好包覆。
(4)制得的包覆材料的生物适应性好，体内体外实验均表明其能有效逃避吞噬细胞或其他免疫细胞的吞噬。
附图说明
图1为实施例1的RBC和RBC包覆HPB前后的Zeta电位1和粒径分布图；
图2为实施例1包覆前、后的经磷钨酸复染的TEM图，其中，(a)部分为HPB的TEM图；(b)部分为RBC囊泡的TEM图：(c)部分为包覆得到的RBC@HPB的TEM图；标尺：100nm。
图3为RBC@HPB，HPB，水的近红外光热效应测试图；(a)部分分别是RBC@HPB，HPB，水溶液随着808nm激光照射的温度-时间曲线图；(b)部分是RBC@HPB，HPB，水溶液随着808nm激光照射的红外测定温度照片；
图4为实施例2所述的包覆RBC@HPB携带有不同药物成分在808nm光照和不光照情况下的释放曲线；其中，图4的(a)部分为携带阿霉素的释放曲线图，图4的(b)部分为携带细胞色素C的释放曲线图；
图5为RBC@HPB逃逸巨噬细胞吞噬性能测试图；左图为只加入PBS的对照组；中图为加入HPB的PBS溶液实验组；右图为加入RBC@HPB的PBS溶液实验组。
图6为实施例4RBC包覆前后的HPB刺激小鼠巨噬细胞分泌肿瘤坏死因子(TNF-α)的对比图；
图7不同pH条件下制得的RBC包覆HPB的粒径分布图；图7(a)为对比例1即pH＝6.0条件下，RBC包覆HPB后静置0.5h的粒径分布图；图7(b)为在pH＝7.4条件下制备RBC包覆HPB后静置24h的粒径分布图。
具体实施方法
下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，基于本发明的原理对本发明所做出的各种改动或修改同样落入本发明权利要求书所限定的范围
以下实施例或对比例的红细胞膜的制备方法如下：
在10mL离心管中加入抗凝剂用于收集老鼠血，每6mL血液加入约1mL肝素pH＝7.4的PBS缓冲液。取30mL血液放于冷冻离心机(3000r/min，4℃，20min)离心使红细胞沉淀，除去血浆和绒毛状沉淀层，然后将其加入到三倍体积预冷的PBS缓冲液中，缓缓搅拌，再用冷冻离心机(5000r/min，4℃，15min)离心，除去上清液及沉淀表层，重复洗涤三次。
将红细胞按1∶40的比例加入预冷的1mM，pH＝7.4的PBS缓冲液中，边加边缓慢搅拌，然后在-4℃冰箱中放置1～2h，完成溶血。然后于冷冻离心机(9000r/min，4℃，15min)离心使红细胞膜沉淀。重复洗涤至上清液无色，最后获得白色的红细胞膜(RBC)样品。
实施例1：
以红细胞膜包覆HPB：
步骤(1)：分别称取3g聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)和132mg铁氰化钾(K3[Fe(CN)6]·3H2O)，用体积为40mL，HCl浓度为0.01M的盐酸溶液溶解，常温下搅拌30min得到澄清的黄绿色溶液，停止搅拌，将溶液升温至80℃反应20～24h，停止加热待溶液降至常温，12000r/min离心洗涤，得到实心普鲁士蓝纳米介晶固体(MPB)。
步骤(2)：加入聚四氟乙烯内衬中加入体积为20mL，HCl浓度为1.0M的盐酸溶液，然后将步骤(1)制得的MPB(20mg)和PVP(100mg)在磁力搅拌下加入，常温搅拌3h后，转移至反应釜内升温至140℃反应4h，停止反应，12000r/min离心洗涤，冷冻干燥后得到深蓝色中空普鲁士蓝纳米介晶固体(HPB)，普鲁士蓝纳米介晶的平均粒径为110nm，比表面积BET为158.12m2/g，平均孔径分布13.7nm。
