CN107638568A - 一种可生物降解的黑磷基放疗增敏剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可生物降解的黑磷基放疗增敏剂及其制备方法和应用，该黑磷基放疗增敏剂的制备方法包括以下步骤：将可溶性铋盐溶液加入到黑磷纳米片溶液中，静置半小时以上，离心后得到黑磷基放疗增敏剂；铋盐与黑磷纳米片的质量比为(0.1～1.0):1.0。制得的黑磷基放疗增敏剂可用于制备抗肿瘤药物，该药物与X射线放疗方法联用，可以发挥较好的抗肿瘤作用。本发明可以实现可生物降解的黑磷基X射线光动力治疗光敏剂大规模化制备，为其在光电器件、太阳能电池、锂电池和生物医学等领域的应用奠定基础。

Description

一种可生物降解的黑磷基放疗增敏剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于医药领域，具体涉及一种可生物降解的黑磷基放疗增敏剂及其制备方法与应用。

背景技术

光动力疗法是一种新的疾病治疗技术，是一种冷化学反应，只需要光敏剂、氧和光。光激发光敏剂，光敏剂将能量传递给周围的氧，从而产生活性很强的单线态氧，杀死或者损伤癌细胞达到治疗的目的。

光动力疗法和传统放疗相比由于其低侵袭性和低毒性、无抗药性等优点，近年来得到了广泛关注和研究。目前的光敏剂需要采用可见光或者近红外光激发，而可见光或者近红外光的穿透深度极其有限，仅有1～5mm，且能量低，对深层恶性肿瘤无法有效发挥治疗效果。临床使用的光敏剂通常为多种卟啉及其衍生物的复合物，其成分复杂、容易受到生物体内环境因素的影响，不易控制光敏治疗效果，并且给药后需避光1～2个月，给患者生活带来不便同时也对光动力疗法的实际应用埋下隐患。

X射线拥有很大的能量范围并且具有很强的穿透能力，因此X射线在光动力疗法中也引起了广泛关注。放射线虽然对肿瘤细胞具有较直接的杀死和抑制效果，但是它依然对人体的正常组织存在较大的毒副作用，并且放疗也只能针对原发瘤体进行治疗，依然无法杀死已经发生转移的肿瘤细胞。而化疗技术目前相对成熟，这种治疗手段对肿瘤原发灶、转移灶和亚临床转移灶均具有良好的疗效。

于是，在目前的治疗中，同步放化疗在肿瘤治疗中展现出很好的效果和应用前景。但是在放疗过程中，由于肿瘤的低氧环境，使得单独的放疗无法彻底根除肿瘤细胞，反而使肿瘤对X射线产生耐受而不敏感。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可生物降解的黑磷基放疗增敏剂的制备方法。

本发明的另一目的在于提供由上述方法制得的黑磷基放疗增敏剂剂。

本发明的再一目的在于提供上述黑磷基放疗增敏剂剂在制备抗肿瘤药物中的应用，该药物与X射线放疗方法联用，可以发挥较好的抗肿瘤作用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种可生物降解的黑磷基放疗增敏剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将黑磷纳米片分散于有机溶剂中，得到黑磷纳米片溶液；

(2)将铋盐溶于有机溶剂中，得到铋盐溶液；

(3)将步骤(2)中得到的铋盐溶液加入到步骤(1)中得到的黑磷纳米片溶液中，静置半小时以上，离心，得到黑磷基放疗增敏剂；

步骤(1)中所述的黑磷纳米片通过液相剥离黑磷晶体获得；优选为通过如下方法制备得到：将黑磷粉末分散到有机溶剂中，超声处理，离心去除沉淀，再离心，得到黑磷纳米片。

所述的超声处理的条件优选为：先1200W超声5小时，然后在冰浴下、1200W 超声5小时。

所述的离心去除沉淀的条件优选为：7000转离心15分钟。

所述的离心获得黑磷纳米片的条件优选为：12000转离心15分钟。

步骤(1)中所述的黑磷纳米片溶液的浓度为0～1mg/mL；优选1～1000 μg/mL；特别优选10～50μg/mL；

步骤(1)和(2)中所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、异丙醇、乙二醇、四氢呋喃或二甲基亚砜中的一种以上；

