CN108904811B - 适配体修饰的二氧化硅纳米药物的制备及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于适配体修饰的中空介孔二氧化硅共载质粒的多功能纳米药物的制备及其应用。具体制备方法为：先选取生物相容性良好的中空介孔二氧化硅（HMSN,HM）为药物载体，首先对索拉非尼（Sorafenib,S）进行装载，通过非共价键方式在其表面包裹适配体anti‑EpCAM功能化的PAMAM（P‑aE），进一步通过静电力在PAMAM外吸附EGRF‑sgRNA/Cas9（E）质粒，从而得到所述多功能纳米药物SE@HM/P‑aE。该多功能纳米药物改善了索拉非尼的水溶性，提高了索拉非尼的生物利用度及基因治疗质粒的转染效率，进一步提高两者的协同抗肿瘤效果，为肿瘤治疗提供了新思路。

Description

适配体修饰的二氧化硅纳米药物的制备及其应用
技术领域
本发明属于生物医药技术领域，具体涉及一种基于适配体修饰的中空介孔二氧化硅共载质粒的多功能纳米药物的制备及其应用。
背景技术
肝癌是一种发病率及死亡率较高的最常见的原发性恶性肿瘤，据数据统计每年新增病例近70万，居恶性肿瘤的第三位。目前肝癌的治疗手段主要有手术、放化疗等，其化疗在肝癌治疗过程中尤为重要。临床治疗肝癌的药物众多，但传统化疗药物对肿瘤的靶向性低，副作用大。
索拉非尼（Sorafenib）是世界上首个小分子类多靶点的抗肿瘤口服药物，也是现今唯一认可用于治疗肝癌晚期患者的药物，在其抗肝癌方面具有显著的疗效。但是索拉非尼水溶性很低，其生物利用度不高，在用药过程中会诱发一系列的相应的治疗的副作用及不良反应等问题。
基因编辑技术是一项目前现代生物医学新型技术，是一种通过人工手段对DNA进行有针对性修饰从而达到改变生物表型为目的的技术。CRISPR/Cas9基因编辑系统是第三代基因编辑技术因具有较高的靶向性及高效的基因编辑效率，使得越来越多的研究者尝试将该技术应用于肿瘤研究领域，同时也显示出了巨大的潜力。
目前，经过数十载纳米医药技术的发展，基于纳米技术的药物递送系统逐渐显现出巨大的应用潜力。纳米载体种类繁多，而中空介孔二氧化硅（HMSN）由于其载药量更高、生物相容性更好、高度有序且孔径可控等优点逐渐成为纳米载药系统中运用比较广泛的载体。基于HMSN的种种优点，近年来国内外研究学者以HMSN为药物载体，对肿瘤同时进行PDT及光热治疗（PTT），及基因疗法-化疗、光疗-化疗-成像的多模式诊治已经开展了广泛的研究，并取得了重要的研究成果，均显示出良好的应用前景。
适配体的结构碱基是由短的DNA或RNA寡核苷酸组成，通过互补序列的杂交形成复杂的三级或四级结构和靶标（蛋白质、核酸、多肽、金属离子等）能够更高亲和力及高特异性的结合，并且具有低免疫原性、易修饰等优点。聚酰胺-胺树状大分子（PAMAM）是当前在蓬勃发展的新型合成高分子，因其许多独特的性质引起了众多研究者的关注。PAMAM中有大量含N的官能团而且内部具有可变的空腔，具有良好的相容性、分子本身具有纳米尺寸和易修饰等特点。
基于以上研究背景，本发明制备了一种基于适配体修饰的中空介孔二氧化硅共载索拉非尼和EGRF-sgRNA/Cas9质粒的多功能纳米给药系统，既克服了索拉非尼的水溶性差缺陷，又利用了适配体与PAMAM的偶联物修饰其载体表面增强了药物对癌细胞的靶向，提高了药物利用度。通过基因治疗和化疗联用使药物双重靶向富集于肿瘤细胞，从而有效的提升其临床应用价值。检索国内外相关文献及专利结果表明：基于适配体修饰的中空介孔二氧化硅共载索拉非尼和EGRF-sgRNA/Cas9质粒的多功能纳米给药系统的制备，尚未报道。
发明内容
本发明的目的在于构建具有良好生物相容性的新型化疗药物和基因药物共传递系统，以化疗药物sorafenib（S）和靶向基因EGFR-sgRNA/Cas9质粒（E）为模型药物，并以适配体anti-EpCAM（aE）与PAMAM（P）的偶联物（P-aE）修饰，构建了一种共载sorafenib与质粒的靶向药物输送系统(SE@HM/P-aE)，改善索拉非尼的水溶性、生物利用度，提高肿瘤细胞对索拉非尼的敏感度，进一步提高两者协同抗癌作用。
