CN108524935B - 一种基于硫化铜-金属有机框架材料的槲皮素载药系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一种基于硫化铜‑金属有机框架材料的槲皮素载药系统，通过在光热制剂硫化铜纳米粒(CuS NPs)表面生成金属有机框架沸石咪唑酯骨架材料(ZIF‑8)，得到CuS@ZIF‑8载体，将槲皮素吸附入载体，然后再通过稳定剂和靶向剂FA‑BSA的修饰，即可形成具有靶向主动作用和pH响应性纳米递送系统(FA‑BSA/CuS@ZIF‑8)；本发明改善了槲皮素的水溶性和化学稳定性，还可以发挥光疗化疗联合治疗肿瘤的良好疗效，同时在肿瘤微环境的低pH条件下更快释放，也增强了药物制剂的肿瘤细胞摄取量，对正常细胞毒性低，生物相容性较好。

Description

一种基于硫化铜-金属有机框架材料的槲皮素载药系统
技术领域
本发明涉及医药技术领域,具体涉及一种基于硫化铜纳米粒的金属有机框架材料的槲皮素载药体系的制备、表征及抗肿瘤效果的体外评价。
背景技术
癌症是现今社会威胁人类生命健康的一大杀手，且近年来其发病率和死亡率逐年增加。在各种治疗手段中，化疗是通过使用化学药物通过不同的作用机制例如干扰DNA复制来达到抑制肿瘤细胞増殖，促进肿瘤细胞调亡的手段，是最有效的方法之一。然而，大多数抗癌药物在临床上都有严重的毒副作用，如皮肤黏膜反应和脱发，以及对各脏器的毒副反应等。因此，迫切需要寻找和开发新的抗癌药物。
槲皮素(Quercitrin,3,5,7,30,40-五羟基黄酮)是一种植源性黄酮类化合物，广泛存在于中草药和食物中。近年研究发现，槲皮素可通过调节抑癌基因表达、阻断细胞周期、诱导细胞凋亡、阻滞侵袭及转移等多种途径发挥化学预防和抗肿瘤作用，国外I和II期临床试验证实槲皮素可抑制多种肿瘤细胞的增殖和诱导凋亡,如白血病细胞、胃癌细胞、乳腺癌细胞、结肠癌细胞、肺癌细胞以及神经胶质瘤细胞和胰腺癌细胞等。槲皮素是目前已知最强的中药抗癌有效成分之一，相比于传统的化疗制剂，有着良好的生物安全性，即使高浓度的槲皮素也不会对正常细胞产生明显的毒性。因此槲皮素是一个具有广泛的应用前景和开发价值的化学预防与治疗癌症药物。然而，由于槲皮素水溶性差、吸收和稳定性差，导致其生物利用度很低，限制了其在临床上的应用，近年来有学者尝试将槲皮素制成不同剂型如胶束、聚合物纳米粒、固体脂质体来解决上述问题，但是载药量都很低，如固体脂质体载药量为1.7％，胶束载药量为1-4％，纳米粒载药量为2.87％；专利CN201510359739.6一种槲皮素纳米粒及其制备方法，公开一种槲皮素纳米粒，其载药量高，但缓释效果差，36h释放80％。因而，迫切需要开发能够在水溶液中稳定存在，还可以增大缓释作用的高效载药系统来递送槲皮素。
金属-有机框架材料(MOFs)是由不同连接数的有机配体(联接桥)和金属离子结点组合而成的具有周期性网络结构多孔材料。由于该材料具有高孔隙率、低密度、比表面积大、孔道规则、孔径可调以及拓扑结构多样性等优点，近年来迅速发展，受到了广泛关注和研究。但是由于MOF材料自身结构的稳定性以及不同药物分子结构的特异性，目前已知的可被MOF材料包载的药物种类非常有限。
光热治疗(photothermal therapy,PTT)凭借其局部、高效、副作用小等优势迅速成为肿瘤治疗领域的热点。其原理是利用富集在肿瘤部位的光热试剂在近红外光激发下,利用其光热转换效应产生热量，可使肿瘤局部温度升高从而实现杀伤肿瘤细胞的作用。
牛血清白蛋白(BSA)由于其表面上的疏水性和亲水性贴剂而对固体表面具有良好的粘附性而作为稳定剂或还原剂，研究表明，槲皮素可以通过疏水相互作用和氢键与BSA结合。叶酸(FA)是一种广泛应用的靶向配体，可通过与肿瘤细胞上过表达的叶酸受体的作用特异性增强肿瘤细胞的摄取。叶酸与牛血清蛋白的结合物(FA-BSA)被广泛的应用于纳米粒的构建。目前，还没有被MOF材料包载的槲皮素靶向药物递送系统公开。
发明内容
基于以上问题，本发明构建了化疗剂槲皮素(QT)的MOF材料包载的靶向药物递送系统，具体地，本发明通过选择光热制剂硫化铜纳米粒(CuS NPs)，其与金属有机框架沸石咪唑酯骨架材料(ZIF-8)配位作用形成CuS@ZIF-8载体，将化疗剂槲皮素载入该载体，然后再通过稳定剂和靶向剂FA-BSA的修饰，即可形成本发明具有靶向主动作用和pH响应性纳米递送系统(FA-BSA/CuS@ZIF-8)。
为实现上述目的，具体的，本发明涉及以下技术方案：
本发明公开了一种包载光热剂硫化铜纳米粒的金属有机框架CuS@ZIF-8。
本发明创造性地选择光热剂CuS NPs，其不仅与金属有机框架沸石咪唑酯骨架材料ZIF-8，在递送系统中发挥重要作用，而且在治疗肿瘤时可以结合CuS的光热效果，发挥光疗和化疗联合治疗的效果，从而实现协同增效并减少肿瘤细胞多药耐药性的产生。
本发明还公开了CuS@ZIF-8的制备方法：
