CN108530646B - 一类具备抗癌性能的聚合物及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一类具备抗癌性能的聚合物及其制备方法和应用，属于生物医学工程材料领域。本发明通过迈克尔加成反应得到含双硫键的超支化聚酰胺胺；然后利用其所固有的药理活性去抑制肿瘤组织细胞的生长，且对正常组织细胞无副作用。本发明的制备方法温和、操作方便，副产物少且产物易于分离纯化，有利于材料的生物相容性。本发明材料成分简单、原料易得、生物相容性好，作为潜在的抗肿瘤药物单独使用时即有明显疗效，不需另行装载药物；表面的大量可修饰功能团为其在制备生物医药工程材料的应用提供支持，有望在生物医学工程材料领域得到广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于生物医学工程材料领域，特别涉及一类具备抗癌性能的聚合物及其制备方法和应用。
背景技术
长期以来，虽然新型的癌症疗法不断涌现，但化疗依然是癌症治疗的主要手段。然而化疗的致命缺陷在于其无差别杀伤效果，即在对肿瘤细胞杀伤时，正常组织的细胞也会受到不同程度的损伤。近年来，一些人工合成的聚合物被发现具有内在的药理活性，且其对正常组织几乎无副作用，因而这一类聚合物被考虑作为新型药物用于癌症的治疗。
Shao等合成了一类聚硫脲树枝状高分子，其在体外对正常细胞和肿瘤细胞均无毒。但是，其可以在荷瘤小鼠体内通过作用于过量的铜元素并降低肿瘤细胞内的活性氧水平(ROS)，从而有效地抑制肿瘤新生血管的生成并诱导肿瘤细胞死亡(Nature BiomedicalEngineering 2017,1(9):745-757)。Dernedde等发现高度硫酸化的树枝状聚甘油可以与体内的炎症介质紧密结合并实现很好的治疗效果，而其作用机制在于其可以靶向存在于少量炎症介质中的基因序列(Proceedings of the National Academy of Sciences of theUnited States of America 2010,107(46):19679-19684)。然而，目前针对人工合成聚合物的内在药理活性的探索和研究尚不充分，使得将其作为抗癌药物真正应用于生物医学领域时受到限制。
因此，深入发掘和研究人工合成聚合物的药理活性，并对肿瘤特异性微环境进行充分利用，便成为当前生物医学工程领域亟待解决的重要课题。迄今为止，通过迈克尔加成制备的可大量消耗胞内GSH的一类响应型聚合物作为潜在的抗癌药物在生物医学工程材料领域的应用尚未见报道。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一类具备抗癌性能的聚合物的制备方法。
本发明通过迈克尔加成反应得到含双硫键的超支化聚酰胺胺；然后利用其所固有的药理活性去抑制肿瘤组织细胞的生长，且对正常组织细胞无副作用。
本发明另一目的在于提供通过上述制备方法制备得到的具备抗癌性能的聚合物。
本发明再一目的在于提供上述具备抗癌性能的聚合物在制备生物医学工程材料中的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一类具备抗癌性能的聚合物的制备方法，包括以下步骤：
将无水氯化钙分别溶于甲醇和纯水中，向N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)中依次加入无水氯化钙的甲醇溶液和水溶液，然后加入反应物A，冷凝回流，开始反应，最后再加入封端剂封端(或者不封端)，调节pH，透析，冷冻干燥，得到含有双硫键的超支化聚酰胺胺(PAAs)，即具备抗癌性能的聚合物。所得聚合物的分子量范围为500～500000。
所述的反应物A包括N-氨乙基哌嗪、赖氨酸、PEI-600或精胺等；
所述的N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)与反应物A、无水氯化钙的摩尔比为1：0.3～1.2：1.5～3.0；优选为1：0.8～1.0：1.8～2.2；
所述的反应的条件为在搅拌速率300～600rpm下反应6～144h，反应温度40～60℃；优选为在搅拌速率300～600rpm下反应6～72h，反应温度40～50℃；
所述的封端剂包括N-氨乙基哌嗪、赖氨酸、PEI-600或精胺等；
所述的封端剂与N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)的摩尔比为0.3～1.2：1，优选为0.9～1.1：1；封端所用时间为4～8h，优选为6～8h；
所述的调节pH指调节溶液pH值至4～6；
所述的透析所使用的透析袋的截留分子量为100～1000；优选为500～1000；
所述的纯水的用量为无水氯化钙的20～50质量倍，优选为22～33质量倍；
所述的甲醇的用量为无水氯化钙的20～50质量倍，优选为22～33质量倍。
一类具备抗癌性能的聚合物，通过上述制备方法制备得到。
所述的具备抗癌性能的聚合物在制备生物医学工程材料中的应用。
具体的，所述的具备抗癌性能的聚合物直接作为抗癌药物的应用。
优选的，所述的具备抗癌性能的聚合物的有效浓度为0.5～5mg/mL，更优选为0.5～2mg/mL，进一步优选为1～2mg/mL。
本发明的机理为：
该类聚合物分子结构内部包含大量双硫键，其可在肿瘤部位还原断裂，从而可以迅速消耗肿瘤细胞内过表达的还原型谷胱甘肽(GSH)。作为一种体内抗氧化剂，GSH阻止了由化学物质(如重金属和药物代谢产物)引起的细胞损伤。肿瘤细胞内的GSH水平相较正常细胞要高出数倍，故而GSH介导的解毒作用是最重要的肿瘤耐药机理之一。因此通过大量消耗细胞内GSH可能会降低肿瘤细胞对化疗药物的耐药性。本发明通过迈克尔加成反应得到含有双硫键的超支化聚酰胺胺(PAAs)，并将利用其特定的药理活性进行抗肿瘤治疗。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)聚合物分子水溶性好、生物相容性好、其代谢产物毒性小。
