CN108653732A - pH响应型四氧化三铁纳米粒及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米生物材料领域，公开了一种pH响应型四氧化三铁纳米粒及其制备方法和应用；本发明首先制备表面修饰氨基的Fe₃O₄纳米粒溶液，然后利用天然高分子材料人血红蛋白修饰四氧化三铁纳米粒，制备得到pH响应型四氧化三铁纳米粒；本发明所制备的材料在正常生理条件下表面带负电，可以延长体内循环并且易于被动靶向到类风湿关节炎病灶；由于炎性关节部位的微酸性，该纳米粒子可以实现电荷反转，由负电到正电，易于与呈现负电的细胞膜结合而提高细胞摄取率；用于高效低毒的热疗模式，为类风湿关节炎治疗提供了新的思路。

Description

pH响应型四氧化三铁纳米粒及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于纳米生物材料领域，涉及一种具有pH响应型四氧化三铁（Fe₃O₄-Hb）纳米粒及其制备方法与应用。

背景技术

类风湿关节炎（RA）是一种病因未明的慢性自身免疫性疾病，以炎性细胞在关节滑膜处浸润、滑膜增生、血管翳形成、关节软骨及骨的持续破坏为特征，该病好发于手、腕、足等小关节，主要表现为受累关节疼痛、肿胀和功能下降，严重者导致关节活动障碍及畸形。该病致残率高，未经治疗的3年致残率高达70%以上，给家庭和社会带来巨大负担。

目前针对类风湿关节炎的治疗主要有以下几种方法：（1）化学治疗；利用化学药物如单克隆抗体、免疫抑制剂抑制炎症因子及免疫细胞活化，治疗效果并不能尽如人意，可引起显著的系统性毒副作用。（2）手术治疗；如关节冲洗联合镜下滑膜切除术、人工关节置换术。对已形成的关节破坏和畸形发挥不了有效作用，手术后关节破坏和病变继续发展，同时伴随着机体的排斥免疫、神经损伤以及静脉栓塞的形成。（3）物理疗法；以热疗、冷疗和电疗等方式无创促进炎症消散及增生组织血液循环，缓解RA局部症状。但物理疗法仅局限于麻痹神经缓解疼痛，无法从根本上杀伤增生性滑膜细胞。

光热治疗是一种继手术、放化疗之后出现的新型治疗方法。光热治疗技术是利用光热转换材料把近红外光的能量转化为热能的一种微创技术，光热疗法在对癌症的治疗中可以实现局部过高热进而杀伤癌细胞，而对正常的细胞没有损坏，并可通过从消融的肿瘤细胞残基中产生肿瘤缔合剂来产生抗肿瘤免疫效应，是一种更加安全、高效的肿瘤治疗手段。

四氧化三铁（Fe₃O₄）作为一种具有良好生物相容性的材料，目前广泛应用于生物研究领域，包括：磁共振成像（MRI）、磁靶向药物传递、磁热疗等。Fe₃O₄除了具有以上多种功能外，还具有与金纳米囊相当的光热性能，可作为优良光敏剂应用于光热治疗（PTT）领域。此外，Fe₃O₄粒径大小可控，而不同粒径纳米粒包括PLGA纳米粒、金纳米粒等均可利用RA病灶处类似肿瘤的增强的保留和渗透效应（EPR）效应有效到达炎症部位，因此Fe₃O₄在RA的光热治疗中具有良好的应用前景，但还没有这方面的研究报道。

发明内容

本发明所要解决的问题是为了克服现有技术中针对类风湿关节炎的治疗效果不够理想，毒副作用大，容易引起自身排斥反应，而目前尚缺少一种光热材料可作为光热治疗中的光热剂应用于治疗类风湿关节炎中的技术问题，提供了一种pH响应型四氧化三铁（Fe₃O₄-Hb）纳米粒及其制备方法与应用。

