CN108245677A - 一种水溶性竹红菌素纳米组装体的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水溶性竹红菌素纳米组装体作为肿瘤组织的光声成像和光热治疗的光诊疗一体化试剂的应用。水溶性竹红菌素纳米组装体为以竹红菌素药物和天然或合成的高分子为前驱物，利用他们之间的自组装特性制备得到的纳米组装体，其尺寸为20‑200nm，最大吸收波长范围为450‑850nm。本发明得到的水溶性竹红菌素纳米组装体可同时用于肿瘤组织的光声成像和光热治疗；在激光照射下可高效产生热，能够杀死肿瘤细胞；能够用于肿瘤组织的光声成像，同时实现对肿瘤的诊断和治疗；经过静脉注射后，光声成像显示可高效富集在肿瘤组织；光稳定性好，抗漂白能力强，有更好的生物相容性。

Description

一种水溶性竹红菌素纳米组装体的应用
技术领域
本发明涉及纳米光诊疗药物技术领域。更具体地，涉及一种水溶性竹红菌素纳米组装体的应用。
背景技术
光热疗法(Photothermal Therapy，简称PTT)是近年来迅速发展起来的一种针对肿瘤组织的治疗新技术，它具有高选择性、高效性、非侵入性、对正常组织无损伤等优点，是除光动力疗法(Photodynamic Therapy，简称PDT)之外的另一种光疗新技术。具体来讲，将具有光敏剂富集在肿瘤附近，在激光照射下(激光功率为0.1-2W/cm2)，可高效产生热，使肿瘤组织温度快速升高(一般地大于50℃)，进而杀死肿瘤细胞，从而对肿瘤组织产生治疗作用(Nanoparticles for photothermal therapies,Nanoscale,2014,6,9494)。另一方面，光照肿瘤组织的光敏剂产生的热所产生的热膨胀又可以被声波探测器检测到，从而将光信号转化为三维的声波信号，此技术被称为光声成像技术，从而实现对深度肿瘤组织的三维成像(Photoacoustic imaging，PA)，空间分辨率高，安全性好，是最新发展的对肿瘤组织的成像技术(Structural and functional photoacoustic molecular tomography aidedby emerging contrast agents,Chem.Soc.Rev.,2014,43,7132)。因此，这种光热试剂既可用于肿瘤的光声成像(诊断)，又可以同时实现对肿瘤的光热治疗(治疗)。而开发集诊断与治疗一身的光诊疗试剂是目前生物医学领域迫切需要发展的新方向，可为精准医疗的实现提供物质基础。
目前，能够同时用作光声成像和光热治疗的材料多为无机材料，如纳米金、纳米碳、纳米硫化物等。此类材料的长期潜在毒性制约其在临床上的应用。有机材料如多巴胺(PDA)和靛菁绿(ICG)等已经被发现可以用作光诊疗试剂，但关于竹红菌素能够在激光照射下产生热，同时用于肿瘤的光声成像(PA)和光热治疗的(PTT)研究还没有报道。
竹红菌素是由我国云南高原海拔4000米、箭竹上的一种寄生真菌－竹红菌中提取的天然光敏剂，主要包括竹红菌甲素(Hypocrellin A,简称HA)和竹红菌乙素(HypocrellinB，简称HB)，光毒性好、暗毒性低、体内代谢快、化学结构明确，是一种较有应用前景的光敏剂。目前，人们对竹红菌素的性能研究都集中在光照产生活性氧，利用产生的活性氧杀死肿瘤细胞，也就是光动力(PDT)治疗肿瘤等重大疾病的应用研究上。没人关注它们的光热效应，究其原因，是因为竹红菌素及其衍生物大多为有机小分子，在激光的照射下容易失活，不具备光照产生热的效果。