(2)聚合物分子的大量可修饰基团(氨基)为其进一步功能化提供了反应位点，有利于拓展其在该药物载体领域的应用。
(3)该材料具备谷胱甘肽响应效应性能，可生物降解。
(4)该材料作为潜在的抗肿瘤药物单独使用时即有明显疗效，不需另行装载药物。
(5)该材料的制备方法温和、操作方便，副产物少且产物易于分离纯化，有利于材料的生物相容性。
(6)该材料显正电性，有利于其与细胞的亲和。
(7)该材料所带有的大量氨基可与DNA有效复合，在基因递送方面有潜在的应用。
(8)本发明材料成分简单、原料易得、生物相容性好，表面的大量可修饰功能团为其在制备生物医药工程材料的应用提供支持，有望在生物医学工程材料领域得到广泛应用。
附图说明
图1是实施例5制备得到的N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)的核磁氢谱图。
图2是实施例5制备得到的N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)的凝胶渗透色谱图(GPC)。
图3是阿霉素(DOX)或5-氟尿嘧啶(5-FU)与实施例5所得N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)的体外细胞毒性实验结果图。
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。
实施例1：N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)的合成
将无水氯化钙分别溶于甲醇和纯水中，向N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)中依次加入无水氯化钙的甲醇溶液和水溶液，然后加入N-氨乙基哌嗪，40℃下冷凝回流6h，反应过程中磁力搅拌，转速为300rpm，最后再加入N-氨乙基哌嗪封端6h，调节pH值为4，使用截留分子量为500的透析袋透析3天，冷冻干燥，得到N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)。
所述的N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)与N-氨乙基哌嗪、无水氯化钙的摩尔比为1：0.8：1.8；所述封端时加入的N-氨乙基哌嗪与N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)的摩尔比为0.9：1；所用纯水的量为无水氯化钙的33质量倍，所用甲醇的量为无水氯化钙的33质量倍。
实施例2：N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)的合成
将无水氯化钙分别溶于甲醇和纯水中，向N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)中依次加入无水氯化钙的甲醇溶液和水溶液，然后加入赖氨酸，50℃下冷凝回流12h，反应过程中磁力搅拌，转速为600rpm，最后再加入N-氨乙基哌嗪封端8h，调节pH值为5，使用截留分子量为500的透析袋透析3天，冷冻干燥，得到N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)。
所述的N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)与赖氨酸、无水氯化钙的摩尔比为1：1：2.2；所述封端时加入的N-氨乙基哌嗪与N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)的摩尔比为1.1：1；所用纯水的量为无水氯化钙的22质量倍，所用甲醇的量为无水氯化钙的22质量倍。
实施例3：N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)的合成
将无水氯化钙分别溶于甲醇和纯水中，向N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)中依次加入无水氯化钙的甲醇溶液和水溶液，然后加入PEI-600，50℃下冷凝回流24h，反应过程中磁力搅拌，转速为600rpm，最后再加入N-氨乙基哌嗪封端8h，调节pH值为6使用截留分子量为1000的透析袋透析3天，冷冻干燥，得到N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)。
所述的N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)与PEI-600、无水氯化钙的摩尔比为1：1：2.2；所述封端时加入的N-氨乙基哌嗪与N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)的摩尔比为1.1：1；所用纯水的量为无水氯化钙的22质量倍，所用甲醇的量为无水氯化钙的22质量倍。
实施例4：N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)的合成
将无水氯化钙分别溶于甲醇和纯水中，向N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)中依次加入无水氯化钙的甲醇溶液和水溶液，然后加入精胺，50℃下冷凝回流36h，反应过程中磁力搅拌，转速为600rpm，最后再加入N-氨乙基哌嗪封端8h，调节pH值为5，使用截留分子量为1000的透析袋透析3天，冷冻干燥，得到N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)。
