CN107118765B - 一种核仁靶向荧光碳点及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核仁靶向荧光碳点，它是由以下摩尔份数的原料制成：间苯二胺10份和半胱氨酸1～100份。本发明还公开了前述核仁靶向荧光碳点的制备方法及其在用作核仁荧光探针和细胞核靶向抗癌药物载体中的应用。与现有技术相比，本发明产品具有优异的核仁靶向成像性能、核仁靶向载药功能、荧光性质、抗光漂白能力、生物相容性和良好的水分散性和稳定性。同时，本发明方法制备方法简单、原料价廉易得、可实现大量制备。

Description

一种核仁靶向荧光碳点及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于纳米材料和生物技术领域，具体涉及一种核仁靶向荧光碳点及其制备方法与应用。

背景技术

核仁是真核细胞核中最显著的结构，其组成成分主要包括核糖体RNA(rRNA)，核糖体DNA(rDNA)和核糖核蛋白。核仁参与了细胞内部许多关键的生命过程，包括核糖体RNA(rRNA)的合成、除rRNA以外其它RNA的代谢以及细胞功能的调控等许多关键过程。核仁是细胞核内的生产核糖体前体的机器，其过程是由rDNA转录成rRNA，rRNA再与来自细胞质的蛋白质结合，进而加工、改造成核糖体的前体，然后输出到细胞质。细胞代谢所需要的蛋白质都是在核糖体中完成合成过程的，这些蛋白质导致了核仁的高度功能复杂性。因此，核仁对于维持细胞正常的结构和功能至关重要，而开发相应的核仁探针用于检测核仁的数量、形貌和变化情况等对于了解细胞的状态和行为具有重要意义。

在细胞生物学领域，荧光检测法发展迅速，其检测方法具有对细胞生理形态影响小、检测速度快、灵敏度高等优点，已成为研究细胞结构与功能的首选检测方法之一。在种类众多的核仁荧光染料中，根据它们细胞膜通透性，可分为活细胞染料和死细胞染料两类。在活细胞核仁的染色检测中，要求染料具有活细胞通透性、核仁结合性及低毒性等优点。许多有机化合物类核仁染料在染细胞过程中常出现光稳定性较差(在氧气的存在下，很容易发生光氧化反应)、单一发射波长、较小斯托克斯位、较低荧光量子产率和荧光寿命长度等缺点，这些都限制了其应用。到目前为止，可用于核仁染色的商业化荧光染料只有一种绿色花菁类染料—“SYTO RNA-Select”，但是这种商业染料在应用中受价格昂贵、染色条件难以用于活细胞检测、水溶性不佳、单一的发射波长、光稳定性差以及化学结构未知等局限性所限制。因此在活细胞核仁荧光成像领域，迫切需要开发出性能优异的新型活细胞荧光核仁染料。

与此同时，提高药物的癌症治疗疗效通常具有两种思路，一是提高药物的细胞内吞效率，二是定向输送药物至细胞中对癌症治疗措施更为敏感有效的区域。基于第二种思路，线粒体和细胞核因其生理功能的重要性和对药物的敏感性，成为药物载体的靶向输运的关键目的地。发展细胞核靶向药物，常用的方法是利用细胞核靶向配体如细胞核定位多肽(序列为PKKKRKV)对药物进行共价修饰，从而赋予药物细胞核靶向的能力。但是，由于该配体本身不具备荧光性质，因此在修饰的过程通常还需引入其他的荧光分子才能实现对药物的荧光示踪，而引入的荧光分子又会降低修饰后药物的细胞核靶向性能。另一方面，核定位多肽由于富含大量正电荷氨基酸(即赖氨酸，K)，容易被血液中的带负电荷的蛋白质吸附从而影响药物被细胞摄取的效率。这些缺点也成为了该配体用于实现药物细胞核靶向输运的瓶颈。此外，目前被报道开发出来的新型核仁靶向染料分子，大都不具备可修饰的功能基团，这也限制了其作为细胞核靶向药物载体的应用。综上所述，开发出一种同时具备荧光探针和药物载体双重功能的细胞核靶向分子或纳米颗粒的重要性不言而喻。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种核仁靶向荧光碳点，以解决现有技术存在的在作为细胞核靶向药物载体时的限制性等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种制备核仁靶向荧光碳点的方法，它是由以下摩尔份数的原料制成：