以聚吡咯烷酮为模板合成CuS NPs；合成的CuS NPs作为结合位点，2-甲基咪唑与硝酸锌配位结合，在CuS NPs表面生成ZIF-8而得到CuS@ZIF-8。
优选的，2-甲基咪唑与硝酸锌的配位可在水中或甲醇中进行。
进一步，优选的，所述配位过程在甲醇中进行。
优选的，所述制备方法反应过程为：
一定量的PVP溶于水中，加入五水氯化铜，室温下搅拌30min后，加入硫化钠，随后90℃油浴反应15min，冷却至室温后离心收集CuS NPs，分散在甲醇中；2-甲基咪唑溶于甲醇中，与上述CuS甲醇溶液混合，搅拌30min后加入硝酸锌，继续搅拌1h，离心收集灰黑色沉淀，分散到甲醇中。
优选的，CuS：2-甲基咪唑：硝酸锌摩尔比为96:12:1；
优选的，搅拌速度为8000rpm。
本发明还公开了一种基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药系统。
该载药系统在实现槲皮素高效运载的同时，改善了槲皮素的水溶性、提高了槲皮素的生物利用度，并增强缓释效果，获得可用于静脉注射的槲皮素纳米制剂。
本发明还公开了基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药系统的制备方法：
将槲皮素溶于甲醇中，与上述CuS@ZIF-8分散液混合，在室温下搅拌48h。然后离心收集黄色沉淀，用甲醇洗涤两次，再用去离子水洗涤两次，最后冻干后得到黄褐色粉末，即基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药系统(CuS@ZIF-8-QT)。
优选的，槲皮素与CuS@ZIF-8的质量比为2:5。
本发明还公开了一种具有主动靶向作用和pH敏感释药特性的基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药递送系统FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT。
上述FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT的制备方法为：
1)合成FA-BSA：EDC活化叶酸，然后与BSA通过酰胺键结合得到FA-BSA，FA-BSA通过透析纯化并冻干得到淡黄色粉末；
2)FA-BSA溶于水中，调节pH至碱性，CuS@ZIF-8-QT分散到水中，与FA-BSA混合搅拌30min；然后通过离心收集FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT NPs，用去离子水洗涤两次，最后冻干后得到黄褐色粉末，即具有主动靶向作用和和pH敏感释药特性的基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药递送系统FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT。
优选的，所述PH为5.0-7.5。
进一步，优选的PH为5.0。
CuS@ZIF-8-QT通过FA-BSA的修饰，改善了槲皮素的化学稳定性并实现了该载药体系的主动靶向。该修饰过程简单快速，得到的纳米制剂分散性好，易于保存且大大提高了槲皮素的化学稳定性。
本发明形成一个具有主动靶向作用和和pH敏感释药特性的FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT，该载药系统改善了槲皮素的水溶性和化学稳定性，还可以发挥光疗化疗联合治疗肿瘤的良好疗效，同时在低PH条件下增大了缓释作用，也增强了药物制剂的细胞摄取量，对细胞毒性低，生物相容性较好。
本发明还公开了CuS@ZIF-8-QT和FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT载药系统在治疗癌症中的应用。
优选的，所述应用为上述载药系统可以通过光热治疗和化疗用于治疗或缓解某一组织或器官的癌症，癌症包括但不限于恶性黑色素瘤、皮肤癌、乳腺癌、卵巢癌、肺癌等。
优选的，所述光热治疗选择808nm的激光进行照射。
本发明取得了以下有益效果：
(1)本发明首次使用ZIF-8作为槲皮素的递送系统，同时用FA-BSA进行修饰，BSA起到了很好的稳定作用。通过这些方法，成功解决了槲皮素难溶于水的缺陷，并且极大地改善了其化学稳定性。实现了槲皮素的有效递送和抗癌效果的充分发挥。
(2)本发明的药物递送载体ZIF-8具有pH响应性，在肿瘤周围的低pH环境下能更快释放，从而实现更多的药物富集于肿瘤部位。靶向配体叶酸的修饰更是能通过受体-配体作用增强受体表达更多的肿瘤部位的摄取，实现主动靶向作用。载药体系具有靶向作用和pH敏感性，大大提高了槲皮素的抗癌效果，同时减少了对正常细胞和组织的毒副作用。
(3)通过联合槲皮素的化疗效果和CuS的光热疗效，起到了很好的协同增效作用且减少了肿瘤细胞多药耐药性的产生。
附图说明
