CN107158379B - 核酸适配体修饰核壳型复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种核酸适配体修饰核壳型复合材料及其制备方法和应用。本发明所述的核酸适配体修饰核壳型复合材料，包括金纳米颗粒核、金属‑有机骨架外壳和核酸适配体，所述金纳米颗粒包覆于金属‑有机骨架外壳内，所述核酸适配体接枝于金属‑有机骨架外壳表面。所述金属‑有机骨架是铜和均苯三甲酸配位组装的金属‑有机骨架，所述核酸适配体为为抗肺癌细胞A549适配体，其碱基序列为5'‑NH2‑(CH2)6‑GGTTGCATGCCGTGGGGAGGGGGGTGGGTTTTATAGCGTACTCAG‑3'。本发明所述的核酸适配体修饰核壳型复合材料，所述复合材料同时具有SERS成像、光热治疗、药物治疗三重功效，可有效实现诊断和治疗的协同功能。
Description
技术领域
本发明涉及纳米技术与生物医药领域，特别是涉及核酸适配体修饰核壳型复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
纳米材料具有独特的物理-化学性质，近年来，基于纳米材料的疾病诊断和治疗开始受到人们的关注。纳米材料常用的癌症治疗方式为光热治疗和化学治疗，热疗和化疗的协同应用可以有效增强治疗效果。为了达到精准治疗，一般将诊断和治疗相结合。表面增强拉曼光谱(SERS)具有灵敏度高、抗光漂白性好等优点，已成功应用于细胞成像、癌症诊断等方面。金纳米颗粒生物相容性好，具有较高的SERS活性和光热性质，在SERS成像和光热治疗方面具有潜在的应用前景。然而，金纳米颗粒容易发生团聚，SERS效应受环境影响较大；而且比表面积小，无法高效负载药物。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种核酸适配体修饰核壳型复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料同时具有SERS成像、光热治疗、药物治疗三重功效，可有效实现诊断和治疗的协同功能。
一种核酸适配体修饰核壳型复合材料，包括金纳米颗粒核、金属-有机骨架外壳和核酸适配体，所述金纳米颗粒包覆于金属-有机骨架外壳内，所述核酸适配体接枝于金属-有机骨架外壳表面。
本发明的核酸适配体修饰核壳型复合材料，引入4-巯基苯甲酸，4-巯基苯甲酸以去质子的形式通过巯基端与金纳米颗粒结合；4-巯基苯甲酸分子上的苯环通过金纳米颗粒的增强作用可以产生良好的SERS信号，具有拉曼标记功能；4-巯基苯甲酸分子上的羧基可与金属-有机骨架的前驱体Cu2+络合，具有桥连作用；因而，4-巯基苯甲酸的引入既提供了拉曼信号源，又提供了后续金属-有机骨架修饰的结合位点，因此该合成方法具有集合成与修饰为一体的优点，避免了合成材料后再修饰拉曼标记分子的繁琐。通过4-巯基苯甲酸的桥连作用将金属-有机骨架包覆于金纳米颗粒的表面，避免了裸金纳米颗粒团聚引起拉曼信号重现性差的问题，提高复合材料的稳定性，保证SERS成像；并且，金属离子及有机配体的作用位点能够与特定的化合物分子等客体作用，有效负载药物等，此外，金属-有机骨架外壳具有多孔性，有效提高了复合材料的载药率。金属-有机骨架表面残留的羧基与核酸适配体上的氨基通过羧基-氨基缩合反应，使核酸适配体通过化学键固定接枝于金属-有机骨架，从而使所述复合材料能作用于蛋白质、小分子化合物、细胞膜表面受体等靶标，使复合材料具有优异的生物相容性及靶向识别性能。此外，该复合材料在近红外存在吸收，可以将吸收的近红外光能转化为热量，从而可以对肿瘤细胞进行光热治疗。
进一步地，所述核酸适配体修饰核壳型复合材料的粒径为40-55nm。所述复合材料为纳米级尺寸，能有效进入细胞成像，且纳米尺寸的比表面积大，对药物的吸附量更大。
进一步地，所述金纳米颗粒的尺寸为40-50nm；所述金属-有机骨架是铜和均苯三甲酸配位组装的金属-有机骨架；所述核酸适配体为抗肺癌细胞A549适配体，其碱基序列为5'-NH2-(CH2)6-GGTTGCAT GCCGTGGGGAGGGGGGTGGGTTTTATAGCGTACTCAG-3'。
进一步地，所述金属-有机骨架外壳的厚度为2-3nm。
