CN108187076B - 一种具有光声成像性能与细胞保护功能的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有光声成像性能与细胞保护功能的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒及其制备方法和应用。所述制备方法包括：将钴离子为中心的金属卟啉化合物，和多孔氧化硅纳米颗粒混合后搅拌，离心收集颗粒，干燥，得到多功能钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒。本发明通过多孔氧化硅纳米颗粒担载金属卟啉化合物的方法，使卟啉基化合物光学吸收性质发生转变，促进分子在近红外光区域的吸收，并表现出较好的光声成像造影性能。同时，该复合材料可通过上调血红素加氧酶‑1产生细胞保护作用，提高细胞移植后生存率。本发明所采取的制备方法简便快捷，经济适用，重复性高，成功将光声成像与细胞保护相结合，提供了一种成像标记并提高细胞存活率的新方法。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学和纳米材料技术领域，具体地说，是一种具有光声成像性能与细胞保护功能的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒及其制备方法和应用。
背景技术
间充质干细胞是一类具有多种分化潜能的干细胞，在特定条件刺激下，能够分化为特定类型的细胞，被认为是用于修复受损组织和器官移植的重要来源。然而，干细胞疗法目前受限于移植后干细胞成活率较低，且难以动态实时监测干细胞存活效率，目前还无法真正应用于临床。
金属卟啉(MP)是一类具有多种调节代谢功能的有机物大家族，其生化功能主要取决于卟啉分子中心的金属离子。在不同类型的金属卟啉中，钴原卟啉化合物(CoPP)可通过抗氧化机制上调相关蛋白表达，进而减少细胞内活性氧的产生，从而达到保护细胞的目的。同时，CoPP不被血红素降解酶降解，在生物体系中能够长期发挥作用。上述两个特点使得CoPP成为一种非常有前景的干细胞保护药物。但该药物在近红外区域没有吸收，还不具备可在体内层面应用的成像性能。
近年来，基于光声效应的光声成像作为一种新兴的成像技术受到广泛应用。这种先进的技术可以提供具有优异空间分辨率的实时成像，且具有安全无辐射的优点在成像引导干细胞治疗中显示出强大的应用潜力。与此同时，多种在近红外区域具有较强光吸收特性和光热转换效率的外源性光声造影剂已经成功用于干细胞标记以产生特异性光声信号。近年来有相关研究将普鲁士蓝纳米颗粒，纳米金棒等用于光声成像造影(参考文献：[1]KimT, Lemaster JE,Chen F,Li J,Jokerst JV.Photoacoustic Imaging of HumanMesenchymal Stem Cells Labeled with Prussian Blue-Poly(L-lysine)Nanocomplexes.Acs Nano. 2017；11:9022-32.[2]Jesse V.Jokerst,MridhulaThangaraj,Paul J.Kempen,Robert Sinclair,and Sanjiv S.Gambhi,PhotoacousticImaging of Mesenchymal Stem Cells in Living Mice via Silica-Coated GoldNanorods.Acs Nano.2012；6:5920–5930.)，但这些材料合成方法复杂，降解性较差，且难以保持长期稳定的生物安全性，进而阻碍了这些无机纳米结构的临床应用。因此，目前亟需开发一种合成简便易行，降解性好，且具有良好生物安全性的多功能纳米材料，该材料将兼具干细胞保护作用和细胞标记后光声成像造影实时示踪干细胞的性能，从而同时达到提高干细胞移植治疗精准性和提高移植后干细胞存活率的目的。
发明内容
本发明的第一个目的是针对现有技术中的不足，提供一种具有光声成像性能与细胞保护功能的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒。
本发明的第二个目的是针对现有技术中的不足，提供如上所述的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒在光声成像造影中的应用。
本发明的第三个目的是针对现有技术中的不足，提供如上所述的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒在制备用于干细胞疗法的光声造影剂中的应用。
为实现上述第一个目的，本发明采取的技术方案是：
一种具有光声成像性能与细胞保护功能的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒，所述钴卟啉/ 多孔氧化硅复合颗粒的制备方法如下：将多孔氧化硅纳米颗粒与金属卟啉化合物在有机溶剂中混合后搅拌，使金属卟啉化合物吸附在多孔氧化硅颗粒内部，离心后洗涤，收集并干燥，得到钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒；所述金属卟啉化合物是以钴离子为中心的一类金属卟啉化合物。