图1FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT结构图。
图2FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT TEM图。
图3不同样品中槲皮素紫外吸光度的相对强度随时间变化曲线。
图4FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT体外释放曲线。
图5808nm近红外光照射下，ZIF-8和不同浓度的Cus@ZIF-8-QT的温度变化曲线。
图6荧光显微镜图像：a)空白，b)游离QT，c)CuS@ZIF-8-QT和d)FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT。
图7流式细胞结果：a)空白，b)游离QT，c)CuS@ZIF-8-QT和d)FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT。
图8各治疗组B16F10细胞抑制率MTT测定结果。
具体实施方式
结合具体实例对本发明作进一步的说明，以下实例仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。如果实例中未注明的实验具体条件，通常按照常规条件，或按照试剂公司所推荐的条件；下述实施例中所用的试剂、耗材等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1 FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT的制备
1)一定量的PVP溶于水中，加入五水氯化铜。室温下搅拌30min后，加入硫化钠，随后90℃油浴反应15min。冷却至室温后离心收集CuS NPs，分散在甲醇中。2-甲基咪唑溶于甲醇中，与上述CuS甲醇溶液混合，搅拌一段时间后加入硝酸锌，继续搅拌1h，离心收集灰黑色沉淀，分散到甲醇中。槲皮素溶于甲醇中，与一定量的CuS@ZIF-8分散液混合后室温下搅拌一天。离心收集CuS@ZIF-8-QT，用甲醇洗涤两次，再用去离子水洗涤两次，最后冻干后得到黄褐色粉末。
2)EDC活化叶酸，然后与BSA通过酰胺键结合得到FA-BSA，透析。CuS@ZIF-8-QT分散到水中，与透析纯化后的FA-BSA混合搅拌30min。然后通过离心收集FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT，用去离子水洗涤两次，最后冻干后得到黄褐色粉末，即具有主动靶向作用和pH敏感释药特性的基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药递送系统。所述载药系统的结构如图1所示。
实施例2 FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT纳米聚集体形态观察
分别吸取约20μL CuS@ZIF-8和FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT甲醇混悬液，滴于碳膜铜网上，滤纸吸去多余液体，红外灯照射下干燥后置于透射电镜下观察FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT纳米聚集体形态。电镜照片如图2所示，FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT为粒径均一的球形，分散性良好，粒径约40nm，满足静脉注射及被动靶向的粒径要求。
实施例3槲皮素稳定性变化研究
用分析天平精密称取一定量槲皮素，用蒸馏水稀释配置成500μg/mL的混悬液，取一定量的CuS@ZIF-8-QT和FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT，配置成槲皮素浓度相同的蒸馏水混悬液。然后分别取1mL上述混悬液，加入0.5mL0.1M盐酸，然后用8.5mL甲醇溶解。测定它们的紫外吸收。之后的5h内，每隔半小时重复上述操作，测定并记录相应的紫外吸收。各组紫外吸收相对强度变化如图3所示。结果显示在水中分散5h后，游离槲皮素的相对紫外吸收强度下降约75％，表明其迅速分解；而CuS@ZIF-8-QT NP组相对紫外吸收降低约32％，FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT NPs组更是仅降低了20％，证明本发明设计的功能化载体FA-BSA/CuS@ZIF-8可大大提高槲皮素的化学稳定性。
实施例4 CuS@ZIF-8-QT体外光热能力研究