本发明提供以下技术方案解决上述技术问题：

一方面，本发明提供一种pH响应型四氧化三铁（Fe₃O₄-Hb）纳米粒，所述纳米粒的Hb层厚度为5~15nm。所述纳米粒可以根据生理环境pH值变化来自动调整表面电位，实现智能响应生理环境pH值变化；即从体循环正常pH值下的表面负电荷到炎性关节部位微酸环境下的表面正电荷的转变，提高与呈负电细胞膜的亲和性，实现病灶处增生细胞的大量摄取；并作为光热剂响应近红外光照光热消融增生性细胞，以到达光热治疗类风湿关节炎的目的。

另一方面，本发明提供一种pH响应型四氧化三铁纳米粒的制备方法，包括如下步骤：

取人血红蛋白溶液，加入碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺，在室温下反应15min后加入β-巯基乙醇终止EDC；加入表面修饰氨基的Fe₃O₄纳米粒溶液并在室温下反应2h；反应结束后，外加磁场反复洗涤产物，制得pH响应型四氧化三铁（Fe₃O₄-Hb）纳米粒。

所述的人血红蛋白（Hb）溶液与表面修饰氨基的Fe₃O₄纳米粒溶液的体积比为0.5~1.5mL ：10mL；其中人血红蛋白溶液浓度为1mg/mL，表面修饰氨基的Fe₃O₄纳米粒溶液浓度为1mg/mL。

进一步，所述的人血红蛋白溶液与表面修饰氨基的Fe₃O₄纳米粒溶液的体积比为1mL ：10mL。

所述的EDC和NHS的量分别为2mM和5mM，所述的 β-巯基乙醇为1.4µL 。

如上述pH响应型四氧化三铁纳米粒的制备方法制备的pH响应型四氧化三铁（Fe₃O₄-Hb）纳米粒的Hb层厚度为5~15nm；进一步，优选厚度为9nm。

再一方面，本发明提供所述的pH响应型四氧化三铁（Fe₃O₄-Hb）纳米粒可作为光热剂应用于类风湿关节炎的光热治疗。具体用法包括如下步骤：

(1) 胶原诱导的类风湿关节炎模型的建立：在小鼠足爪垫皮内注射50µL牛二型胶原乳化液，并于2周后以相同剂量加强免疫一次。

(2) 在第0、5、10、15天，尾静脉注射Fe₃O₄-Hb纳米粒至小鼠模型体内，24h后予以近红外光（808nm、1.5W/cm²）照射炎症部位5min。

与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

与现有技术相比，本发明通过酰胺化反应枝接天然高分子材料人血红蛋白，制成pH响应型四氧化三铁（Fe₃O₄-Hb）纳米粒。其可以根据生理环境pH值变化来自动调整表面电位，毒性低，生物相容性好，光热转换效率高。

本发明所述纳米粒在正常生理条件下表面带负电，可以延长体内循环并且易于被动靶向到类风湿关节炎病灶；由于炎性关节部位的微酸性，该纳米粒子可以实现电荷反转：由负电到正电，易于与呈现负电的细胞膜结合而提高细胞摄取率。所述纳米粒有良好的近红外光吸收性质，能高效的将光能转换为热能，近红外光照射下，可以实现光热消融增生细胞，有效缓解类风湿关节炎的炎性症状，在制备治疗类风湿性关节炎药物中的有良好的应用前景。

更进一步的，本发明所述的纳米粒为探索光热治疗类风湿关节炎提供了新的思路。可作为非治疗目的的光热治疗中的光热剂，用于获取类风湿性关节炎的信息。

附图说明

图1为本发明制备的pH响应型四氧化三铁（Fe₃O₄-Hb）纳米粒的透射电镜（TEM）表征结果，图中，（A）为Fe₃O₄纳米粒；（B）为Fe₃O₄-Hb纳米粒（Hb层厚度为5nm）；（C）为Fe₃O₄-Hb纳米粒（Hb层厚度为9nm）；（D) 为Fe₃O₄-Hb纳米粒（Hb层厚度为15nm）。