间苯二胺 10份；

半胱氨酸 1～100份。

其中，优选如下摩尔份数的原料：

间苯二胺 10份；

半胱氨酸 15份。

上述的制备方法包括如下步骤：

将半胱氨酸溶解于碱溶液中，再与间苯二胺水溶液混合后得到混合液；混合液经加热反应后，降至室温，经透析即得核仁靶向荧光碳点的水溶液。

其中，所述的碱溶液为氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液，其中氢氧化钠或氢氧化钾与半胱氨酸的摩尔比为1：1。

其中，所述的加热反应的温度为120～200℃，优选160℃；时间为3～24h，优选10h。

其中，所述的透析是指将降至室温的反应液加入到透析袋中，并将透析袋置于超纯水中透析2～3天，整个过程换水3-4次；其中，所述的透析袋的截留分子量为300。

上述任意一项制备方法制备得到的核仁靶向荧光碳点也在本发明的保护范围之内。

上述核仁靶向荧光碳点在作为核仁荧光探针中的应用也在本发明的保护范围之内。

上述核仁靶向荧光碳点在作为细胞核靶向抗癌药物载体中的应用也在本发明的保护范围之内。

上述核仁靶向荧光碳点在同时作为核仁荧光探针和细胞核靶向抗癌药物载体中的应用也在本发明的保护范围之内。

碳点由于其制备简单、具有荧光发光能力、尺寸小、水溶性好以及生物毒性低的性质而被广泛应用于许多领域，如生物成像、生物监测和药物载体等。本发明利用一步水热法制备得到的碳点，首次实现了对哺乳动物细胞的细胞核核仁成像的能力，且其抗光漂白的能力远高于常规的有机分子染料。相较于商品化的核仁成像试剂，我们合成的碳点由于制备简单、成本低廉、水溶性好、生物安全性好及染色条件简单应用性更广，且能用于活细胞的核仁成像及跟踪，更加能够推广使用，并有望取代商品化的核仁荧光探针。同时，由于碳点表面存在着包括氨基、羧基以及巯基等功能基团，可通过物理或化学作用有效负载抗癌药物，利用碳点可快速并大量被细胞内吞的性质，极大提高药物的细胞内吞效率，同时又可实现基于细胞核靶向的药物输运，从而提高药物对癌细胞的治疗效果，这将进一步拓宽碳点在生物医学领域的应用。

有益效果：

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

(1)优异的核仁靶向成像性能：其对哺乳动物细胞核仁的靶向成像具有普适性，在5μg/mL的低浓度下便可实现对包括以肺细胞(AT II)与肝细胞(L02)为代表的正常组织细胞和以巨噬细胞(Raw264.7)为代表的人体免疫细胞以及以肺癌细胞(A549)、肝癌细胞(HepG2)和宫颈癌细胞(HeLa)为代表的癌细胞的核仁成像，同时其成像同时适用于死细胞和活细胞，甚至能在细胞固定的条件下仍保持良好的核仁靶向能力，且可实现免清洗，为荧光成像带来应用范围的极大拓宽和操作上巨大的简便；

(2)优异的核仁靶向载药功能：通过共价作用，可连接抗癌药物，所得到的碳点-药物复合体仍然保持碳点本身的大量内吞性质，且长时间后可慢慢渗透进入细胞核，从而可以实现部分定位于细胞核的癌症治疗并因此可极大地提高药物的抗癌疗效；

(3)优异的荧光性质：所制得的碳点荧光强度大，荧光激发光谱很广，从而极大地拓宽了其对哺乳动物细胞核仁成像检测的应用范围。在作为药物载体时，碳点本身的荧光可赋予药物分子荧光示踪的特性，为研究药物的定位机制提供了可能；

(4)优异的抗光漂白能力：该碳点在激光照射下不易被光漂白，其光稳定性远高于常规的核仁靶向有机染料分子如SYTO RNA-Select染料等，因此可以实现长时间连续成像观察；

(5)较高的生物相容性：经细胞毒性评价实验，该荧光碳点在100g/mL的浓度时，对正常肺细胞和乳腺癌细胞的毒性依旧很低，均保持着90％及以上的存活率，即碳点本身的性质并不会对细胞造成很强的毒害，证明其具有很好的生物相容性；