作为本发明的一个优选实施方案，所述钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒的粒径为100-5000 nm。
作为本发明的一个优选实施方案，所述钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒在近红外波长 (600-900nm)范围具有光学吸收，并表现出较好的光声成像性能。
作为本发明的一个优选实施方案，所述钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒释放出的金属卟啉化合物可以用于抗氧化应激和抗炎等性能，具有细胞保护性能。
作为本发明的一个优选实施方案，所述有机溶剂为乙醇。
作为本发明的一个优选实施方案，所述多孔氧化硅纳米颗粒与金属卟啉化合物质量比为1:1。
作为本发明的一个优选实施方案，所述钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒的制备方法如下：将40mg多孔氧化硅纳米颗粒分散在20mL乙醇溶液中，超声处理20min，超声功率为40-60KHz，向其中加入40mg CoPP，搅拌，使CoPP充分吸附在多孔氧化硅颗粒内部，将反应后的溶液以30000rpm离心，用去离子水洗涤2次，收集后干燥。
作为本发明的一个优选实施方案，所述钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒中的钴卟啉分子具有如下所示的结构：
为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：
如上任一所述的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒在光声成像造影中的应用，所述钴卟啉/ 多孔氧化硅复合颗粒兼具干细胞保护作用和实时光声成像的功能。
为实现上述第三个目的，本发明采取的技术方案是：
如上任一所述的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒在制备用于干细胞疗法的光声造影剂中的应用，所述钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒兼具干细胞保护作用和实时光声成像的功能。
作为本发明的一个优选实施方案，干细胞疗法是指干细胞移植治疗。
本发明优点在于：
1、本发明通过多孔氧化硅纳米颗粒担载金属卟啉化合物的方法，使卟啉基化合物光学吸收性质发生转变，促进分子在近红外光区域的吸收，并表现出较好的光声成像造影性能，从而使其可用于光声成像造影。同时，该复合材料可通过上调血红素加氧酶-1产生细胞保护作用，提高细胞移植后生存率。
2、本发明成功将光声成像与细胞保护相结合，提供了一种成像标记并提高细胞存活率的新方法，所采取的制备工艺简单便捷，原料丰富，经济适用，重复性高，适于规模化生产。
3、本发明应用多孔氧化硅纳米颗粒作为CoPP载体用于细胞标记，可以提高CoPP被干细胞吞噬的速度和标记效率，同时多孔结构可以实现CoPP缓慢释放，具有长期细胞保护的效应。
4、本发明不仅拓展了光声造影成像的范围，还将成像与细胞保护有机统一，为提高光声成像效果提供了一种新策略，对推动细胞移植治疗具有重要意义。
附图说明
附图1为实施例1制得的具有光声成像与细胞保护功能的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒分别分散在水中的高分辨透射电子显微镜照片(A)和扫描电子显微镜照片(B)。
附图2为实施例1制得的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒的表面积(A)和孔径大小(B)。
附图3为实施例1制得的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒的X射线光电子能谱分析(XPS)。
附图4为实施例1制得的原始多孔氧化硅复合颗粒，钴卟啉与多孔氧化硅复合颗粒混合物以及担载钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒的紫外紫外吸收曲线。
附图5A为制备的不同浓度的(CCo＝88,44,22,11,0μg/mL)钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒，在680nm激光照射下，产生光声信号的强度。图5B示随着钴元素浓度的增加，本实施例制备的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒的光声强度逐渐上升，两者呈线性关系。
附图6说明随着本实施例制备的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒浓度的增高，在氧化应激模型下的干细胞释放出的LDH量逐渐减少。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1担载钴卟啉的多孔氧化硅复合颗粒的制备
将40mg多孔氧化硅纳米颗粒分散在20mL乙醇溶液中，超声处理20min，超声功率为40-60KHz，向其中加入40mg CoPP，搅拌24h，使CoPP充分吸附在多孔氧化硅颗粒内部，将反应后的溶液以30000rpm离心，用去离子水洗涤2次，收集后干燥备用，所制得CoPP担载率约为2.5％。