图2为实施例3中pH响应型四氧化三铁（Fe₃O₄-Hb）纳米粒随pH值变化的表面电位结果。

图3为实施例3中pH响应型四氧化三铁（Fe₃O₄-Hb）纳米粒的光热转换性能结果图。

图4为实施例3中pH响应型四氧化三铁（Fe₃O₄-Hb）纳米粒在不同pH值条件下的光热毒性效果图。

图5为实施例3中pH响应型四氧化三铁（Fe₃O₄-Hb）纳米粒不同pH值条件下细胞的摄取结果图。

图6为建立类风湿关节炎小鼠模型，图A为不同时间点下关节炎指数直方图；图B为滑膜组织病理切片图。

图7显示治疗第30天后，各治疗组小鼠滑膜组织的病理切片图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明的技术方案作进一步详细说明。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用滑膜细胞购买自上海冠导生物工程有限公司生产的HFLS-RA(类风湿关节炎成纤维样滑膜细胞)；实施例中所用材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1:

四氧化三铁纳米粒制备及表征：

称取0.5g四水合氯化亚铁（FeCl₂·4H₂O），将其溶解于25mL去离子水中，在磁力搅拌仪中搅拌（3000-3500r/min）溶解，待其完全溶解后，迅速加入2.5mL浓氨水（NH₃·H₂O），在室温下伴随搅拌氧化10min，然后加入0.02mg/mL聚乙烯亚胺（PEI）醇溶液5mL，继续搅拌5min。将混合溶液置于反应釜中，120℃反应3h。反应完毕后产物利用外加磁场收集黑色沉淀，并用乙醇和去离子水洗涤数次，得到表面修饰氨基的四氧化三铁（Fe₃O₄）纳米粒；利用透射电镜TEM（JEM-100CXII）表征其形貌。图1A所示制备的Fe₃O₄纳米粒形态均一，多为球型，粒径为130-135nm.

实施例2：

pH响应Fe₃O₄-Hb纳米粒的制备（Hb层厚度为5nm）及表征：

取0.5mL 1mg/mL的人血红蛋白（Hb）溶液，加入2mM的EDC和5mM的NHS，在室温下反应15min。然后加入1.4µL β-巯基乙醇终止EDC作用。加入10mL四氧化三铁纳米粒溶液（1mg/mL），室温下反应2h。反应结束后，外加磁场反复洗涤产物，获得pH响应Fe₃O₄-Hb纳米粒。利用透射电镜TEM（JEM-100CXII）表征其形貌，如图1B所示形态均一，呈球型，Hb层厚度为5nm。

实施例3：

pH响应Fe₃O₄-Hb纳米粒的制备（Hb层厚度为12nm）及表征：

取1mL 的1mg/mL的人血红蛋白（Hb）溶液，（其余同实施例2）。利用透射电镜TEM（JEM-100CXII）表征其形貌，如图1C所示形态均一，呈球型，Hb层厚度为9nm。

实施例4：

pH响应Fe₃O₄-Hb纳米粒的制备（Hb层厚度为15nm）及表征：

取1.5mL的 1mg/mL的人血红蛋白（Hb）溶液，（其余同实施例2）。利用透射电镜TEM（JEM-100CXII）表征其形貌，如图1D所示形态均一，呈球型，Hb层厚度为15nm。

实施例5：

pH响应Fe₃O₄-Hb纳米粒在不同pH值条件下表面电位的测定：

将制备的Fe₃O₄-Hb纳米粒分散于pH值分别为6、6.8、7.0、7.4和8.0的磷酸盐缓冲液（PBS）中，利用马尔文Zeta电位仪来测量纳米粒在不同pH值下的表面电位。如附图2所示，随着pH值的降低，纳米粒表面电位逐渐由负电转为正电。当pH值由7.4转变为 7.0时，纳米粒的表面电位由-13.5mV 升高至3.08mV。表明了该纳米粒可在生理条件下实现长循环，并能够在关节炎病灶处的微酸环境中实现了电荷反转以提高细胞摄取。

实施例6：

pH响应Fe₃O₄-Hb纳米粒在近红外光照下的光热转换效率：

将制备的Fe₃O₄-Hb纳米粒制备成浓度为0、30、75、150、300µg/mL的悬浮液，利用808nm激光器在1.5W/cm²的输出功率下照射5min，借助热电偶每隔30s测量悬浮液实时温度，并绘制升温曲线。