(6)良好的水分散性和稳定性。所制得的荧光碳点具有很好的水分散性和稳定性，适合在生理环境下的核仁成像以及细胞核靶向载药的应用。；

(7)本发明制备方法简单、原料价廉易得、可实现大量制备。

附图说明

图1为利用间苯二胺和半胱氨酸制备荧光碳点的示意图；

图2为本发明制得的荧光碳点的透射电子显微镜(TEM)图；

图3为本发明制得的荧光碳点的紫外–可见吸收光谱图；

图4为本发明制得的荧光碳点的荧光发射光谱图；

图5为本发明制得的荧光碳点和商品化染料对经固定的和未经固定的HeLa细胞的共聚焦成像图；

图6为本发明制得的荧光碳点对不同种类细胞的细胞核仁成像效果图；

图7为本发明制得的荧光碳点对HeLa细胞的毒性评价结果图；

图8为本发明制得的荧光碳点在连接光敏剂原卟啉后所得材料(CDs-PpIX)的透射电子显微镜(TEM)图；

图9为本发明制得的荧光碳点在连接光敏剂原卟啉后所得材料(CDs-PpIX)与碳点、游离原卟啉的紫外–可见吸收光谱图；

图10为本发明制得的荧光碳点在连接光敏剂原卟啉后所得材料(CDs-PpIX)与碳点、游离原卟啉的荧光发射光谱图；

图11为本发明制得的荧光碳点在连接光敏剂原卟啉后所得材料(CDs-PpIX)与游离原卟啉分别与HeLa细胞孵育24h的共聚焦成像效果图；

图12为本发明制得的荧光碳点在连接光敏剂原卟啉后所得材料(CDs-PpIX)对HeLa细胞的光疗效果图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1

本实施例荧光碳点的制备，包括以下步骤：

(1)原料的准备：称取间苯二胺与半胱氨酸，使其摩尔比为2:3，其中半胱氨酸先通过超声将其溶解于0.1M氢氧化钠溶液(氢氧化钠和半胱氨酸的摩尔比为1:1)，再将所得溶液与间苯二胺水溶液混合，之后将混合液转移至水热反应釜中；

(2)反应：在水热反应釜中以160℃反应10h，形成碳点溶液；

(3)纯化：透析即得目标荧光碳点溶液。

该反应的示意图见图1，制备所得荧光碳点的透射电子显微镜结果见图2，制备所得荧光碳点的紫外–可见吸收光谱见图3，制备所得荧光碳点在不同波长激发下的荧光发射光谱见图4。由图2可知碳点的粒径分布在2.7nm左右，且分散性良好。同时其高分辨电镜结果证明其晶格的存在，说明该碳点的结晶性良好。图3的紫外–可见吸收光谱中出现了269和405nm处的两个特征吸收峰。图4表明碳点的荧光发射峰处于450–600nm。

实施例2到6

实施例2荧光碳点的制备步骤与实施例1相同，只是步骤(1)中间苯二胺与半胱氨酸的摩尔比为10:1。

实施例3荧光碳点的制备步骤与实施例1相同，只是步骤(1)中间苯二胺与半胱氨酸的摩尔比为3:1。

实施例4荧光碳点的制备步骤与实施例1相同，只是步骤(1)中间苯二胺与半胱氨酸的摩尔比为1:1。

实施例5荧光碳点的制备步骤与实施例1相同，只是步骤(1)中间苯二胺与半胱氨酸的摩尔比为1:3。

实施例6荧光碳点的制备步骤与实施例1相同，只是步骤(1)中间苯二胺与半胱氨酸的摩尔比为1:10。

实施例7到10

实施例7荧光碳点的制备步骤与实施例1相同，只是步骤(2)中，反应条件为：在120℃下反应24h。

实施例8荧光碳点的制备步骤与实施例1相同，只是步骤(2)中，反应条件为：在140℃下反应16h。

实施例9荧光碳点的制备步骤与实施例1相同，只是步骤(2)中，反应条件为：在180℃下反应6h

实施例10荧光碳点的制备步骤与实施例1相同，只是步骤(2)中，反应条件为：在200℃下反应3h

实施例11

测试实施例1所制得的荧光碳点对HeLa细胞的成像效果，方法如下：

(1)细胞培养：复苏HeLa细胞，在DMEM完全培养基中于37℃、5％CO₂环境中培养，待细胞密度长至80％左右时，用胰酶消化并通过流式细胞仪计数，使最终每个孔中细胞数量为5×10⁴个/mL，仍于37℃、5％CO₂环境中培养24h；

(2)细胞固定：于8孔板中进行细胞培养，待细胞密度长至80％左右时用磷酸缓冲液(PBS)洗2–3次，再加入200L预冷的甲醇，于–20℃放置10–20min，然后用PBS洗2–3次；