为实现上述目的，本发明通过如下技术方案：
一种基于适配体修饰的中空介孔二氧化硅共载质粒的多功能纳米药物的制备方法，先将中空介孔二氧化硅（HMSN）装载索拉非尼（S），再通过非共价键方式将anti-EpCAM适配体（aE）与PAMAM（P）的偶联物（P-aE）修饰其表面，再通过静电吸附作用装载EGFR-sgRNA/Cas9质粒（E），制得所述基于适配体修饰的中空介孔二氧化硅共载质粒的多功能纳米药物，记为SE@HM/P-aE，具体包括以下步骤：
1）制备负载索拉非尼的中空介孔二氧化硅纳米颗粒，记为S@HMSN；
2）首先将PAMAM-G1、1-（3-二甲基氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）溶于水中，随后滴加anti-EpCAM适配体（aE），反应4h，然后选用10Kd的超滤管出去未反应的PAMAM-G1，制得anti-EpCAM适配体与PAMAM的偶联物，记为P-aE偶联物；
3）将步骤1）中制备的S@HMSN以及步骤2）中所制备的P-aE偶联物用二次水充分溶解混合，磁力搅拌4h，即得到S@HM/P-aE；
4）将步骤3）中制备的S@HM/P-aE，使其超声重悬在二次水中，然后加入EGFR-sgRNA/Cas9质粒（E），低速搅拌过夜，即制得SE@HM/P-aE。
步骤1）中所述索拉非尼与中空介孔二氧化硅纳米颗粒的质量之比为4:5。
步骤2）中，按质量比计，aE：EDC：NHS=30：12：9；aE与PAMAM-G1的摩尔比为1:10。
步骤3）中所述的S@HMSN与P-aE偶联物的质量之比为3000:1。
步骤4）中所述的S@HM/P-aE与EGFR-sgRNA/Cas9质粒的质量之比为5：1。
所述EGFR-sgRNA/Cas9质粒的制备方法为：通过所设计的靶向基因EGFR-sgRNA与CRISPR/Cas9质粒PX458酶切连接形成；所述靶向基因EGFR-sgRNA的序列为：TGAACCGCACGGCGCCATGC。
本发明的作用原理：
1、中空介孔二氧化硅纳米颗粒是良好的药物递送载体，不仅能靶向识别肿瘤细胞还具有较高的生物相容性；
2、该anti-EpCAM适配体修饰的纳米粒可通过肿瘤细胞表面EpCAM蛋白特异性识别，增强其药物的靶向性；
3、利用基因治疗抑制肿瘤EGFR基因的高表达，增加化疗药物的敏感性。通过共载系统的使用有效改善了肿瘤的耐药性。
本发明的优点在于：
1、本发明以中空介孔二氧化硅为载体，以anti-EpCAM适配体与PAMAM偶联物进行修饰，可改善sorafineb水溶性差的缺点，增强其药物的靶向性，提高其生物利用度；
2、本发明采用的适配体作为靶向分子，利用其能与肝癌细胞表面高表达的EpCAM蛋白特异性结合的特点，能使利用中空介孔二氧化硅载体负载的sorafineb在肝癌细胞周围富集，并能显著提高细胞对药物的摄取；
3、共载化疗药物sorafenib与EGFR-sgRNA/Cas9质粒多功能靶向递送系统不仅提高质粒的转染效率及肿瘤细胞对sorafenib的敏感性，而且较低的毒副作用；
4、本发明所构建的纳米载药系统也适用于除索拉非尼外的其他毒副作用大或者难溶性的抗癌药物，能够形成稳定均一的纳米粒，均在200nm以下，具有一定的pH响应性；
5、本发明所涉及的纳米给药系统制备方法简单、材料易得，有利于进一步扩大制备产量。
附图说明
图1为S@HM以及S@HM/P-aE纳米颗粒中的Sorafenib在不同pH下的释放曲线；
图2为实施例3所制备的SE@HM/P-aE粒径分布图（A）及电势图（B）；
图3为实施例3所制备的SE@HM/P-aE与对照质粒的凝胶电泳图；
图4为实施例6所制备的SE@HM/P-aE孵育细胞与对照质粒转染细胞后的荧光图。