结果如附图3所示，照射5min 后，当Fe₃O₄-Hb纳米粒的质量浓度从30μg/mL增加到400μg/mL，其溶液的温度从38.5℃增大到52.9℃，说明Fe₃O₄-Hb 纳米粒的光热转换性能与其浓度成正相关。而PBS在同样条件下，温度仅上升9.4℃。以上结果说明Fe₃O₄-Hb纳米粒具有良好的近红外光吸收性质，能高效的将光能转换为热能。

实施例7：

MTT法考察pH响应Fe₃O₄-Hb纳米粒的光热毒性：

取对数生长期的滑膜细胞，按照每孔5×10³个细胞接种于96孔板中，然后置于37℃、含5% CO₂ 的细胞培养箱中培养。24h后，用100µL含质量浓度为100µg/mL的Fe₃O₄-Hb纳米粒的pH值分别为6.8和7.4的新鲜培养液替换原培养液，空白组仅用pH值分别为6.8和7.4的新鲜培养液替换原培养液。在37℃、5% CO₂条件下孵育4h，洗去未被细胞摄取的纳米粒，808nm激光器在1.5W/cm²的输出功率下每孔照射3min，继续培养20h后，再次吸出培养液，并用 PBS洗涤3遍，之后每孔各加入MTT（1mg/mL）100µL，培养4h后移去。然后每孔加入二甲基亚砜150µL，震荡10min后，采用酶标仪测定每孔在570nm处吸光度值。每个pH值设置6个复孔，实验重复3次。

结果如附图4所示，与空白组对比，细胞在摄取Fe₃O₄-Hb纳米粒后进行激光照射，其细胞存活率明显下降，说明Fe₃O₄-Hb纳米粒能够很好的执行光热消融作用，对滑膜细胞的生长具有明显的抑制作用。明显地，在pH值为6.8的细胞孔中，联合激光照射后，其细胞存活率为49.2% 明显低于pH值为7.4的细胞孔（60.2%），表明在相同时间下，细胞在pH值6.8的条件下能够相对更多的摄取Fe₃O₄-Hb纳米粒，因此造成较大的光热毒性。

实施例8：

激光共聚焦显微镜观察Fe₃O₄-Hb纳米粒在不同pH值下的细胞摄取：

利用异硫氰酸荧光素（FITC）标记Fe₃O₄-Hb纳米粒，制备Fe₃O₄-Hb-FITC荧光纳米粒（绿色荧光）。取对数生长期的滑膜细胞，用胰蛋白酶消化后制成细胞悬浮液，按照每孔 5×10⁴个细胞接种于内含盖玻片的 6 孔板中，然后置于 37℃、含 5% CO₂ 的细胞培养箱中培养。待 24h 细胞贴壁后，分别用pH值6.8、7.4的含有Fe₃O₄-Hb-FITC荧光纳米粒（50µg/mL）的新鲜培养液替换原培养液。继续培养1h 后吸出培养液，并用 PBS 洗涤 3 遍。Hoechst 33342（10µg/mL，15min）染色。PBS 洗涤 3 遍后，加入4%多聚甲醛固定30min，PBS 洗涤后取出盖玻片用树脂封片，最后置于激光共聚焦显微镜下观察。

结果如附图5所示，在pH为6.8的条件下，细胞中的绿色荧光强度明显高于pH 7.4条件下的荧光强度，说明Fe₃O₄-Hb纳米粒在偏酸性条件下更容易被细胞摄取。这是因为pH响应型四氧化三铁（Fe₃O₄-Hb）纳米粒在低pH条件下，表面带正电，因此易于被表面带负电的细胞摄取。