步骤(3)：取已经处理提纯好的红细胞膜(RBC)悬浊液，调节红细胞膜(RBC)悬浊液(RBC的PBS溶液，RBC含量1wt％)的pH值为7.4(例如采用NaOH水溶液调节)，置于水浴超声仪中超声少时，超声功率范围300w，超声频率40kHz，直至RBC悬浊液变为澄清半透明溶液，在超声的同时，将分散均匀的HPB水溶液(HPB为1wt％，HPB和RBC的比例为1∶1)缓慢加入至RBC悬浊液中，在所述的超声条件下继续超声、包覆，使得红细胞膜均匀的包覆在HPB纳米介晶的表面，直至混合溶液为透明澄清墨绿色时即可停止超声；离心除去未包覆的RBC，得到红细胞膜包覆的中空普鲁士蓝纳米介晶(RBC@HPB)。图1中，由左至右，第一柱型图(标记为1)为RBC的Zeta电位和粒径分布图；第二柱型图(标记为2)为HPB的Zeta电位和粒径分布图；第三柱型图(标记为3)为包覆得到的RBC@HPB的Zeta电位和粒径分布图；由图1获知，当RBC包覆HPB后，所得的RBC@HPB的平均粒径增加了约20nm，这与细胞膜的厚度(双层磷脂约9nm)相符，同时RBC的Zeta电位由-7mV下降至-13mV，与RBC所带的Zeta电位相似。该图说明了HPB在被RBC包覆前后的表面性质的变化情况，证明RBC能较好的包覆HPB。
由图2可见，相比于HPB，RBC@HPB的表面可以较明显看到一层RBC包覆的外壳，说明RBC包覆到了HPB表面。
对制得的HPB-RBC进行近红外光热效应测试：
在2mL的PE管中加入1mL浓度为0.1mg/mL的RBC@HPB水溶液，用功率为1.0W/cm2的808nm光纤耦合连续半导体激光灯照射玻璃瓶底部，与此同时，用红外热成像仪记录样品温度的变化。用相同浓度的HPB水溶液以及去离子水溶液，在相同条件下进行光热效应测试。所得实验结果见图3。由图3可以看出，经过RBC修饰的HPB的光热性能并未受到影响，依然和未修饰的HPB保持基本相同的光热能力，可达到60℃以上；而在相同条件下照射的水溶液的温度仅上升3～4℃。
实施例2
红细胞膜修饰负载药物的中空普鲁士蓝纳米介晶的制备方法：
步骤(1)：按照实施例1的所述方法制备中空普鲁士蓝纳米介晶和RBC悬浊液。将1mg HPB均匀分散在浓度为10mg/mL的盐酸阿霉素溶液中，静置过夜；随后再在10000r/min离心除去游离的盐酸阿霉素，得到负载有盐酸阿霉素的HPB；
步骤(2)：开启超声(超声参数和实施例1相同)，将pH为7.4的RBC溶液(RBC的PBS溶液，RBC的质量含量为1wt％)快速加入至离心得到的负载有盐酸阿霉素的HPB中(RBC/HPB投加重量比1∶1)，持续超声至混合溶液澄清，再离心除去多余的RBC，即得到红细胞膜修饰的负载DOX的中空普鲁士蓝纳米介晶(标记为RBC@DOX-HPB或DOX@HPB-RBC)。
该方法同样可以用于制备负载其他药物如紫杉醇、喜树碱、姜黄素等药物的HPB制备。
对制得的RBC@DOX-HPB进行光热刺激释放测试
取1.5mL浓度为2mg/mL的DOX@HPB-RBC于3mL玻璃瓶中，用功率为1.0W/cm2的808nm光纤耦合连续半导体激光灯照射玻璃瓶底部5min，离心取上清液，然后放置25min，离心取上清液，再加入等量PBS缓冲溶液将DOX@HPB-RBC分散，如此循环三次。每次得到的上清液都用紫外-可见分光光度计在490nm处测量其吸光值，以确定光照与不光照时DOX的释放量。测试结果见图4(a)。图4(a)说明在光照的条件下，阿霉素的释放速率大大高于不光照时的释放速度。