图5为实施例7不同纳米实验组别在不同浓度下对HepG2、Huh-7细胞的毒性实验。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1 负载索拉非尼的中空介孔二氧化硅纳米颗粒（S@HMSN）的制备
1)dSiO2纳米粒的合成
取30 mL乙醇、5mL 二次水置于干净的100 mL园底烧瓶中，然后加入0.8 mL的氨水，在室温下磁搅拌10~20min，随后，逐滴滴加1 mL正硅酸四乙酯（TEOS），继续磁搅拌1h，观察反应液颜色。取出反应液，用乙醇和水反复清洗3次，既得所制备的dSiO2纳米粒。
2)SiO2@HMSN纳米粒的合成
称取2.4g的十六烷基三甲基氯化铵（CTAC），20mg的三乙醇胺，加入20mL的超纯水于50mL的干净圆底烧瓶中，室温搅拌1h。随后，加入10mL上述实验制备的dSiO2纳米粒，继续搅拌1h。然后混合纳米粒溶液油浴加热至80℃，再缓慢逐滴滴加150μL的TEOS，继续保持温度在80℃，磁力搅拌30 min后，获得SiO2@HMSN纳米粒。
3)HMSN纳米粒的合成
将上述SiO2@HMSN纳米粒溶液和油浴锅温度降至50℃，称取636mg的碳酸钠加入上述溶液中，磁力搅拌30~60 min。之后12000rpm 4℃高速离心30min，用超纯水洗3次，然后为去除纳米粒中的CTAC，将上述离心获得的沉淀用30mL 1%的氯化钠甲醇溶液重新悬浮，室温搅拌12h，然后重新换用的1%氯化钠甲醇溶液，连续3次，然后用超纯水洗涤3次，最后冷冻干燥获得HMSN粉末。
4)HMSN-COOH纳米粒的合成
首先，精确称取100mg的HMSN于50mL的圆底烧瓶中，然后，取30mL甲苯加入圆底烧杯中，超声30min使其完全溶解，加入150μL的APTES，油浴加热至85℃，反应2.5h，12000rpm高速低温离心15min，用乙醇洗3次，再用水洗3次，取出部分溶液，测其粒径和PdI及电荷，之后冷冻干燥获得HMSN-NH2粉末。然后，取50mg的HMSN-NH2粉末用20mL的无水乙醇复溶，再加入40mg的丁二酸酐（AS），超声至其完全溶解，室温搅拌过夜，高速低温离心，取沉淀物用乙醇和水分别洗3次，测最后冷冻干燥获得HMSN-COOH粉末。
5)负载有索拉非尼的中空介孔二氧化硅纳米颗粒（S@HM）的制备
首先，称取HMSN-COOH粉末100mg，超声使其重新悬浮在20mL的甲醇溶液中。然后，加入80mg的sorafenib粉末，超声溶解。最后，搅拌过夜，高速离心，既得S@HM纳米颗粒。
实施例2适配体修饰的负载有索拉非尼的的中空介孔二氧化硅纳米粒(S@HM/P-aE)的制备
1)适配体功能化的树枝状分子的偶联
首先，精确称取15mg的PAMAM-G1于20mL的圆底烧瓶中，然后称取EDC 6mg以及4.5mg的NHS，然后取5mL二次水加入圆底烧杯中，使其完全溶解，随后滴加100μL的anti-EpCAM（aE）适配体（10mM），反应4h，然后选用10Kd的超滤管出去未反应的PAMAM，即得P-aE偶联物。
2)适配体修饰的负载有索拉非尼的的中空介孔二氧化硅纳米粒(S@HM/P-aE)的制备
精确量取45g S@HM或HMSN-COOH于的100mL圆底烧瓶中，然后加入15mg的P-aE，用20mL的二次水充分溶解，磁力搅拌反应4h，即得S@HM/P-aE或HM/P-aE。
实施例3共载化疗药物索拉非尼与基因治疗药物EGRF-sgRNA/Cas9质粒的多功能靶向递送纳米系统的制备
取S@HM/P-aE或HM/P-aE纳米粉末10mg，使其超声重悬在2mL二次水中，然后加入2mg的EGFR-sgRNA/Cas9质粒（E），低速搅拌过夜，即获得SE@HM/P-aE或E@HM/P-aE纳米。
实施例4索拉非尼体外释放曲线的测定
1)负载有索拉非尼药物的适配体修饰的中空介孔二氧化硅纳米粒(S@HM/P-aE)的包封率和载药量测定
取1 ml 制备好的(S@HM/P-aE)纳米粒，12000 r/min离心10分钟后取上清检测游离的sorafineb，计算包封率和载药量。