图1为本实施例制备的担载钴卟啉的多孔氧化硅复合颗粒的高分辨透射电镜及扫描电镜照片，图中A为担载钴卟啉的多孔氧化硅复合颗粒的外观为球形，B为该材料的扫描电镜示其粒径约为500nm。
图2为本实施例制得的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒的比较面积约为631.3m2/g(A)和平均孔径大小2.6nm(B)；
图3为本实施例制备的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒的XPS图谱，显示了3个特征峰，分别对应于Co2p，N1s和Si2p轨道，证明了Co，N和Si元素的存在。
实施例2担载钴卟啉的多孔氧化硅复合颗粒的制备
将40mg多孔氧化硅纳米颗粒分散在30mL乙醇溶液中，超声处理30min，超声功率为40-60KHz，向其中加入50mg CoPP，搅拌24h，使CoPP充分吸附在多孔氧化硅颗粒内部，将反应后的溶液以30000rpm离心，用去离子水洗涤2次，收集后干燥备用。
实施例3担载钴卟啉的多孔氧化硅复合颗粒的制备
将40mg多孔氧化硅纳米颗粒分散在40mL乙醇溶液中，超声处理40min，超声功率为40-60KHz，向其中加入60mg CoPP，搅拌24h，使CoPP充分吸附在多孔氧化硅颗粒内部，将反应后的溶液以30000rpm离心，用去离子水洗涤2次，收集后干燥备用。
实施例4担载钴卟啉的多孔氧化硅复合颗粒的制备
将40mg多孔氧化硅纳米颗粒分散在10mL乙醇溶液中，超声处理15min，超声功率为40-60KHz，向其中加入30mg CoPP，搅拌24h，使CoPP充分吸附在多孔氧化硅颗粒内部，将反应后的溶液以30000rpm离心，用去离子水洗涤2次，收集后干燥备用。
实施例5担载钴卟啉的多孔氧化硅复合颗粒的制备
将40mg多孔氧化硅纳米颗粒分散在10mL乙醇溶液中，超声处理20min，超声功率为40-60KHz，向其中加入20mg CoPP，搅拌24h，使CoPP充分吸附在多孔氧化硅颗粒内部，将反应后的溶液以30000rpm离心，用去离子水洗涤2次，收集后干燥备用。
对比例1具有光声成像效果的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒的光声性能评价
为了评价所制得的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒的光声成像性能，我们评价了单纯的MSN 纳米颗粒水溶液，钴卟啉与多孔氧化纳米颗粒的混合物(CCoPP＝10μg/mL)水溶液以及实施例 1制备的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒(CCoPP＝10μg/mL)水溶液的UV-Vis图谱和在680nm 激光照射下，产生的光声信号强度。
图4为本实施例制备的MSN纳米颗粒水溶液，钴卟啉与多孔氧化纳米颗粒的混合物(CCoPP＝10μg/mL)溶液以及钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒(CCoPP＝10μg/mL)溶液的UV-Vis 图谱。图中所述可见单纯的MSN纳米颗粒在300-800nm波段没有明显的紫外吸收峰值，与此产生对比的是，钴卟啉与多孔氧化纳米颗粒的混合物(CCoPP＝10μg/mL)溶液在420nm波段有明显的吸收峰值，更值得注意的是，担载钴卟啉的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒(CCoPP＝10 μg/mL)溶液的UV-Vis的400-800nm波段有了整体大幅度的提高。
图5A为本实施例制备的不同浓度的(CCo＝88,44,22,11,0μg/mL)钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒，在680nm激光照射下，产生光声信号的强度。图5B示随着钴元素浓度的增加，本实施例制备的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒的光声强度逐渐上升，两者呈线性关系。
对比例2具有抗氧化应激作用的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒的细胞保护性能评价
将不同浓度的实施例1制备的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒(0,6.25,12.5,25,50μg/mL)与间充质干细胞共培养6h，换液同步化后更换培养基为无糖无血清的DMEM培养基，在培养基中加入100uM的H2O2共培养24h，检测各组LDH生成。
图6示随着实施例1制备的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒浓度的增高，在氧化应激模型下的干细胞释放出的LDH量逐渐减少，表明了实施例1制备的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒对干细胞具有保护作用。
对比例3