实施例3
和实施例2相比，区别在于，采用FITC标记的细胞色素C(标记为FITClabeledCytochrome C)替换所述的盐酸阿霉素。制得负载FITC labeled Cytochrome C的中空普鲁士蓝纳米晶(标记为RBC@FITC labeled Cytochrome C-HPB。)
对制得的RBC@FITC labeled cytochrome C-HPB进行光热刺激释放测试：
取1.5mL浓度为2mg/mL的RBC@FITC labeled cytochrome C-HPB于3mL玻璃瓶中，用功率为1.0W/cm2的808nm光纤耦合连续半导体激光灯照射玻璃瓶底部，分别在5、10、15、20、25min取100μL测试所细胞色素C上标记的FITC的荧光强度，以确定细胞色素c的释放量，对照组同浓度RBC@FITC labeled Cytochrome C-HPB在相同条件下不光照时，分别在相同时间点取样测得的细胞色素c释放量。测试结果见图4(b)。
图4(b)说明在光照的条件下，细胞色素C的释放速率高于不光照时的释放速度。说明光照引起的光热效应可以影响到细胞膜的通透性，使得药物的释放速率加快。
对比例1：
和实施例1相比，区别仅在于，步骤(3)中，在pH＝6.0的条件下进行超声包覆。具体制备方法为：
步骤(1)和步骤(2)和实施例1相同；
步骤(3)：调节所述的红细胞膜悬浊液的pH为6.0(可采用PBS溶液进行调节)；在超声功率范围300W，超声频率40kHz下超声直至RBC悬浊液变为澄清半透明溶液，在超声的同时，将分散均匀的HPB水溶液缓慢加入至RBC溶液中；继续超声，使得细胞膜均匀的包覆在HPB纳米介晶的表面，直至混合溶液为澄清墨绿色时即可停止超声；离心除去未包覆的RBC，常温静置1h，发现在溶液中出现絮状悬浮物。所述的图7(a)为本对比例的RBC包覆HPB后静置0.5h的粒径分布图，由图7(a)可知，在pH＝6.0条件下制备的RBC@HPB在放置30min后溶液中出现了少量絮状悬浮物，测得的平均粒径为591.9nm，PDI为0.978，出现较宽的分布峰，说明RBC@HPB的状态不稳定，发生了聚集、聚沉，导致纳米颗粒的分散性很差。
而由图7(b)可以看出，在pH＝7.4条件下制备的RBC@HPB在静置1天时间后仍保持着稳定状态，平均粒径约200nm，PDI为0.24。
因此，当制备溶液的pH从7.4降为6.0时，所制备的RBC@HPB不稳定，易发生聚沉，稳定性无法达到作为生物应用材料的要求。
实施例4
(1)按照实施例1的所述方法制备RBC@HPB
(2)对制得的RBC@HPB进行逃逸巨噬细胞吞噬性能测试：
在5％二氧化碳培养箱中，设定温度为37℃，用RPMI1640培养基(含10％胎牛血清和1％抗生素)对腹腔巨噬细胞进行培养，通过吸收波长为490nm的细胞增殖试剂盒和酶标仪来检测细胞活性。
(2-a)在96孔板的每个孔中接种腹腔巨噬细胞5000个，培养24h后，把孔板分为3组，第1组不做处理使用正常培养液，第2组培养基换为含200μL，100μg/mL HPB的RPMI1640培养液，第3组的培养基换为含200μL，100μg/mLRBC@HPB的RPMI1640培养液，孵育4h后，用PBS溶液清洗细胞，在荧光倒置显微镜下观察细胞成像情况。结果见图5。如图所示，HPB(图5中)在未修饰情况下大量被巨噬细胞吞噬，在巨噬细胞内出现肉眼可见的HPB的深蓝色；同样情况下RBC@HPB被细胞吞噬的数量很少，在巨噬细胞中几乎看不到HPB的颜色，与PBS对照组的结果相近。