一种核酸适配体修饰核壳型复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：采用柠檬酸钠还原氯金酸法制备金纳米颗粒；
S2：向步骤S1制得的金纳米颗粒的溶液中加入巯基化试剂，搅拌反应后，离心分离得到巯基修饰的金纳米颗粒；
S3：将步骤S2制备得到的巯基修饰的金纳米颗粒分散于醇类溶剂中，加入乙酸铜，超声后离心分离取沉淀物再分散于醇类溶剂中，加入均苯三甲酸，超声进行配位反应，离心分离得到核壳型复合材料；
S4：将步骤S3制得的核壳型复合材料分散于Tris-HCl缓冲液中，加入交联剂，搅拌反应后，离心分离得到沉淀物，将沉淀物加入含有核酸适配体的PBS溶液中，低温反应后，离心分离得到核酸适配体修饰的核壳型复合材料。
进一步地，步骤S2中，所述巯基化试剂为4-巯基苯甲酸。
进一步地，步骤S4中，所述交联剂为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺。
进一步地，步骤S2中，所述金纳米颗粒在水中的分散浓度为50mg/L；所述金纳米颗粒与巯基化试剂的质量比为0.6:1。
进一步地，步骤S3中，所述巯基修饰的金纳米颗粒在醇类溶剂中的分散浓度为300mg/L；所述巯基修饰的金纳米颗粒、乙酸铜、均苯三甲酸的质量比为0.03:1:1。
进一步地，步骤S4中，所述核壳型复合材料、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺的质量比为0.24:2:1。
本发明还公开了一种核酸适配体修饰核壳型复合材料在癌细胞靶向成像中的应用，所述癌细胞为A549细胞。
本发明还公开了一种核酸适配体修饰核壳型复合材料在光热治疗中的应用。
本发明还公开了一种核酸适配体修饰核壳型复合材料在抗肿瘤药物负载及缓释中的应用，所述的抗肿瘤药物为阿霉素、紫杉酮、喜树碱、酞菁、表柔比星、柔红霉素、甲氨蝶呤中的一种物质或多种的混合物。所述复合材料中的金属-有机骨架，具有多孔性，且比表面积大，当特定的客体分子的空间立体尺寸与金属-有机骨架的尺寸相匹配时，且金属-有机骨架中的金属离子和有机配体与所述客体分子之间通过配位作用或π-π作用，使所述复合材料可有效负载大量的特定药物。并且，所述金属-有机骨架暴露的羧基等作用位点还可进一步修饰其他适配体或抗体等识别元素，进一步为所述复合材料提供靶向性能。
本发明的核酸适配体修饰核壳型复合材料，引入4-巯基苯甲酸，4-巯基苯甲酸以去质子的形式通过巯基端与金纳米颗粒结合；4-巯基苯甲酸分子上的苯环通过金纳米颗粒的增强作用可以产生良好的SERS信号，具有拉曼标记功能；4-巯基苯甲酸分子上的羧基可与金属-有机骨架的前驱体Cu2+络合，具有桥连作用。4-巯基苯甲酸的引入既提供了拉曼信号源，又提供了后续MOFs修饰的结合位点，因此该合成方法集合成与修饰为一体的优点，避免了合成材料后再修饰拉曼标记分子的繁琐。所述核酸适配体修饰核壳复合材料的具有光热治疗的功效。
所述复合材料表面修饰核酸适配体，能与多种目标物质高特异性、高选择性地结合；所述金属-有机框架的金属位点能够有效与药物中的氨基或羧基基团进行配位，从而对特定药物的负载，实现药物治疗；并且采用均苯三甲酸作为有机配体，增加比表面积，提高吸附性能，能够提高药物负载率。因而，所述核酸适配体修饰核壳型复合材料可通过SERS进行诊断，并能够负载药物进行治疗，实现诊断和治疗的协同功能，为疾病的早期诊断和治疗等领域提供技术基础。
并且，所述金属-有机框架包覆于金纳米颗粒的表面，避免了金纳米颗粒的自发团聚，提高了金纳米颗粒的稳定性。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明的核酸适配体修饰核壳型复合材料的合成示意图；
图2为本发明的核酸适配体修饰核壳型复合材料的透射电镜扫描图；
图3为本发明的核酸适配体修饰核壳型复合材料在不同浓度的NaCl溶液中的拉曼光谱图；
图4为本发明的不同浓度的核酸适配体修饰核壳型复合材料在激光照射下的升温速率图；
图5为本发明的核酸适配体修饰核壳型复合材料的药物体外释放曲线图；