(3)细胞染色：分别配制工作浓度的RNA染料(SYTO RNA-Select)溶液、DNA染料(Hoechst)溶液和浓度为5g/mL的碳点溶液，而后用PBS清洗已培养好的细胞(包括经甲醇固定组与未固定组)2–3次，分别加入200μL已配好的成像染液，于37℃、5％CO₂环境中共孵育。其中RNA染料组和DNA染料组染色20min并用PBS清洗2–3次以除去溶液中多余的染料分子。碳点染色孵育30min且无须清洗便可用于成像观察；

(4)共聚焦荧光显微镜成像观测：用波长为405nm和488nm激光作为激发光，其中DNA染料在405nm激发光激发下发射蓝色荧光，而碳点与RNA染料在488nm激发光激发下均发出绿色荧光。

荧光成像结果见图5。由图可见，对比三种染料的成像结果可发现在未固定的细胞(即活细胞)组中，碳点可选择性地使核仁成像，RNA染料分布在细胞质中未能进入细胞核使核仁染色(可见其对活细胞的染色存在很大的限制)，DNA染料进入细胞核却未能靶向至核仁区域；在固定的细胞组中，碳点、RNA和DNA染料均靶向定位在核仁中，实现了对细胞核核仁的特异性成像。上述结果表明商品化RNA染料对细胞染色的条件较为局限(其只能用于固定细胞的染色而无法用于活细胞的成像)，而碳点很好地克服了这种缺陷，这大大拓宽了其在细胞核核仁染色上的应用前景。

实施例12

测试实施例1所制得的荧光碳点对A549、HepG2、AT II、L02以及Raw264.7细胞的核仁成像效果，其方法与实施例11相似，其中只进行碳点的染色。结果如图6。由图可见，实施例1所制得碳点对上述五种细胞均具有优异核仁靶向成像的性能。

实施例13

测试实施例1所制得的荧光碳点的细胞毒性，步骤如下：选择正常肺细胞(AT II)，配制成5×10⁴个/mL的细胞悬液，将其分别与浓度为0、5、10、20、40、60、80和100μg/mL的荧光碳点孵育24h后，利用酶标仪采用噻唑蓝(MTT)检测法测荧光碳点对AT II细胞的毒性。结果见图7。实验结果表明经过浓度高达100μg/mL的荧光碳点处理24h后，AT II细胞依然有90％以上的存活率，说明该荧光碳点具有良好的生物相容性。

实施例14

测试实施例1所制得的荧光碳点(CDs)与原卟啉(PpIX)的化学连接，即制备CDs-PpIX，方法如下。

(1)PpIX溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，与二环己基碳二亚胺(DCC)和1-羟基苯并三唑(HoBt)按照1:6:6的摩尔比在室温活化4h。

(2)将经活化后的PpIX与CDs按照1:10的质量比室温反应12h。

(3)用截留分子量为1000的透析袋在二甲基亚砜(DMSO)和水的混合物中透析2天。

该反应所得CDs-PpIX的透射电子显微镜图见图8，紫外–可见吸收光谱见图9，荧光发射光谱(379nm为碳点的最大激发波长；419nm和505nm为PpIX的最大激发波长)见图10。由图可见，所制得的CDs-PpIX粒径为25.2nm(比单独的碳点粒径大)，紫外–可见光光谱中CD-PpIX分别出现了CDs和PpIX各自的吸收峰，证明了该两种物质的共同存在。另外在荧光发射光谱中，CD-PpIX亦在510nm以及627nm处出现了与单独的碳点和单独的PpIX相接近的荧光发射峰，上述三种表征结果均证明了CD-PpIX的成功合成。

实施例15

测试实施例14所制得的CDs-PpIX对HeLa细胞的细胞核靶向特性，其方法如下：

(1)细胞培养：复苏HeLa细胞，在DMEM完全培养基中于37℃、5％CO₂环境中培养，待细胞密度长至80％左右时，用胰酶消化并通过流式细胞仪计数，使最终每个孔中细胞数量为5×10⁴个/mL，仍于37℃、5％CO₂环境中培养24h；

(2)细胞染色：配制游离PpIX或CDs-PpIX与核染料(Hoechst)的混合染液，其中PpIX浓度均为5μg/mL，而后用PBS清洗细胞2–3次，加入200μL已配好的混合染液，于37℃、5％CO₂环境中共孵育24h。最后用DMEM完全培养基清洗细胞，除去溶液中游离的染料分子；