(2-b)在96孔板的每个孔中接种腹腔巨噬细胞5000个，培养24h后，把孔板分为3组，第1组加入含有脂多糖(lipopolysaccharides，LPS)的培养液，第2组培养基换为含200μL，100μg/mL HPB的RPMI1640培养液，第3组的培养基换为含200μL，100μg/mL RBC@HPB的RPMI1640培养液，共育4h后，1000r/min离心各组取100μL上清液用肿瘤坏死因子(TNF-α)试剂盒测试各组中巨噬细胞所分泌的TNF-α含量。结果见图6。
图6为本实施例RBC包覆前后的HPB刺激小鼠巨噬细胞分泌肿瘤坏死因子(TNF-α)的对比图；以脂多糖(lipopolysaccharides，LPS)刺激Balc/C小鼠腹腔巨噬细胞分泌肿瘤坏死因子(TNF-α)的含量为基准100％，以不同浓度HPB和RBC@HPB与巨噬细胞培养后，检测其能刺激巨噬细胞分泌TNF-α的含量，以此作为评判HPB在修饰RBC前后的免疫逃逸能力。由图6获知，在浓度50-200μg/mL的条件下，HPB刺激巨噬细胞分泌TNF-α的量随着浓度的升高而上升，而RBC@HPB刺激产生的TNF-α则基本处于同一水平线，不随浓度的增加而上升。说明RBC@HPB具有较好的逃逸巨噬细胞识别的能力。
综上所述，本发明方法制得的生物膜包覆的普鲁士蓝的材料具有良好的生物适应性。

Claims (9)

1.一种普鲁士蓝纳米介晶细胞膜包覆修饰方法，其特征在于，生物膜与普鲁士蓝纳米介晶在pH7.4～8.0下超声包覆，随后再经离心处理得到包覆有生物膜的普鲁士蓝纳米介晶；其中，超声的功率为150～300W，超声频率20～40kHz。
2.如权利要求1所述的普鲁士蓝纳米介晶细胞膜包覆修饰方法，其特征在于，超声包覆过程的pH为7.4。
3.如权利要求2所述的普鲁士蓝纳米介晶细胞膜包覆修饰方法，其特征在于，超声的功率为300W，超声频率40kHz。
4.如权利要求1所述的普鲁士蓝纳米介晶细胞膜包覆修饰方法，其特征在于，所述的生物膜为红细胞膜、巨噬细胞细胞膜、癌症细胞细胞膜中的至少一种。
5.如权利要求1所述的普鲁士蓝纳米介晶细胞膜包覆修饰方法，其特征在于，所述普鲁士蓝纳米介晶为介孔实心纳米颗粒或介孔中空纳米颗粒。
6.如权利要求5所述的普鲁士蓝纳米介晶细胞膜包覆修饰方法，其特征在于，所述的普鲁士蓝纳米介晶的粒径为100～120nm；比表面积BET：145～160m2/g；平均孔径分布12～15nm。
7.如权利要求6所述的普鲁士蓝纳米介晶细胞膜包覆修饰方法，其特征在于，所述的中空普鲁士蓝纳米介晶的平均粒径为110nm；比表面积BET为158.12m2/g；平均孔径分布13.7nm。
8.如权利要求1所述的普鲁士蓝纳米介晶细胞膜包覆修饰方法，其特征在于，生物膜与普鲁士蓝纳米介晶的重量比为1∶1～2。
9.如权利要求1～8任一项所述的普鲁士蓝纳米介晶细胞膜包覆修饰方法，其特征在于，预先将所述的普鲁士蓝纳米介晶浸渍于药物溶液中，随后将固液分离得到的携药的普鲁士蓝纳米介晶和生物膜在所述pH下超声包覆。
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