图6为本发明的核酸适配体修饰核壳型复合材料对A549细胞和beas-2b细胞的SERS成像图；
图7为向A549细胞的培养液中加入不同组样品培养后所得的细胞存活率图。
具体实施方式
本发明公开了一种核酸适配体修饰核壳型复合材料，包括金纳米颗粒核、金属-有机骨架外壳和核酸适配体，所述金纳米颗粒包覆于金属-有机骨架外壳内，所述核酸适配体接枝于金属-有机骨架外壳表面。所述核酸适配体修饰核壳型复合材料的粒径为40-55nm。所述金属-有机骨架外壳的厚度为2-3nm。
本发明所述的核酸适配体修饰核壳型复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：采用柠檬酸钠还原氯金酸法制备金纳米颗粒；
S2：向步骤S1制得的金纳米颗粒的溶液中加入巯基化试剂，搅拌反应后，离心分离得到巯基修饰的金纳米颗粒；
S3：将步骤S2制备得到的巯基修饰的金纳米颗粒分散于醇类溶剂中，加入乙酸铜，超声后离心分离取沉淀物再分散于醇类溶剂中，加入均苯三甲酸，超声进行配位反应，离心分离得到核壳型复合材料；
S4：将步骤S3制得的核壳型复合材料分散于Tris-HCl缓冲液中，加入交联剂，搅拌反应后，离心分离得到沉淀物，将沉淀物加入含有核酸适配体的PBS溶液中，低温反应后，离心分离得到核酸适配体修饰的核壳型复合材料。
具体的，所述巯基化试剂为4-巯基苯甲酸。所述交联剂为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺。
步骤S2中，所述金纳米颗粒在水中的分散浓度为50mg/L；所述金纳米颗粒与巯基化试剂的质量比为0.6:1。步骤S3中，所述巯基修饰的金纳米颗粒在醇类溶剂中的分散浓度为300mg/L；所述巯基修饰的金纳米颗粒、乙酸铜、均苯三甲酸的质量比为0.03:1:1。步骤S4中，所述核壳型复合材料、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺的质量比为0.24:2:1。
本发明还公开了一种核酸适配体修饰核壳型复合材料在癌细胞靶向成像中的应用，所述癌细胞为A549细胞。
本发明还公开了一种核酸适配体修饰核壳型复合材料在光热治疗中的应用。
本发明还公开了一种核酸适配体修饰核壳型复合材料在负载药物及药物缓释中的应用，所述的负载药物为阿霉素、紫杉酮、喜树碱、酞菁、表柔比星、柔红霉素、甲氨蝶呤中的一种物质或多种的混合物。
实施例1
核酸适配体修饰核壳型复合材料及其制备方法和应用
本发明的核酸适配体修饰核壳型复合材料包括金纳米颗粒核、金属-有机骨架外壳和核酸适配体，所述金纳米颗粒包覆于金属-有机骨架外壳内，所述核酸适配体接枝于金属-有机骨架外壳表面。
请参阅图1，其是本发明的核酸适配体修饰核壳型复合材料的合成示意图，所述核酸适配体修饰核壳型复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：采用柠檬酸钠还原氯金酸法制备金纳米颗粒；具体的，取200mL的质量分数为0.01％氯金酸溶液加到500mL三口烧瓶中，加热至145℃，加热过程中保持磁力搅拌和冷凝回流，加热至剧烈沸腾状态后，迅速加入1.46mL质量分数为1％的柠檬酸钠溶液，继续加热搅拌回流40min后，搅拌冷却至室温，得到分散于水溶液中的金纳米颗粒。
步骤S2：取12mL步骤S1中制备得到的金纳米颗粒的分散液，边搅拌边向其中加入120μL浓度为0.05mol/L的4-巯基苯甲酸的乙醇溶液，持续搅拌2h后，在转速为8000rpm的条件下离心8min，用乙醇清洗一次，离心弃去上清液，将离心得到的沉淀物分散在2mL的乙醇中，得到分散于乙醇中的巯基修饰的金纳米颗粒。
步骤S3：取2mL的步骤S2中得到的分散于乙醇中的巯基修饰的金纳米颗粒，向其中加入10mL浓度为10mmol/L的乙酸铜的乙醇溶液，超声10min，在转速为8000rpm的条件下离心8min，再用乙醇清洗一次，离心弃去上清液，将离心得到的沉淀物分散在2mL的乙醇中，加入10mL浓度为10mmol/L的均苯三甲酸的乙醇溶液，超声10min，于75℃下反应20min；在转速为8000rpm的条件下离心6min，用移液枪弃去上层清液，再用乙醇清洗一次，离心弃去上层清液，离心得到的沉淀物分散于Tris-HCl缓冲液中，得到核壳型复合材料。