所述的N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)与精胺、无水氯化钙的摩尔比为1：1：2.2；所述封端时加入的N-氨乙基哌嗪与N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)的摩尔比为1.1：1；所用纯水的量为无水氯化钙的22质量倍，所用甲醇的量为无水氯化钙的22质量倍。
实施例5：N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)的合成
将无水氯化钙分别溶于甲醇和纯水中，向N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)中依次加入无水氯化钙的甲醇溶液和水溶液，然后加入N-氨乙基哌嗪，50℃下冷凝回流48h，反应过程中磁力搅拌，转速为600rpm，最后再加入N-氨乙基哌嗪封端8h，调节pH值为5，使用截留分子量为1000的透析袋透析3天，冷冻干燥，得到N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)。
所述的N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)与N-氨乙基哌嗪、无水氯化钙的摩尔比为1：1：2.2；所述封端时加入的N-氨乙基哌嗪与N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)的摩尔比为1.1：1；所用纯水的量为无水氯化钙的22质量倍，所用甲醇的量为无水氯化钙的22质量倍。
实施例6：N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)的合成
将无水氯化钙分别溶于甲醇和纯水中，向N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)中依次加入无水氯化钙的甲醇溶液和水溶液，然后加入N-氨乙基哌嗪，50℃下冷凝回流72h，反应过程中磁力搅拌，转速为600rpm，最后再加入N-氨乙基哌嗪封端8h，调节pH值为5，使用截留分子量为1000的透析袋透析3天，冷冻干燥，得到N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)。
所述的N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)与N-氨乙基哌嗪、无水氯化钙的摩尔比为1：1：2.2；所述封端时加入的N-氨乙基哌嗪与N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)的摩尔比为1.1：1；所用纯水的量为无水氯化钙的22质量倍，所用甲醇的量为无水氯化钙的22质量倍。
实施例7：未封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)的合成
将无水氯化钙分别溶于甲醇和纯水中，向N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)中依次加入无水氯化钙的甲醇溶液和水溶液，然后加入N-氨乙基哌嗪，50℃下冷凝回流36h，反应过程中磁力搅拌，转速为600rpm，随后调节pH值为5，使用截留分子量为1000的透析袋透析3天，冷冻干燥，得到未封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)。
所述的N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)与N-氨乙基哌嗪、无水氯化钙的摩尔比为1：1：2.2；所用纯水的量为无水氯化钙的22质量倍，所用甲醇的量为无水氯化钙的22质量倍。
实施例8：赖氨酸封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)的合成
将无水氯化钙分别溶于甲醇和纯水中，向N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)中依次加入无水氯化钙的甲醇溶液和水溶液，然后加入N-氨乙基哌嗪，50℃下冷凝回流36h，反应过程中磁力搅拌，转速为600rpm，最后再加入赖氨酸封端8h，调节pH值为5，使用截留分子量为1000的透析袋透析3天，冷冻干燥，得到赖氨酸封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)。
所述的N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)与N-氨乙基哌嗪、无水氯化钙的摩尔比为1：1：2.2；所述封端时加入的赖氨酸与N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)的摩尔比为1.1：1；所用纯水的量为无水氯化钙的22质量倍，所用甲醇的量为无水氯化钙的22质量倍。
实施例9：PEI-600封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)的合成
将无水氯化钙分别溶于甲醇和纯水中，向N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)中依次加入无水氯化钙的甲醇溶液和水溶液，然后加入N-氨乙基哌嗪，50℃下冷凝回流36h，反应过程中磁力搅拌，转速为600rpm，最后再加入PEI-600封端8h，调节pH值为5，使用截留分子量为1000的透析袋透析3天，冷冻干燥，得到PEI-600封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)。