随着纳米科技的发展，利用天然高分子和合成高分子的双亲特性,采用自组装技术不仅可以解决有机小分子的光稳定性，还可以解决有机小分子的水溶性，得到的组装体的性能往往更加优越于单体。更加重要的是，双亲性分子和药物分子的自组装为提高纳米药物的输送能力、提高对病灶或肿瘤组织的靶向性进而减少副作用等方面开辟了一个新的途径(Concurrent self-assembly of amphiphiles into nanoarchitectures withincreasing complexity,Nano Today,2015,10,278-300)。
因此，我们以竹红菌素及其衍生物以及天然或合成的高分子为前驱物，得到一系列尺寸在20-200nm之间，且形貌可调控的诸如纳米棒、纳米管、纳米胶囊、纳米球、纳米囊泡和纳米片等水溶性纳米组装体，开发此类竹红菌素纳米组装体的新颖的光热特性，实现对肿瘤光声成像介导的光热治疗，发展新型光诊疗一体化试剂，为未来实现精准光诊疗一体化技术提供新的物质基础。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种水溶性竹红菌素纳米组装体的应用。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种水溶性竹红菌素纳米组装体作为肿瘤组织的光声成像和光热治疗的光诊疗一体化试剂的应用。
优选地，所述水溶性竹红菌素纳米组装体为以竹红菌素药物和天然或合成的高分子为前驱物，利用他们之间的自组装特性制备得到的纳米组装体，其尺寸为20-200nm，最大吸收波长范围为450-850nm。此类纳米组装体在激光照射下可高效产生热，可同时实现对肿瘤的光声成像和光热治疗。
优选地，所述竹红菌素为竹红菌甲素(HA)、竹红菌乙素(HB)或它们的衍生物。竹红菌素及其衍生物光毒性好、暗毒性低、体内代谢快、化学结构明确，是一种较有应用前景的光敏剂，但大多为有机小分子，在激光的照射下容易失活，不具备光照产生热的效果。
优选地，所述天然高分子选自蛋白质、多肽、脱氧核糖核酸(DNA)、核酸适配体、医用明胶、阿拉伯胶、白蛋白、丝素蛋白、甲壳素、壳聚糖、透明质酸、淀粉、海藻酸钠中的一种或多种，其分子量在1000-100000之间。
优选地，所述合成高分子选自聚乳酸、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚磷酸酯、聚酸酐、氨基酸类聚合物、纤维素及其衍生物、聚乙烯吡络烷酮、、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乳酸-聚羟基乙酸(PLA-PGA)、聚乳酸-聚乙二醇(PLGA-PEG)、聚乳酸-聚乙二醇-聚乳酸(PLGA-PEG-PLGA)、聚丙烯酸-b-聚丁二烯(PAA-b-PB)、聚谷氨酸苄脂-聚乙二醇(PBLG-PEG)、聚苯乙烯-b-聚乙烯酯(PS-b-PVA)、聚苯乙烯-b-聚二甲基硅氧烷(PS-b-PPDMS)、聚苯乙烯-b-聚苯二酸乙二醇酯(PS-b-PEN)、聚丙烯酸-b-聚苯乙烯(PAA-b-PS)、聚苯乙烯-b聚环氧乙烷(PS-b-PPEO)、聚二甲基硅氧烷-b-聚环氧乙烷(PDMS-b-PEO)等均聚物或者共聚物中的一种或多种，其分子量在1000-100000之间。
优选地，所述纳米组装体为纳米球、纳米棒、纳米管、纳米片、纳米胶囊或纳米囊泡。