包封率=（投入sorafineb量-上清液sorafineb量）/投入sorafineb量*100
载药量=（投入sorafineb量-上清液sorafineb量）/纳米粒总量*100
计算得负载有索拉菲尼的介孔二氧化硅纳米粒(S@ HM/P-aE)的包封率和载药量分别为65 %和38.4 %。
2)负载有索拉非尼药物的适配体修饰的中空介孔二氧化硅纳米粒(S@ HM/P-aE)的体外释放曲线
取实施例1制备的S@HM和实施例2制备的S@ HM/P-aE，分别悬浮在2 mL pH=7.4及pH=5.0的PBS缓冲液中，37℃下恒温震荡进行体外释放实验。在不同时间取1 mL样液采用紫外分光光度计检测上清液中的sorafineb浓度，绘制累积释放百分比与时间的关系图。
如图1所示，S@HM在不同的pH下，sorafenib的释放行为几乎没有差别。然而，S@HM/P-aE在酸性条件下累积释放量明显低于在中性条件下，两种条件下在初期阶段快速释放，随后缓慢释放，当达到最大值后不再变化。其中，在pH=5.0时，sorafenib从S@HM/P-aE的释放速率略快，在12h时累积释放量就达到了60%，最大累积释放量在24h趋于稳定，总计约75%。而在pH7.4时，24h累积释放量仅有21%，最大释放量为34%。结果表明，S@HM/P-aE纳米具有一定的酸响应性，在机体的正常生理环境下可减少sorafenib的释放，减少对机体的毒性。
实施例5 粒径及电势测试
取实施例3制得的SE@HM/P-aE部分溶液进行测粒径以及电势，如图2可知，SE@HM/P-aE纳米的粒径为211.0nm，且较为均一，电势为-19.6mV。
实施例6基于适配体与PAMAM偶联物修饰的多功能纳米递送系统SE@HM/P-a转染效率
本实验使用HepG2细胞作为实验对象，以经典转染载体lipo 3000作为对照组，实施例3制备的E@HM/P-aE纳米作为实验组进行转染实验。结果如图4所示，HepG2细胞使用Lipo3000转染作用24h，通过观察质粒自身转染的GFP蛋白的荧光，可知，转染效率较低，仅显示细胞出现绿色荧光；而质粒经E@HM/P-aE纳米系统携带孵育HepG2细胞后，绿色荧光的细胞明显增多，表明E@HM/P-aE纳米显著地提高了质粒的转染效率。
实施例7体外细胞活性检测
待细胞在底部覆盖约90%时，用胰酶将其消化，然后接种于96孔培养板中，每孔细胞大概8000个，置于37℃、5%的CO2的培养箱中过夜，弃去培养基，加入含有药物（sorafenib、S@HMSN、EGFR-sgRNA/Cas9、Mix（S@HMSN+ EGFR-sgRNA/Cas9）、SE@HM/P及SE@HM/P-aE）或纳米载体（HMSN、HM/P-aE）的培养基100μL，继续培养24h后，弃掉培养基，加入100μL的含有1% MTT的无血清无酚红RPMI-1640培养基，继续培养4h。然后弃掉培养基，加入100μL的二甲基亚砜，摇床上震荡10min，使甲瓒完全溶解，最后使用酶标仪在570nm波长处，检测各孔的吸收值，计算细胞的存活率。
选用肝癌细胞HepG2及Huh7进行SE@HM/P-aE纳米的毒性作用研究。从图5中的A中可知，各给药组对肿瘤细胞均具有一定的杀伤作用，且呈浓度依赖性，质粒单独作用组其对细胞几乎为表现出毒性作用，主要因为质粒的转染效率非常低，在很高的质粒浓度作用下，细胞存活率仍在85%左右。其中，纳米组（S@HMSN、SE@HM/P、SE@HM/P-aE）对细胞的毒性作用均大于游离sorafenib组，且SE@HM/P对肿瘤细胞的杀伤作用明显强于Mix组。由此表明，纳米能够提高疏水性药物sorafenib的摄取量及质粒EGFR-sgRNA/Cas9的转染效率，以提高质粒与药物sorafenib的协同作用。另外，SE@HM/P-aE纳米组的毒性最强，在25μg/mL浓度作用下，HepG2的24h后存活率仅有25%，并且其毒性作用明显高于SE@HM/P（存活率36%），表明适配体Anti-EpCAM的修饰进一步提高了纳米药物的靶向性，使其可以特异性地识别肿瘤细胞，增加细胞对药物的摄取量，从而发挥更好的协同治疗作用。从图5中的B中可以看出，纳米药物对于Huh-7细胞的毒性作用类似于HepG2细胞，均是纳米组作用效果较为满意，主要是纳米药物可以提高细胞的摄取量，发挥更好的效果；靶向性修饰使细胞进一步提高摄取量，增强药物的毒性作用。