(3)共聚焦荧光显微镜成像观测：用波长为405nm和552nm的激光作为激发光，其中核染料经488nm激光激发发射蓝色荧光，而游离PpIX与CDs-PpIX经552nm激光激发发射红色荧光。考虑到上述染料与碳点本身的荧光发射存在一定的重叠，故每次的共染通过控制单一染色时的拍摄条件，保证在相应的拍摄条件下碳点与不同细胞器染料不会发生串色现象，以保证实验结果的准确性。结果见图11。

由图11可见，根据荧光图和荧光信号的分析图可发现CDs-PpIX在552nm处激发所发射的红光与核染料在405nm激发光下所发射的蓝色荧光有所重合，说明CDs-PpIX能特异性靶向在细胞核中，成功保持了碳点本身的靶向性质；于此同时，游离PpIX所发射的红色荧光信号与核染料在405nm激发光下所发射的蓝色荧光完全不重合，且荧光强度也明显弱于CDs-PpIX所发射的荧光强度，说明游离的PpIX不仅无法扩散进入细胞核，且其内吞效率也远小于CDs-PpIX。

实施例16

测试实施例14所制得的CDs-PpIX与游离PpIX对HeLa细胞的光疗效果，其方法如下。

(1)细胞培养：复苏HeLa细胞，在DMEM完全培养基中于37℃、5％CO₂环境中培养，待细胞密度长至80％左右时，用胰酶消化并通过流式细胞仪计数，使最终种96孔板时细胞数量为5×10⁴个/mL，仍于37℃、5％CO₂环境中培养24h；

(2)细胞光疗：在DMEM完全培养基中配制游离PpIX溶液与CDs-PpIX溶液，使两者最终含有的PpIX浓度为0、0.5、1、2、3、4和5μg/mL。而后再用PBS清洗细胞，分别加入100μL上述配制的游离PpIX和CDs-PpIX溶液于相应的孔中，于37℃、5％CO₂环境中培养24h。而后用DMEM完全培养基清洗2–3次。以635nm激光在20mW/cm²的功率密度下分别照射5min，而后转移至37℃、5％CO₂环境中继续培养4h；

(3)细胞存活率检测：配制浓度为5mg/mL的MTT溶液，并于每个细胞孔中加入10μL上述MTT溶液，于37℃、5％CO₂环境中培养4h。而后倒出每个孔中的培养液，各加入150μLDMSO，最后用酶标仪测量在492nm处的吸光度。结果见图12。如图12所示，在20mW/cm²的光照强度下，随着CDs-PpIX组中PpIX的浓度从0升高至2g/mL时，细胞存活率逐步降低至5％以下，这说明绝大部分细胞在PpIX的光动力治疗效果下死亡。与之相反，即使游离PpIX浓度升高至5g/mL，游离PpIX组的细胞存活率仍高达50％以上，说明游离PpIX本身对细胞的光动力疗效很差。以上实验证明了该种碳点可以通过提高药物的细胞内吞量以及赋予药物部分靶向细胞核的性质，显著提高PpIX对细胞的光动力抗癌疗效。

Claims (6)

1.一种制备核仁靶向荧光碳点的方法，其特征在于，它是由以下摩尔份数的原料制成：

间苯二胺 10份；

半胱氨酸 1～100份；

将半胱氨酸溶解于碱溶液中，再与间苯二胺水溶液混合后得到混合液；混合液经加热反应后，降至室温，经透析即得核仁靶向荧光碳点的水溶液；

所述的碱溶液为氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液，其中氢氧化钠或氢氧化钾与半胱氨酸的摩尔比为1:1；

所述的加热反应的温度为120～200℃，时间为3～24h。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的透析是指将降至室温的反应液加入到透析袋中，并将透析袋置于超纯水中透析2～3天；其中，所述的透析袋的截留分子量为300。

3.权利要求1～2中任意一项制备得到的核仁靶向荧光碳点。

4.权利要求3所述的核仁靶向荧光碳点在作为核仁荧光探针中的应用。

5.权利要求3所述的核仁靶向荧光碳点在作为细胞核靶向抗癌药物载体试剂中的应用。

6.权利要求3所述的核仁靶向荧光碳点在同时作为核仁荧光探针和细胞核靶向抗癌药物载体试剂中的应用。