利用天然高分子和合成高分子的双亲特性,采用自组装技术不仅可以解决有机小分子的光稳定性，还可以解决有机小分子的水溶性，得到的组装体的性能往往更加优越于单体。更加重要的是，双亲性分子和药物分子的自组装为提高纳米药物的输送能力、提高对病灶或肿瘤组织的靶向性进而减少副作用等方面开辟了一个新的途径。
水溶性竹红菌素纳米组装体可通过现有方法[中国专利CN1565433A]制备得到，进一步地，所述水溶性竹红菌素纳米组装体的制备方法包括如下步骤：单独将竹红菌素分子溶解在有机溶剂中，所述有机溶剂为甲醇、乙腈、氯仿或者四氢呋喃，然后逐滴加入含有高分子的水溶液，所述水溶液中高分子的质量百分比为1％-50％，室温搅拌2-24小时后去除有机溶剂，分离提纯后，可得到竹红菌素纳米组装体。
优选地，所述制备方法包括如下步骤：将竹红菌素分子和高分子按照质量比1：2～20溶解在有机溶剂中，所述有机溶剂为甲醇、乙腈、氯仿或者四氢呋喃，然后快速注射到纯水溶液或者pH为2-9的缓冲溶液中，室温搅拌2-24小时后去除有机溶剂，分离提纯后，可得到竹红菌素纳米组装体。
优选地，所述制备方法包括如下步骤：将竹红菌素分子和一种高分子按照质量比1：2～20溶解在有机溶剂中，所述有机溶剂为甲醇、乙腈、氯仿或者四氢呋喃，然后逐滴加入另一种高分子的水溶液，室温搅拌2-24小时后去除有机溶剂，分离提纯后，可得到竹红菌素纳米组装体。
本发明的有益效果如下：
1)本发明中的水溶性竹红菌素纳米组装体的最大吸收波长在450-850nm之间，光稳定性好，抗漂白能力强，有更好的生物相容性。
2)本发明中的水溶性竹红菌素纳米组装体在激光照射下可高效产生热，能够杀死肿瘤细胞。
3)本发明中的水溶性竹红菌素纳米组装体在激光照射下可高效产生热，能够用于肿瘤组织的光声成像，同时实现对肿瘤的诊断和治疗。
4)本发明中的水溶性竹红菌素纳米组装体经过静脉注射后，光声成像显示可高效富集在肿瘤组织。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明实施例6中制备的竹红菌素纳米囊泡的透射电镜照片。
图2示出本发明实施例6中制备的竹红菌素纳米囊泡和竹红菌素前驱物的吸收对照图。
图3示出本发明实施例6中制备的竹红菌素纳米囊泡和竹红菌素前驱物的光稳定性对照图。
图4示出本发明实施例6中制备的竹红菌素纳米囊泡构在近红外光(671nm)的照射下的光生热效果图。
图5示出本发明实施例6中制备的竹红菌素纳米囊泡构的在细胞水平的暗毒性和光毒性对照图。
图6示出本发明实施例6中制备的竹红菌素纳米囊泡经过静脉注射后在肿瘤组织的光声成像效果图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
5mg的竹红菌甲素衍生物分子和5mg聚乳酸-聚乙二醇(PEG-PLGA)溶解在10mL的氯仿中，然后逐滴加入10mL的水中，室温快速搅拌12小时，去除氯仿后，透析纯化，得到水溶性竹红菌素纳米管，尺寸为80nm，最大吸收波长为630nm。
实施例2
10mg的竹红菌甲素衍生物分子溶解在5mL的四氢呋喃中，然后快速注射到10mL的含有PEG-PLGA水溶液中，室温快速搅拌12小时，去除四氢呋喃后，透析纯化，得到水溶性竹红菌素纳米片，尺寸为60nm，最大吸收波长为660nm。
实施例3
10mg的竹红菌乙素衍生物分子和聚乳酸-聚羟基乙酸(PGA-PLA)溶解在5mL的氯仿中，然后快速注射到20mL的缓冲溶液中(pH＝7)，室温快速搅拌10小时，去除氯仿后，透析纯化，得到水溶性竹红菌素纳米囊泡，尺寸为90nm，最大吸收波长为730nm。
实施例4