步骤S4：向步骤S3得到的分散于Tris-HCl缓冲液中的核壳型复合材料中加入5mg的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)和2.5mg的N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，搅拌反应12h；反应结束后，在转速为8000rpm的条件下离心6min，用移液枪弃去上层清液，再用去离子水清洗一次，弃去上清液，将沉淀物加入含有核酸适配体的PBS溶液中，于4℃下反应12h；反应结束后，在转速为8000rpm的条件下离心6min，用移液枪弃去上层清液，将沉淀用PBS清洗一次后，得到核酸适配体修饰的核壳型复合材料。
将上述得到的核酸适配体修饰的核壳型复合材料分散在2mL的PBS溶液中，进行超声处理0.5h，然后滴在铜网上，晾干后进行透射电镜扫描。请参阅图2，其是所述核酸适配体修饰的核壳型复合材料的透射电镜扫描图。从图中可以看出，所述复合材料为核壳结构，粒径大小约50nm，金属-有机骨架外壳的厚度为2-3nm，复合材料壳体的尺寸均一，分散性好。
实施例2
(1)核酸适配体修饰核壳型复合材料的表面拉曼光谱的稳定性
用pH为7.4的PBS溶液配制浓度为5mg/L的核酸适配体修饰的核壳型复合材料的PBS溶液，将复合材料的PBS溶液与不同浓度的NaCl溶液按照体积比为8:2混合，所述NaCl的浓度依次为为0.01、0.05、0.1、0.5mol/L。混合后，均于37℃下搅拌2h，然后采集拉曼光谱。请参阅图3，其是所述核酸适配体修饰核壳型复合材料在不同浓度的NaCl溶液中的拉曼光谱图。从图中可知，随着NaCl浓度的增加，所述核酸适配体修饰的核壳型复合材料的拉曼光谱未发生明显变化，说明所述复合材料在盐溶液中具有较好的SERS稳定性。
(2)核酸适配体修饰核壳型复合材料的光热性能
配制浓度分别为1mg/L、5mg/L、10mg/L的复合材料的PBS溶液，然后分别取1mL加入样品管中，用808nm波长的激光照射(功率为0.5W/cm2)，每隔一段时间记录温度变化。请参阅图4，其是不同浓度的核酸适配体修饰核壳型复合材料在激光照射下的升温速率图。从图中可以看出，各个浓度的溶液随着照射时间的增加逐渐升温，并且，10mg/L的核酸适配体修饰核壳型复合材料溶液在光照60min后温度升温了22.8℃，说明其光热转化效果较好。
(3)核酸适配体修饰核壳型复合材料的负载药物-药物缓释功能
将100μL的1mg/mL的阿霉素(DOX)加入5mL的浓度为50mg/L的核酸适配体修饰核壳型复合材料的PBS溶液中，于25℃暗处下搅拌反应24h，然后离心分离，收集上清液，根据DOX吸光值的标准曲线和DOX负载前后在480nm处的吸光值，计算DOX的负载率，得DOX的负载率为57.0％。
然后将负载有DOX的核酸适配体修饰核壳型复合材料分散于PBS溶液中，PBS溶液的pH分别为7.4和5.5，每隔一定时间，离心取上清液测定紫外，通过480nm处的紫外吸收值计算DOX随时间的释放量。请参阅图5，其是所述核酸适配体修饰核壳型复合材料的药物体外释放曲线图。从图中可以看出，相较于pH＝7.4的中性环境，pH＝5.5的酸性环境中DOX的释放量更大，pH＝5.5的条件下，10h时DOX的释放量为48％，而pH＝7.4的条件下，10h时DOX的释放量仅为9.7％，说明酸性条件更有利于DOX的释放。
实施例3
(1)核酸适配体修饰核壳型复合材料在SERS成像中的应用
将5mg/L的核酸适配体修饰核壳型复合材料分别加入肺癌细胞A549和正常肺细胞beas2b培养液中，孵育30min，在激光533nm下进行拉曼成像测试。请参阅图6，其是本发明的核酸适配体修饰核壳型复合材料对A549细胞和beas-2b细胞的SERS成像图。从图中可以看出，所述复合材料与A549细胞孵育后，可以观察到明显的SERS信号，而将复合材料与beas2b细胞孵育后，SERS信号很弱，说明所述核酸适配体修饰核壳型复合材料对肺癌细胞A549具有靶向成像功能。
(2)核酸适配体修饰核壳型复合材料在热疗-化疗复合治疗中的应用