步骤(1)所述的有机溶剂优选N-甲基吡咯烷酮；

步骤(2)中所述的铋盐为可溶性铋盐；优选为五水硝酸铋、醋酸铋或柠檬酸铋中的一种以上；

步骤(2)中所述的铋盐溶液的浓度为1～100mM，优选8～25mM；

所述的铋盐与黑磷纳米片的质量比为(0.1～1.0):1.0；

步骤(3)中所述的离心是8000～14000rpm离心10～30分钟，优选12000 rpm离心15分钟。

由上述方法制得的黑磷基放疗增敏剂，是在黑磷纳米片表面形成三氧化二铋量子点；所述三氧化二铋量子点的直径为5±3nm。

上述的黑磷基放疗增敏剂可用于制备抗肿瘤药物，该药物与X射线放疗方法联用，可以发挥较好的抗肿瘤作用；

所述的肿瘤包括人黑色素瘤、非小细胞肺癌、人宫颈癌、人胃癌、人肝癌、乳腺癌、鼻咽癌和脑胶质瘤；

上述的黑磷基放疗增敏剂可应用在光电器件、太阳能电池、锂电池等领域。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明中，黑磷作为磷的同素异形体中最为稳定的一种，是具有天然褶皱层状结构的半导体，这种独特的褶皱结构赋予了黑磷许多独特的理化性质，如黑磷具备直接带隙，拥有超出过渡金属的电子迁移率，可达1,000cm²V^-1s^-1以上。黑磷在生理环境中可降解，且低生物毒性，利用其制备得到的新型可生物降解的黑磷基X射线光动力治疗光敏剂，分散性好，水中稳定，生理环境中可降解，能被X射线诱导产生单线态氧，治疗深度大，受生理环境中其他因素影响小。

2、本发明的制备方法是将铋盐分散于溶剂中，再将铋盐溶液与黑磷纳米片溶液按照一定比例混合，然后静置一段时间后离心即可获得三氧化二铋量子点修饰的黑磷纳米片，即一种新型可降解的黑磷基X射线光动力治疗光敏剂。该方法利用黑磷纳米片吸附溶液中的铋离子，铋离子再发生水解，从而在黑磷纳米片表面形成三氧化二铋量子点，可以提高黑磷在水中的稳定性。该方法工艺简单易操作，制样量大、耗时短、转化效率高、重现性好，可以实现纳米级黑磷的低成本大规模产业化生产，并对环境不产生二次污染问题。

3、本发明利用铋盐在黑磷纳米片表面水解的方式制备三氧化二铋量子点修饰的黑磷纳米片，即黑磷基X射线光动力治疗光敏剂，与原始黑磷相比，其稳定性显著提高，在水中稳定，但在生理环境中如磷酸盐缓冲液中仍然可降解。与传统光敏剂卟啉类药物相比，此材料可以被X射线诱导产生单线态氧，治疗深度大；此材料可以在生理环境中降解，给药后无需避光，无光致毒性。

4、本发明光敏剂在黑磷表面生长了三氧化二铋量子点，保留了黑磷的特性，同时增加了黑磷的稳定性，由于铋原子序数较高，对X射线有很强的吸收能力，三氧化二铋量子点和黑磷直接接触，X射线照射时，三氧化二铋吸收X射线并直接将部分能量转移给黑磷纳米片，而黑磷纳米片中的电子再转移给周围的氧，同时三氧化二铋作为半导体也可将电子转移给周围的氧，形成单线态氧，从而实现了协同的光动力效果。

5、本发明可以实现可生物降解的黑磷基X射线光动力治疗光敏剂大规模化制备，为其在光电器件、太阳能电池、锂电池和生物医学等领域的应用奠定基础。

附图说明

图1为实施例1制得的黑磷基光敏剂的透射电镜图。

图2为实施例1制得的黑磷基光敏剂在水中和在磷酸盐缓冲液中的吸收光谱图；其中，图A为光敏剂在水中的吸收光谱；图B为光敏剂在磷酸盐缓冲液中的吸收光谱。

图3为实施例1制得的黑磷基光敏剂的光热升温曲线图。

图4为实施例1制得的黑磷基光敏剂增强抗肿瘤效果图。

图5为实施例1制得的黑磷基光敏剂增强单线态氧累积图；其中，图A为光敏剂在PBS中产生单线态氧随时间变化图；图B为光敏剂在X射线放疗下在 PBS中产生单线态氧随时间变化图；图C为光敏剂在A375黑色素瘤细胞中产生单线态氧随时间变化图；图D为光敏剂联合X射线放疗后在A375黑色素瘤细胞中产生单线态氧随时间变化图。