用808nm的近红外光(功率密度：2W/cm2，斑点尺寸：6mm)照射24孔板中不同CuS浓度的样品，使用数字温度计监测5min内溶液的温度变化。结果如图4所示，溶液的温度变化随着CuS@ZIF-8-QT浓度的提高和照射时间的延长而提高。照射5min后，浓度为100μg/mL的CuS@ZIF-8-QT溶液的升温高达35.3℃，而对照组ZIF-8溶液在相同条件下的温度增量可以忽略不计。体外光热实验结果表明CuS@ZIF-8-QT有着令人满意的光热效应，说明其可作为光热剂在肿瘤治疗中发挥良好的效果。
实施例5 FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT体外释放
采用动态膜透析法研究了FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT在不同pH溶液中的释药行为，具体操作如下：1mL的FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT(含有槲皮素0.50mg)置于透析袋并将其分别置于30mL pH和pH 5.0的含1％吐温的PBS溶液中，置于37±0.5℃恒温水浴锅中。在预设的时间间隔取出4mL PBS，同时补充相同的PBS溶液。取出的PBS溶液用紫外分光光度计检测，带入建立的标准曲线中计算浓度并计算相应的累积释放量。结果如图5所示，FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT纳米颗粒在pH 5.0和pH 7.4的PBS中均表现出明显的持续释放。而实验过程中pH5.0PBS中槲皮素的释放量远高于pH 7.4PBS。72h后，槲皮素在pH 5.0PBS中的累积释放量达到49.7％，而在pH7.4的PBS中释放的槲皮素仅为22.5％。结果表明该药物递送系统可以持续释放药物用于癌症治疗，并且选择性地增强对肿瘤细胞的细胞毒性。
实施例5细胞摄取实验兙俥
兙B16F10细胞以5×10 3/孔密度接种在6孔板中并温育1天，用含不同制剂：1)FA-BSA/CuS@ZIF-8-IR820；2)CuS@ZIF-8-IR820；3)IR820溶液的200μL新鲜细胞培养基代替培养基，并使每组中IR820的终浓度为20μg/mL。温育4h后，除去细胞培养基并用PBS洗涤细胞三次。观察样品的细胞摄取行为并通过荧光倒置显微镜拍照。然后用流式细胞仪作进一步的摄取定量分析。所有细胞样品在用PBS洗涤后通过胰蛋白酶消化收集，然后分散在PBS中用于流式细胞术分析。荧光照片和流式细胞结果分别如图6和图7所示。两者均显示各组的荧光强度顺序为：FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT>CuS@ZIF-8-QT>QT，且FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT组明显高于QT组和CuS@ZIF-8-QT组，充分证明了FA介导的主动靶向和纳米级的粒径有效增强了药物制剂的细胞摄取量。
实施例6细胞毒性实验
采用MTT法评估FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT对B16F10细胞的体外细胞毒性和光热能力，CuS@ZIF-8-QT组和槲皮素组作为对照：将B16F10细胞以每孔5×103个细胞接种在96孔板中并温育1天，用200μL含有不同制剂系列稀释液的新鲜细胞培养基(FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT，CuS@ZIF-8-QT，CuS@ZIF-8，槲皮素)替换培养基。4h后，各制剂处理的细胞分为两组，其中的一组用2W/cm2808nmNIR照射5min。继续培养20小时后，向培养基中加入10μL5％MTT并孵育4小时。然后用150μLDMSO代替培养基以溶解甲臜结晶。之后，使用酶标仪测量490nm处每孔的吸光度，计算相应的细胞抑制率。结果如图8所示，各种治疗组的细胞毒性显示出对B16F10细胞系的剂量依赖性。没有激光照射的CuS@ZIF-8直到高浓度时才引起显著的细胞毒性，这表明载体具有令人满意的生物相容性，而CuS@ZIF-8在NIR照射下表现出显着的细胞毒性。槲皮素浓度为150μM时，在NIR照射下的CuS@ZIF-8-QT组细胞抑制率可以达到80.3±1.4％，明显高于单独的槲皮素(48.1±2.6％)或Cus@ZIF-8+近红外线照射(71.4±5.2％)。因此，化疗联合PTT优于单独化疗或单独PTT。此外，在NIR照射下，FA-BSA/Cus@ZIF-8-QT比CuS@ZIF-8-QT表现出更好的治疗效果。例如，在150μM的浓度下，在NIR照射下FA-BSA/Cus@ZIF-8-QT的细胞抑制率达到93.3±0.6％，而CuS@ZIF-8-QT的细胞抑制率与NIR照射为80.3±1.4％。FA-BSA/Cus@ZIF-8-QT疗效更好可归因于FA-BSA修饰使得制剂的细胞摄取增加。