担载钴卟啉的多孔氧化硅复合颗粒的制备：将10mg多孔氧化硅纳米颗粒分散在20mL水溶液中，超声处理40min，超声功率为20KHz，向其中加入30mg CoPP，搅拌24h，将反应后的溶液以30000rpm离心，用去离子水洗涤2次，收集后干燥备用。
对比例4
担载钴卟啉的多孔氧化硅复合颗粒的制备：将30mg多孔氧化硅纳米颗粒分散在20mL二甲基亚砜溶液中，超声处理10min，超声功率为80KHz，向其中加入10mg CoPP，搅拌24h，将反应后的溶液以30000rpm离心，用去离子水洗涤2次，收集后干燥备用。
性能测试：
测试实施例1与对比例3-4所制备担载钴卟啉的多孔氧化硅复合颗粒在680nm激光照射下，产生光声信号的强度，结果如下表所示：
由表中的结果可以看出，本发明实施例1制备的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒在680nm激光照射下的光声信号强度优于对比例3和对比例4。
本发明制备了具有光声成像造影与细胞保护功能的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒，将钴离子为中心的金属卟啉化合物，和一定量的多孔氧化硅纳米颗粒混合后搅拌，离心收集颗粒，干燥，得到具有光声成像造影和细胞保护功能的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒。本发明采用的通过多孔氧化硅纳米颗粒担载金属卟啉化合物的方法，使卟啉基化合物光学吸收性质发生转变，促进分子在近红外光区域的吸收，并表现出较好的光声成像造影性能。同时，该复合材料可通过上调血红素加氧酶-1产生细胞保护作用，提高细胞移植后生存率。本发明所采取的制备方法简便快捷，经济适用，重复性高，成功将光声成像与细胞保护相结合，提供了一种成像标记并提高细胞存活率的新方法。本发明不仅拓展了光声造影成像的范围，还将成像与细胞保护有机统一，为提高光声成像效果提供了一种新策略，对推动细胞移植治疗具有重要意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种具有光声成像性能与细胞保护功能的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒，其特征在于，所述钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒的制备方法如下：将多孔氧化硅纳米颗粒与金属卟啉化合物在有机溶剂中混合后搅拌，使金属卟啉化合物吸附在多孔氧化硅颗粒内部，离心后洗涤，收集并干燥，得到钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒；所述金属卟啉化合物是以钴离子为中心的一类金属卟啉化合物；
所述有机溶剂为乙醇。
2.根据权利要求1所述的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒，其特征在于，所述钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒的粒径为100-5000nm。
3.根据权利要求1所述的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒，其特征在于，所述钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒在波长为600-900nm范围具有光学吸收，并表现出较好的光声成像性能。
4.根据权利要求1所述的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒，其特征在于，所述钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒释放出的金属卟啉化合物可以用于抗氧化应激和抗炎性能，具有细胞保护性能。
5.根据权利要求1所述的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒，其特征在于，所述多孔氧化硅纳米颗粒与金属卟啉化合物质量比为1:1。
6.根据权利要求1所述的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒，其特征在于，所述钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒的制备方法如下：将40mg多孔氧化硅纳米颗粒分散在20mL乙醇溶液中，超声处理20min，超声功率为40-60KHz，向其中加入40mg CoPP，搅拌，使CoPP充分吸附在多孔氧化硅颗粒内部，将反应后的溶液以30000rpm离心，用去离子水洗涤2次，收集后干燥。
7.根据权利要求1所述的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒，其特征在于，所述钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒中的钴卟啉分子具有如下所示的结构：
8.权利要求1-7任一所述的钴卟啉/多孔氧化硅复合颗粒在制备用于干细胞疗法的光声造影剂中的应用。
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