取6组相同浓度(20mg/L)的不同样品的PBS溶液分别加入细胞A549的培养液中培养1h，所述样品及处理方式分别如下表：
请参阅图7，其是向A549细胞的培养液中加入不同组样品培养后所得的细胞存活率图。第1组样品为仅进行光照，细胞存活率没有发生明显变化，说明仅进行光照对细胞的存活率无明显影响。比较第2组和第4组，激光照射后，核酸适配体修饰核壳型复合材料升温会导致细胞死亡。比较第3组和第5组，负载DOX的核酸适配体修饰核壳型复合材料比DOX会引起更多的细胞死亡，这主要是因为，负载DOX的核酸适配体修饰核壳型复合材料是以主动内吞的方式进入细胞，而DOX是以被动扩散的方式进入细胞，而主动内吞比被动扩散的吸收更好。比较第3组、第4组和第6组，第6组的药物治疗结合光热治疗的效果比第3组仅进行药物治疗或第4组仅进行光热治疗的效果好，这是因为DOX药物治疗和核酸适配体修饰核壳型复合材料的光热治疗产生了协同作用使细胞存活率降低，而且核酸适配体修饰核壳型复合材料在细胞内局部浓度更高，协同作用更明显，因此第6组的细胞存活率最低，进一步说明了本发明的核酸适配体修饰核壳型复合材料能够用于光热治疗和负载药物及药物缓释中。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种核酸适配体修饰核壳型复合材料，其特征在于：包括金纳米颗粒核、金属-有机骨架外壳和核酸适配体，所述金纳米颗粒包覆于金属-有机骨架外壳内，所述核酸适配体接枝于金属-有机骨架外壳表面；所述金纳米颗粒的尺寸为40-50nm；所述金属-有机骨架是铜和均苯三甲酸配位组装的金属-有机骨架；所述核酸适配体为抗肺癌细胞A549适配体，其碱基序列为5'-NH2-(CH2)6-GGTTGCAT GCCGTGGGGAGGGGGGTGGGTTTTATAGCGTACTCAG-3'；所述核酸适配体修饰核壳型复合材料的制备方法包括以下步骤：
S1：采用柠檬酸钠还原氯金酸法制备金纳米颗粒；
S2：向步骤S1制得的金纳米颗粒溶液的中加入巯基化试剂，搅拌反应后，离心分离得到巯基修饰的金纳米颗粒；所述巯基化试剂为4-巯基苯甲酸；
S3：将步骤S2制备得到的巯基修饰的金纳米颗粒分散于醇类溶剂中，加入乙酸铜，超声后离心分离取沉淀物再分散于醇类溶剂中，加入均苯三甲酸，超声进行配位反应，离心分离得到核壳型复合材料；
S4：将步骤S3制得的核壳型复合材料分散于Tris-HCl缓冲液中，加入交联剂，搅拌反应后，离心分离得到沉淀物，将沉淀物加入含有核酸适配体的PBS溶液中，低温反应后，离心分离得到核酸适配体修饰的核壳型复合材料。
2.根据权利要求1所述的核酸适配体修饰核壳型复合材料，其特征在于：步骤S4中，所述交联剂为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺。
3.根据权利要求1所述的核酸适配体修饰核壳型复合材料，其特征在于：步骤S2中，所述金纳米颗粒的浓度为50mg/L；所述金纳米颗粒与巯基化试剂的质量比为0.6:1。
4.根据权利要求2所述的核酸适配体修饰核壳型复合材料，其特征在于：步骤S3中，所述巯基修饰的金纳米颗粒在醇类溶剂中的分散浓度为300mg/L；所述巯基修饰的金纳米颗粒、乙酸铜、均苯三甲酸的质量比为0.03:1:1；步骤S4中，所述核壳型复合材料、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺的质量比为0.24:2:1。
5.权利要求1所述核酸适配体修饰核壳型复合材料在制备肿瘤成像制剂中的应用。
6.权利要求1所述核酸适配体修饰核壳型复合材料在制备光热治疗材料中的应用。
7.权利要求1所述核酸适配体修饰核壳型复合材料的应用，其特征在于：所述核酸适配体修饰核壳型复合材料用于制备抗肿瘤药物载体，所述抗肿瘤药物为阿霉素、紫杉酮、喜树碱、酞菁、表柔比星、柔红霉素、甲氨蝶呤中的一种物质或多种的混合物。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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