本发明构建了基于FA-BSA修饰的ZIF-8，联合递送化疗剂槲皮素和光热制剂CuSNPs的纳米治疗平台(FA-BSA/CuS@ZIF-8)。首次将槲皮素载入金属有机框架材料ZIF-8中，并通过表面FA-BSA的修饰，有效地解决了槲皮素水溶性差、化学稳定性差的问题，从而实现了槲皮素药用价值的充分发挥。本发明体系具有靶向作用和pH敏感性，并且通过结合光热治疗和化疗，实现了高效低毒的癌症治疗效果且克服了多药耐药性。此外，相比于大多数MOF的制备需要高温高压，本制剂的制备方法安全、简便且重复率高，便于工业化的生产。
最后说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药系统CuS@ZIF-8-QT的制备方法，其特征在于，2-甲基咪唑与硝酸锌配位结合，在CuS纳米粒子表面生成ZIF-8而得到CuS@ZIF-8；将槲皮素溶于甲醇中，与CuS@ZIF-8的甲醇分散液混合，在室温下搅拌48h，然后离心收集黄色沉淀，用甲醇洗涤两次，再用去离子水洗涤两次，最后冻干后得到黄褐色粉末，即基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药系统CuS@ZIF-8-QT；
槲皮素与CuS@ZIF-8的质量比为2:5；所述CuS纳米粒子：2-甲基咪唑：硝酸锌的摩尔比为96: 12: 1。
2.根据权利要求1所述基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药系统CuS@ZIF-8-QT的制备方法，其特征在于，2-甲基咪唑与硝酸锌的配位在水中或甲醇中进行。
3.根据权利要求1所述基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药系统CuS@ZIF-8-QT的制备方法，其特征在于，制备CuS@ZIF-8的具体方法为：聚吡咯烷酮溶于水中，加入五水氯化铜，室温下搅拌30 min后，加入硫化钠，随后90 ℃油浴反应13-17 min，冷却至室温后离心收集CuS纳米粒子，分散在甲醇中；2-甲基咪唑溶于甲醇中，与上述CuS纳米粒子的甲醇溶液混合，搅拌30min后加入硝酸锌，继续搅拌1 h，离心收集灰黑色沉淀，分散到甲醇中。
4.根据权利要求1所述基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药系统CuS@ZIF-8-QT的制备方法，其特征在于，搅拌速度为8000 rpm。
5.权利要求1所述基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药系统CuS@ZIF-8-QT的制备方法得到的基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药系统CuS@ZIF-8-QT。
6.一种具有主动靶向作用和pH敏感释药特性的基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药递送系统FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT的制备方法，其特征在于，步骤为：
1）合成FA-BSA：EDC活化叶酸，然后与BSA通过酰胺键结合得到FA-BSA，FA-BSA通过透析纯化并冻干得到淡黄色粉末；
2）FA-BSA溶于水中，调节pH5.0-7.5，将权利要求1至4中任一项所述基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药系统CuS@ZIF-8-QT的制备方法得到的CuS@ZIF-8-QT分散到水中，与FA-BSA混合搅拌30 min；然后通过离心收集FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT NPs，用去离子水洗涤两次，最后冻干后得到黄褐色粉末，即具有主动靶向作用和pH敏感释药特性的基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药递送系统FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT。
7.根据权利要求6所述具有主动靶向作用和pH敏感释药特性的基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药递送系统FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT的制备方法，其特征在于，所述pH为5.0。
8.权利要求6或7所述制备方法得到的具有主动靶向作用和pH敏感释药特性的基于CuS@ZIF-8的槲皮素载药递送系统FA-BSA/CuS@ZIF-8-QT。
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