图6为实施例1制得的黑磷基光敏剂的对肿瘤体积影响的曲线图。

图7为实施例1制得的黑磷基光敏剂的对肿瘤重量影响的曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例中涉及的黑磷纳米片是通过液相剥离黑磷晶体获得。其具体步骤为：将黑磷粉末分散到有机溶剂N-甲基吡咯烷酮溶液中，探头超声5小时，功率1200W，然后冰浴超声5小时，7000转离心15分钟去除沉淀，然后再12000 转离心15分钟，获得沉淀即为所需黑磷纳米片。

实施例1

黑磷基放疗增敏剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将黑磷纳米片分散于N-甲基吡咯烷酮中，配制浓度为20μg/mL的黑磷纳米片N-甲基吡咯烷酮溶液；

(2)将五水硝酸铋溶于乙二醇溶液，配制浓度为25mM的五水硝酸铋的乙二醇溶液(铋盐溶液须新鲜配制)；

(3)取21mL步骤(1)中得到的黑磷纳米片N-甲基吡咯烷酮溶液，然后加入3.5mL步骤(2)中得到的五水硝酸铋的乙二醇溶液，混合均匀后在室温环境中静置3小时，12000转离心15分钟，获得的沉淀为三氧化二铋量子点修饰的黑磷纳米片，记为Bi₂O₃@BP。

实施例2

黑磷基放疗增敏剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将黑磷纳米片分散于N-甲基吡咯烷酮中，配制浓度为10μg/mL的黑磷纳米片N-甲基吡咯烷酮溶液；

(2)将醋酸铋溶于乙二醇溶液，配制浓度为20mM的醋酸铋的乙二醇溶液 (铋盐溶液须新鲜配制)；

(3)取21mL步骤(1)中得到的黑磷纳米片N-甲基吡咯烷酮溶液，然后加入2mL步骤(2)中得到的醋酸铋的乙二醇溶液，混合均匀后在80℃环境中静置0.5小时，12000转离心15分钟，获得的沉淀为三氧化二铋量子点修饰的黑磷纳米片。

实施例3

黑磷基放疗增敏剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将黑磷纳米片分散于1,3-二甲基-2-咪唑啉酮中，配制浓度为50μg/mL 的黑磷纳米片1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液；

(2)将醋酸铋溶于N-甲基吡咯烷酮溶液，配制浓度为8mM的醋酸铋的N- 甲基吡咯烷酮溶液(铋盐溶液须新鲜配制)；

(3)取21mL步骤(1)中得到的黑磷纳米片1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液，然后加入21mL步骤(2)中得到的醋酸铋的N-甲基吡咯烷酮溶液，混合均匀后在4℃环境中静置8小时，12000转离心15分钟，获得的沉淀为三氧化二铋量子点修饰的黑磷纳米片。

实施例4

Bi₂O₃@BP的性能检测

1、对实施例1制得的放疗增敏剂进行透射电镜检测，结果如图1所示，黑磷片表面修饰有大量的量子点(三氧化二铋量子点的直径为5±3nm)，说明制备成功。

2、对实施例1制得的放疗增敏剂进行稳定性检测，具体步骤如下：

取相同质量(100μg)的放疗增敏剂，分别分散于5mL水中和磷酸盐缓冲液中，(磷酸盐缓冲液通常被用来模拟生理环境)，以不同时间点(0、1、2、3、4、 5、6天)测试吸收光谱，如图2所示，发现光敏剂在水中吸收光谱基本不下降，而在磷酸盐缓冲液中随时间出现下降，说明本发明的光敏剂在水中稳定，在生理环境中可降解。