5mg的竹红菌乙素衍生物分子和5mg聚苯乙烯-b-聚乙烯酯(PS-b-PVA)溶解在10mL的氯仿中，然后逐滴加入到10mL的水中，室温快速搅拌24小时，去除氯仿后，透析纯化，得到水溶性竹红菌素纳米管，尺寸为110nm，最大吸收波长为690nm。
实施例5
5mg的竹红菌素衍生物分子和5mg的PLGA-PEG溶解在5mL的四氢呋喃中，然后快速注射到20mL的纯水中，室温快速搅拌12小时，去除四氢呋喃后，透析纯化，得到水溶性竹红菌素纳米囊泡，尺寸为120nm，最大吸收波长为720nm。
实施例6
10mg的竹红菌乙素衍生物分子和20mg的PBLG-PEG溶解在5mL的氯仿中，然后快速注射到20mL的缓冲溶液中(pH＝7)，室温快速搅拌6小时，去除氯仿后，透析纯化，得到水溶性竹红菌素囊泡。该纳米囊泡的尺寸大约为180纳米左右(图1)；最大吸收波长为710nm(图2)，纳米囊泡的光稳定性比竹红菌素前驱物分子有了大幅度提高(图3)；随着光照时间的延长，不同浓度的纳米囊泡水溶液的温度有了不同程度的提高，其中，200微克/毫升的纳米囊泡水溶液，光照10分钟后，温度提高了28℃(图4)；MTT测试表明，纳米囊泡的暗毒性低，光毒性强，100微克/毫升光照十分钟，可完全杀死癌细胞(图5)；活体光声成像结果表明，经过静脉注射以后，肿瘤部位在12小时后，光声信号最强(图6)。
因此可知，本发明的水溶性竹红菌素纳米组装体光稳定性好，抗漂白能力强，有更好的生物相容性，可同时用于肿瘤组织的光声成像和光热治疗。
实施例7
5mg的竹红菌乙素衍生物分子和10mg的PAA-b-PS溶解在5mL的四氢呋喃中，然后快速注射到20mL的纯水中，室温快速搅拌12小时，去除四氢呋喃后，透析纯化，得到水溶性竹红菌素纳米胶囊，尺寸为100nm，最大吸收波长为670nm。
实施例8
8mg的竹红菌甲素衍生物分子和5mg的PB-b-PAA溶解在5mL的乙腈中，然后快速注射到10mL的纯水中，室温快速搅拌12小时，去除乙腈后，透析纯化，得到水溶性竹红菌素纳米胶囊，尺寸为70nm，最大吸收波长为530nm。
实施例9
5mg的竹红菌甲素衍生物分子和20mg的PDMS-b-PEO溶解在10mL的氯仿中，然后逐滴加入到10mL的纯水中，室温快速搅拌12小时，去除氯仿后，透析纯化，得到水溶性竹红菌素纳米囊泡，尺寸为150nm，最大吸收波长为580nm。
实施例10
10mg的竹红菌甲素衍生物分子和10mg多肽溶解在5mL的四氢呋喃中，然后快速注射到10mL的纯水中，室温快速搅拌12小时，去除四氢呋喃后，透析纯化，得到水溶性竹红菌素纳米球，尺寸为80nm，最大吸收波长为610nm。
实施例11
10mg的竹红菌乙素衍生物分子和20mg的PS-b-PEO溶解在5mL的氯仿中，然后快速注射到20mL的缓冲溶液中(pH＝7)，室温快速搅拌8小时，去除氯仿后，透析纯化，得到水溶性竹红菌素纳米片，尺寸为180nm，最大吸收波长为730nm。
实施例12
5mg的竹红菌乙素衍生物分子和5mg的PS-b-PEO溶解在10mL的四氢呋喃中，然后快速注射到20mL的纯水中，室温快速搅拌12小时，去除四氢呋喃后，透析纯化，得到水溶性竹红菌素纳米管，尺寸为140nm，最大吸收波长为720nm。
实施例13
8mg的竹红菌乙素衍生物分子和10mg的PS-b-PEG溶解在5mL的乙腈中，然后快速注射到10mL的纯水中，室温快速搅拌12小时，去除乙腈后，透析纯化，得到水溶性竹红菌素纳米棒，尺寸为130nm，最大吸收波长为700nm。
实施例14