所述的N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)与N-氨乙基哌嗪、无水氯化钙的摩尔比为1：1：2.2；所述封端时加入的PEI-600封端与N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)的摩尔比为1.1：1；所用纯水的量为无水氯化钙的22质量倍，所用甲醇的量为无水氯化钙的22质量倍。
实施例10：N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)的核磁表征
将实施例5得到的N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)溶解于重水中进行核磁表征。如图1所示，化学位移在2.3～2.7ppm处的峰对应于N-氨乙基哌嗪上的质子峰；化学位移在2.78、3.04、3.09、3.43ppm处的峰对应于N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)上亚甲基的质子峰；且原N,N'-双(丙烯酰)胱胺(CBA)上碳碳双键上的质子峰消失，说明碳碳双键发生了化学变化。图1结果证明通过迈克尔加成反应成功合成了超支化聚酰胺胺(PAAs)。
实施例11：N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)的分子量表征
将实施例5所得N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺溶于流动相中，使用0.8mol/L的NaNO3水溶液作为流动相，流速为1mL/min，使用凝胶渗透色谱仪进行测试，并以普鲁兰多糖作为标准样。结果如图2所示。经拟合得到的PAAs分子量为22600。
实施例12：N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)对MCF-7/ADR、HCT-8/5-FU细胞(均为癌细胞)和3T3、HUVEC细胞(均为正常细胞)增殖的影响
将阿霉素(DOX)或5-氟尿嘧啶(5-FU)与实施例5所得N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)分别溶解于纯水中，过滤灭菌后分别按照一定的浓度梯度(DOX为0.01mg/mL，5-FU为0.2mg/mL，PAAs为0.01、0.1、0.2、0.5、1、2mg/mL)加入到人体乳腺癌细胞(MCF-7/ADR，市售)、人体结肠癌细胞(HCT-8/5-FU，市售)、小鼠胚胎成纤维细胞(3T3，市售)、人脐静脉内皮细胞(HUVEC，市售)中共培养。24h后，采用CCK-8法测定物质的细胞毒性，结果如图3所示。实施例5得到的N-氨乙基哌嗪封端的超支化聚酰胺胺(PAAs)在最高浓度2mg/mL下对3T3和HUVEC两种正常组织细胞均基本无毒性，但对MCF-7/ADR和HCT-8/5-FU两种肿瘤细胞则表现出很强的细胞抑制效果，表明PAAs可以有选择性的对MCF-7/ADR和HCT-8/5-FU肿瘤细胞表现出明显的抗肿瘤能力，而对3T3和HUVEC正常细胞不造成损伤。
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 (7)
1.一类具备抗癌性能的聚合物在制备抗耐药癌药物中的应用，其特征在于：
所述的具备抗癌性能的聚合物的制备方法，包括以下步骤：
将无水氯化钙分别溶于甲醇和纯水中，向N,N'-双(丙烯酰)胱胺中依次加入无水氯化钙的甲醇溶液和水溶液，然后加入反应物A，冷凝回流，开始反应，最后再加入封端剂封端，或者不封端，调节pH，透析，冷冻干燥，得到含有双硫键的超支化聚酰胺胺，即具备抗癌性能的聚合物；所述的具备抗癌性能的聚合物直接作为抗癌药物；
所述的反应物A包括N-氨乙基哌嗪、赖氨酸、PEI-600或精胺；
所述的具备抗癌性能的聚合物的有效浓度为0.5～5 mg/mL；
所得聚合物的分子量范围为500～500000。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：
所述的N,N'-双(丙烯酰)胱胺与反应物A、无水氯化钙的摩尔比为1：0.3～1.2：1.5～3.0。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：
所述的反应的条件为在搅拌速率300～600rpm下反应6～144h，反应温度40～60℃。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：
所述的封端剂包括N-氨乙基哌嗪、赖氨酸、PEI-600或精胺；
所述的封端剂与N,N'-双(丙烯酰)胱胺的摩尔比为0.3～1.2：1；封端所用时间为4～8h。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：
所述的调节pH指调节溶液pH值至4～6；
所述的透析所使用的透析袋的截留分子量为100～1000；
所述的纯水的用量为无水氯化钙的20～50质量倍；
所述的甲醇的用量为无水氯化钙的20～50质量倍。
6.根据权利要求1～5任一项所述的应用，其特征在于：
所述的具备抗癌性能的聚合物的有效浓度为0.5～2 mg/mL。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：
所述的具备抗癌性能的聚合物的有效浓度为1～2 mg/mL。
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