3、对实施例1制得的放疗增敏剂的光热效果进行检测，具体步骤如下：

取放疗增敏剂配制成最终浓度为20ppm的光敏剂溶液，然后取1mL上述光敏剂溶液置于透明塑料EP管中，用发射波长为808nm、功率为1W/cm²的激光器照射10分钟，每隔30秒用可视红外热成像仪测定溶液温度，同时以超纯水作为对照组，绘制光热升温曲线，其结果如图3所示。10分钟后，该光敏剂溶液由22.7摄氏度上升到55摄氏度，而作为对照组的超纯水仅从22.7摄氏度上升到27.2摄氏度，这表明实施例1制得的放疗增敏剂具有优秀的光热转换能力，是一种优良的光热材料，在光电器件和生物医学领域具有广阔应用前景。

实施例5

Bi₂O₃@BP协同X射线增强体外抗黑色素瘤活性研究

对实施例1制得的放疗增敏剂进行体外光动力治疗检测，具体步骤如下：

取呈对数生长期的A375黑色素瘤细胞(购自美国模式培养物集存库， ATCC)以密度为2×10⁴cells/mL接种于96孔板中(100μL/孔)，使其贴壁生长 24小时。取实施例1制得的放疗增敏剂配制成最终浓度分别为0.3、0.6及1.2 μg/mL的光敏剂溶液加入细胞中，孵育6小时后，X射线放疗组于X射线直线加速器下照射剂量4Gy，然后继续培养72小时，非放疗组直接培养72小时。待时间到后，每孔加入25μL的MTT溶液(5mg/mL，PBS溶液)并孵育4小时。去除96孔板中的上层培养液(DMEM高糖培养基，Gibico)，加入150μL DMSO(二甲基亚砜)，摇床上轻轻摇动15分钟，使96孔板中的紫色结晶物充分溶解。接着用多功能酶标仪测量570nm下各孔的吸光值(OD570)，并计算细胞存活率，同时作图以求得半数抑制浓度(IC₅₀)。

细胞存活率(％)＝(OD570实验组/OD570对照组)×100％。

其细胞存活率如图4所示，单独X射线在4Gy剂量照射下诱导A375黑色素瘤细胞存活率为80.6％，浓度为0.3、0.6及1.2μg/mL的Bi₂O₃@BP在没有X 射线照射下诱导A375黑色素瘤细胞存活率分别为：95.2％、91.4％及80.4％。当在照射剂量为4Gy的X射线照射下，浓度为0.3、0.6及1.2μg/mL的Bi₂O₃@BP 在X射线照射下诱导A375黑色素瘤细胞存活率分别为：70.7％、66.3％及53.7％。结果表明实施例1制得的放疗增敏剂能增强放疗对A375黑色素瘤细胞的生长抑制作用。

理论而言，放射性治疗主要是利用X射线或者γ射线等高能辐射通过诱导细胞产生大量活性氧自由基(ROS)并引起DNA损伤，最终杀死肿瘤细胞。 ROS主要包括超氧阴离子(O₂·-)、过氧化氢(H₂O₂)、羟基自由基(HO·)以及单线态氧(¹O₂)。其中单线态氧由于寿命最长、氧化能力最强而变得尤为重要。于是本申请检测了实施例1制得的放疗增敏剂单独处理或者协同X射线联合作用时诱导A375黑色素瘤细胞产生¹O₂的量(反映为DPBF探针荧光值的下降)。

如图5-A所示，在PBS溶液中，10μg/mL的Bi₂O₃@BP在60分钟的时候诱导40.8％的¹O₂产生。当在照射剂量为4Gy的X射线照射下，10μg/mL的 Bi₂O₃@BP在60分钟的时候诱导¹O₂产生量达到92.5％(图5-B)。

接着检测了Bi₂O₃@BP以及X射线诱导A375黑色素瘤细胞产生¹O2的量。实验结果发现，10μg/mL的Bi₂O₃@BP在60分钟的时候能诱导A375黑色素瘤细胞产生38.4％的¹O₂(图5-C)，当联合X射线后，10μg/mL的Bi₂O₃@BP 在60分钟的时候能诱导A375黑色素瘤细胞产生¹O₂的量达到55.4％(图5-D)。