SEQUENCE LISTING
<110> 福州大学
<120> 一种基于适配体修饰的中空介孔二氧化硅共载质粒的多功能纳米药物的制备
及其应用
<130> 1
<160> 1
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 20
<212> DNA
<213> EGFR-sgRNA
<400> 1
tgaaccgcac ggcgccatgc 20

Claims (5)

1.一种基于适配体修饰的中空介孔二氧化硅共载质粒的多功能纳米药物的制备方法，其特征在于：先将中空介孔二氧化硅装载索拉非尼，再通过非共价键方式将anti-EpCAM适配体与PAMAM的偶联物修饰其表面，再通过静电吸附作用装载EGFR-sgRNA/Cas9质粒，制得所述基于适配体修饰的中空介孔二氧化硅共载质粒的多功能纳米药物，记为SE@HM/P-aE；
所述制备方法包括了以下步骤：
（1）制备负载索拉非尼的中空介孔二氧化硅纳米颗粒，记为S@HMSN；
（2）首先将PAMAM-G1、1-（3-二甲基氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺溶于水中，随后滴加anti-EpCAM适配体，反应4h，然后滤去未反应的PAMAM-G1，制得anti-EpCAM适配体与PAMAM的偶联物，记为P-aE偶联物；
（3）将步骤（1）中制备的S@HMSN以及步骤（2）中所制备的P-aE偶联物用二次水充分溶解混合，磁力搅拌4h，即得到S@HM/P-aE；
（4）将步骤（3）中制备的S@HM/P-aE，使其超声重悬在二次水中，然后加入EGFR-sgRNA/Cas9质粒，搅拌过夜，即制得SE@HM/P-aE；
所述EGFR-sgRNA/Cas9质粒的制备方法为：通过所设计的靶向基因EGFR-sgRNA与CRISPR/Cas9质粒PX458酶切连接形成；所述靶向基因EGFR-sgRNA的序列为：TGAACCGCACGGCGCCATGC。
2.如权利要求1所述的基于适配体修饰的中空介孔二氧化硅共载质粒的多功能纳米药物的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述索拉非尼与中空介孔二氧化硅纳米颗粒的质量之比为4:5。
3.如权利要求1所述的基于适配体修饰的中空介孔二氧化硅共载质粒的多功能纳米药物的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述anti-EpCAM适配体、1-（3-二甲基氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺的质量之比为30：12：9；anti-EpCAM适配体与PAMAM-G1的摩尔比为1:10。
4.如权利要求1所述的基于适配体修饰的中空介孔二氧化硅共载质粒的多功能纳米药物的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的S@HMSN与P-aE偶联物的质量之比为3000:1。
5.如权利要求1所述的基于适配体修饰的中空介孔二氧化硅共载质粒的多功能纳米药物的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述的S@HM/P-aE与EGFR-sgRNA/Cas9质粒的质量之比为5：1。
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