实施例9：

胶原诱导的类风湿关节炎模型的建立：

将酸可溶性牛二型胶原溶于0.5mol/ L的醋酸溶液中，于4℃搅拌过夜，使牛二型胶原充分溶解，然后加入等体积的弗氏完全佐剂将其充分混匀乳化配成牛二型胶原浓度为2.5mg/mL的乳剂，按每只小鼠50µL乳剂于左后足爪垫皮内免疫，于第14天再按同法免疫1次。基于爪肿胀和临床关节炎评分来观测小鼠足爪关节炎发作迹象。测定标准如下，共分为五级：Ⅰ级：无红肿，计0分；Ⅱ级：足小趾关节红肿，计1分；Ⅲ级：趾关节、足跖部均红肿，计2分；Ⅳ级：踝关节以下均红肿，计3分；Ⅴ级：包括踝关节全部红肿，计4分。每只小鼠由两名独立的观察员进行分级，并对这些级别进行总结，最后相加得总计分。剥离正常和模型小鼠的滑膜组织，置于多聚甲醛溶液中固定，石蜡包埋、切片，进行染色并观察组织病理学改变。

结果如附图6所示，随着免疫时间的延长，关节炎指数评分逐渐增大，并于25天后基本保持稳定。滑膜组织病理组织切片结果显示，模型组滑膜出现明显的炎性细胞浸润（green arrow）和病理性血管增生（blue arrow）。

实施例10：

pH响应型四氧化三铁（Fe₃O₄-Hb）纳米粒的体内光热治疗效果：

当临床关节炎评分为8-10时，将关节炎小鼠模型随机分为Ga：生理盐水组，Gb：生理盐水 + 激光组，Gc：Fe₃O₄-Hb纳米粒组，Gd：Fe₃O₄-Hb + 激光组（每组6只小鼠）。按上诉方案对小鼠在第0、5、10、15天执行尾静脉注射，并在注射后的第二天对类风湿关节炎病灶进行激光照射（1.5W/cm² _、5min）。在第30天处死小鼠，对滑膜组织H&E染色后，观察治疗效果。

结果如附图7显示，与处理组Ga、Gb和Gc相比，Gd（Fe₃O₄-Hb +激光组）的小鼠病理切片结果表明，Fe₃O₄-Hb + 激光组显示炎性细胞浸润明显减弱（green arrow）和病理性血管增生消退（blue arrow）。因此，基于pH响应型四氧化三铁（Fe₃O₄-Hb）纳米粒的光热剂能够消融增生性滑膜，对类风湿关节炎具有明显的抑制作用。

申请人声明，本发明并不局限于实施例中所描述的技术，它的描述是说明性的，并非限制性的，本发明的权限由权利要求所限定，基于本技术领域人员依据本发明所能够变化、重组等方法得到的与本发明相关的技术，都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种pH响应型四氧化三铁纳米粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:

取人血红蛋白溶液，加入碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺，在室温下反应15min后加入β-巯基乙醇终止EDC；加入表面修饰氨基的Fe₃O₄纳米粒溶液并在室温下反应2h；反应结束后，外加磁场反复洗涤产物，制得pH响应型四氧化三铁（Fe₃O₄-Hb）纳米粒。

2. 根据权利要求1 所述的pH响应型四氧化三铁纳米粒的制备方法，其特征在于，所述的人血红蛋白溶液与表面修饰氨基的Fe₃O₄纳米粒溶液的体积比为0.5~1.5mL ：10mL；其中人血红蛋白溶液浓度为1mg/mL，表面修饰氨基的Fe₃O₄纳米粒溶液浓度为1mg/mL。

3. 根据权利要求2所述的pH响应型四氧化三铁纳米粒的制备方法，其特征在于，所述的人血红蛋白溶液与表面修饰氨基的Fe₃O₄纳米粒溶液的体积比为1mL ：10mL。

4. 根据权利要求1 所述的pH响应型四氧化三铁纳米粒的制备方法，其特征在于，所述的EDC和NHS的量分别为2mM和5mM，所述的β-巯基乙醇为1.4µL 。

5. 如权利要求1 所述的制备方法制备的pH响应型四氧化三铁纳米粒，其特征在于，所述纳米粒的Hb层厚度为5~15nm。

6.根据权利要求5所述的pH响应型四氧化三铁纳米粒，其特征在于，所述纳米粒的Hb层厚度为9nm。

7.根据权利要求5所述的pH响应型四氧化三铁纳米粒作为非治疗目的的光热治疗中的光热剂，用于获取类风湿性关节炎的信息。

8.根据权利要求5所述的pH响应型四氧化三铁纳米粒在制备治疗类风湿性关节炎药物中的应用。