以上结果充分说明：实施例1制得的放疗增敏剂在X射线照射下能诱导 A375黑色素瘤细胞产生更多的¹O₂，从而增强放疗对A375黑色素瘤细胞的生长抑制作用。

实施例6

Bi₂O₃@BP协同X射线增强荷瘤移植裸鼠的体内抗抗肿瘤活性

对实施例1中制得的黑磷基放疗增敏剂进行体内光动力治疗检测，具体步骤如下：

(1)：A375人黑色素瘤荷瘤移植裸鼠模型建立：

裸鼠60只，雄性，4周龄，体重20g左右(购自北京华阜康生物科技股份有限公司)。对购入小鼠检疫10天。期间每日检查小鼠一次，如发现不健康的动物立即剔除，选用健康动物进行实验。收集体外培养的A375人黑色素瘤细胞，计数，调整细胞悬液浓度为1×10⁷个/mL。将裸鼠固定，75％酒精常规消毒裸鼠腹股沟皮肤，待酒精完全挥发后，皮下注射接种0.15mL细胞悬液于裸鼠右侧腋窝，拔针时注意避免注射液外溢。细胞接种10余天后，进针处可见微小肿瘤形成。用游标卡尺隔日测量一次肿瘤长径及短径。待肿瘤生长至75～100 mm³后将动物随机分组，一共分为四组，每组10只，分别为：空白对照组、X 射线放疗组、Bi₂O₃@BP组以及Bi₂O₃@BP联合放疗组。

(2)药物处理方式：各组荷瘤移植裸鼠通过尾静脉注射药物，隔天注射，一共给药10次，第21天后对各组裸鼠断颈处死，手术剥取瘤块称重。其中，空白对照组和X射线放疗组注射生理盐水，Bi₂O₃@BP组以及Bi₂O₃@BP联合放疗组注射生理盐水配制的Bi₂O₃@BP，浓度为20μg/mL，每只裸鼠尾静脉注射100μL。肿瘤体积(TV)的计算公式为：TV＝1/2×a×b²，其中a、b分别表示长宽。

(3)如图6所示，实验结果发现，随着时间增加，对照组肿瘤体积生长迅速，到第21天对照组肿瘤体积平均值达到0.89cm³，Bi₂O₃@BP处理组小鼠肿瘤体积在第21天的时候也达到0.97cm³，结果说明单独Bi₂O₃@BP并不能抑制小鼠体内黑色素瘤的生长。当联合X射线放疗后，Bi₂O₃@BP联合放疗组小鼠肿瘤体积在第21天的时候为0.38cm³，明显小于空白对照组以及单独Bi₂O₃@BP 组。

接着我们对给药21天后的各处理组小鼠肿瘤进行解剖，称重。如图7所示，空白对照组和单独Bi₂O₃@BP组小鼠肿瘤重量平均分别为：1.06克、1.07克，而放疗组肿瘤平均重量为0.61克，结果进一步说明单独Bi₂O₃@BP纳米片不能抑制小鼠体内黑色素瘤生长，而X射线放疗能表现出良好的疗效。当Bi₂O₃@BP 联合X射线放疗对小鼠进行处理后，小鼠黑色素瘤的生长明显被抑制，其瘤重的平均值下降到0.35克。

因此，进一步说明实施例1制得的可生物降解的黑磷基放疗增敏剂能增强放疗对A375黑色素瘤在小鼠体内的生长抑制作用，说明本发明的新型放疗增敏剂是一种优良的光敏剂。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可生物降解的黑磷基放疗增敏剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将黑磷纳米片分散于有机溶剂中，得到黑磷纳米片溶液；

(2)将铋盐溶于有机溶剂中，得到铋盐溶液；

(3)将步骤(2)中得到的铋盐溶液加入到步骤(1)中得到的黑磷纳米片溶液中，静置半小时以上，离心，得到黑磷基放疗增敏剂；

所述的铋盐与黑磷纳米片的质量比为(0.1～1.0):1.0。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)和(2)中所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、异丙醇、乙二醇、四氢呋喃或二甲基亚砜中的一种以上。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的铋盐为可溶性铋盐。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的铋盐为五水硝酸铋、醋酸铋或柠檬酸铋中的一种以上。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的离心是8000～14000rpm离心10～30分钟。

6.一种黑磷基放疗增敏剂，其特征在于：是由权利要求1-5任一项所述的方法制得。

7.权利要求6所述的黑磷基放疗增敏剂在制备抗肿瘤药物中的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述的肿瘤包括人黑色素瘤、非小细胞肺癌、人宫颈癌、人胃癌、人肝癌、乳腺癌、鼻咽癌和脑胶质瘤。