5mg的竹红菌乙素衍生物分子和10mg的PLGA-b-PEG溶解在10mL的氯仿中，然后逐滴加入到含有5mg聚乙烯醇(PVA)的10mL的水溶液中，室温快速搅拌10小时，去除氯仿后，透析纯化，得到水溶性竹红菌素纳米囊泡，尺寸为180nm，最大吸收波长为630nm。
实施例15
5mg的竹红菌甲素衍生物分子和5mg的牛血清白蛋白(BSA)溶解在10mL的氯仿中，然后逐滴加入到含有5mg聚乙烯醇(PVA)的10mL的水溶液中，室温快速搅拌20小时，去除氯仿后，透析纯化，得到水溶性竹红菌素纳米球，尺寸为120nm，最大吸收波长为690nm。
对比例1
一种纳米组装体，制备方法同实施例1，不同之处在于：不加竹红菌素，只有PLGA-PEG，最后也可得到纳米胶囊，但对其进行细胞的暗毒性和光毒性实验，结果表明,所得的纳米囊泡暗毒性低、没有光毒性，可知无论光照或不光照，都不能致细胞死亡。
对比例2
制备方法同实施例1，不同之处在于：采用有机小分子如异丙醇替换高分子，最后没有任何纳米组装体生成。考察材料的暗毒性和光毒性，结果表明光毒性低；光毒性也低(竹红菌素衍生物在水中的溶解度很低，细胞摄入量少)。
对其进行光热效应和光声成像测试，结果表明光热效应没有纳米囊泡好，而且光稳定性差；由于竹红菌素前驱物分子尺寸小，经过静脉注射以后，无法在肿瘤组织聚集，不能用于肿瘤部位的光声成像。
实施例16
细胞的暗毒性和光毒性实验：
将培养的Hela细胞用0.25％的胰蛋白酶消化，吹打，制成单细胞悬液，调整细胞数约2x104个/mL，每孔200uL接种在96孔培养板中置于37℃含5％CO2的孵育箱中培养。待细胞贴壁后弃去上清培养液，严格在避光的条件下按实验设计加入不同浓度水溶性竹红菌素纳米组装体，置于37℃含5％CO2的孵育箱中继续培养孵育4小时。然后采用波长671nm半导体激光进行照射，调整功率密度为0.8W/cm2，使光束均匀地垂直照射到96孔培养板上，照射时间为1000S，同时每块96孔培养板均设空白组，每个条件设6孔。照光后置于37℃含5％CO2的孵育箱中继续培养孵育24小时，然后，用MTT法检测细胞的存活率。
表1不同水溶性竹红菌素纳米组装体的暗毒性和光毒性实验结果
可从表1得知，水溶性竹红菌素纳米组装体暗毒性低，光毒性强，在激光照射下可高效产生热，能够杀死肿瘤细胞。而PLGA-PEG纳米组装体暗毒性低、没有光毒性，可知无论光照或不光照，都不能致细胞死亡。而竹红菌素分子本身因为水溶性差，细胞的摄取量少，暗毒性小，光毒性低。
实施例17
静脉注射后的光声成像和光热治疗。
光声成像
在小鼠(4周，体重15g-20g)半臀部皮下注射4T1(悬浮在PBS溶液中，浓度为2*106，60uL)肿瘤。在8-10天肿瘤体积约为25mm3时，将不同的水溶性竹红菌素纳米组装体(1mg/ml，100uL)尾静脉注射小鼠体内。分别观察在静脉注射后小鼠肿瘤部位0h、3h、7h、12h、24h、36h时间段的光声信号的变化。
光热治疗
在小鼠(4周，体重15g-20g)半臀部皮下注射4T1(悬浮在PBS溶液中，浓度为2*106，60uL)肿瘤。在8-10天肿瘤体积约为25mm3时，将竹红菌素纳米囊泡(来自实施例12)(1mg/ml，100uL)尾静脉注射小鼠体内。12h后，采用波长671nm半导体激光进行照射，调整功率密度为0.8W/cm2，使光束均匀地垂直照射到小鼠肿瘤部位，时间为1000S，同时设有不静脉注射不光照、只静脉注射不光照、不静脉注射只光照三组对照试验。观察小鼠肿瘤部位的体积变化。
表2不同水溶性竹红菌素纳米组装体的光声成像和光热治疗实验结果
可从表2得知，水溶性竹红菌素纳米组装体能够用于肿瘤组织的光声成像，同时实现对肿瘤的诊断和治疗。而PLGA-PEG纳米组装体没有成像和治疗功能，而竹红菌素前驱物分子自身尺寸小，经过静脉注射以后，无法在肿瘤组织聚集，不能用于肿瘤部位的光声成像和光热治疗。
因此可知，本发明的水溶性竹红菌素纳米组装体光稳定性好，抗漂白能力强，有更好的生物相容性，可同时用于肿瘤组织的光声成像和光热治疗。
结论：本发明中竹红菌素和高分子之间相互配合，协同作用，得到的水溶性竹红菌素纳米组装体光稳定性好，抗漂白能力强，有更好的生物相容性，可同时用于肿瘤组织的光声成像和光热治疗，缺少任一组成都会使得得到的纳米组装体在某些方面的特性有不同程度的减弱。本发明的产品形貌可调控，实现了对肿瘤光声成像介导的光热治疗，发展新型光诊疗一体化试剂，为未来实现精准光诊疗一体化技术提供新的物质基础。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种水溶性竹红菌素纳米组装体作为肿瘤组织的光声成像和光热治疗的光诊疗一体化试剂的应用。
2.一种水溶性竹红菌素纳米组装体，其特征在于，所述水溶性竹红菌素纳米组装体为以竹红菌素药物和天然或合成的高分子为前驱物，利用他们之间的自组装特性制备得到的纳米组装体。
3.根据权利要求2所述的一种水溶性竹红菌素纳米组装体，其特征在于，所述水溶性竹红菌素纳米组装体的尺寸为20-200nm，最大吸收波长范围为450-850nm。
4.根据权利要求2所述的一种水溶性竹红菌素纳米组装体，其特征在于，所述竹红菌素为竹红菌甲素、竹红菌乙素或它们的衍生物。
5.根据权利要求2所述的一种水溶性竹红菌素纳米组装体，其特征在于，所述天然高分子选自蛋白质、多肽、脱氧核糖核酸、核酸适配体、医用明胶、阿拉伯胶、白蛋白、丝素蛋白、甲壳素、壳聚糖、透明质酸、淀粉、海藻酸钠中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的一种水溶性竹红菌素纳米组装体，其特征在于，所述天然高分子分子量在1000-100000之间。
7.根据权利要求2所述的一种水溶性竹红菌素纳米组装体，其特征在于，所述合成高分子选自聚乳酸、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚磷酸酯、聚酸酐、氨基酸类聚合物、纤维素及其衍生物、聚乙烯吡络烷酮、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乳酸-聚羟基乙酸、聚乳酸-聚乙二醇、聚乳酸-聚乙二醇-聚乳酸、聚丙烯酸-b-聚丁二烯、聚谷氨酸苄脂-聚乙二醇、聚苯乙烯-b-聚乙烯酯、聚苯乙烯-b-聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯-b-聚苯二酸乙二醇酯、聚丙烯酸-b-聚苯乙烯、聚苯乙烯-b聚环氧乙烷、聚二甲基硅氧烷-b-聚环氧乙烷均聚物或者共聚物中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的一种水溶性竹红菌素纳米组装体，其特征在于，所述合成高分子分子量在1000-100000之间。
9.根据权利要求2所述的一种水溶性竹红菌素纳米组装体，其特征在于，所述纳米组装体为纳米球、纳米棒、纳米管、纳米片、纳米胶囊或纳米囊泡。
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