一种地塞米松缓释体系以及一种成骨分化诱导液和应用
技术领域
本发明属于纳米医学和再生医学技术领域,具体涉及一种地塞米松缓释体系及其制备和应用。
背景技术
干细胞由于具有自我更新和多向分化的能力,是损伤组织修复的理想种子细胞。通过对干细胞的定向诱导分化可为临床治疗组织疾病和组织缺损提供新的技术方法。但是干细胞除了可以分化为所需要的组织细胞,参与组织修复,同时也可以分化为其它类型的细胞。因此需要对干细胞分化进行调控,使之能定向分化为所需的组织细胞或前体细胞。提高干细胞定向分化的效率,可以提高组织修复的效果。
传统的诱导间充质干细胞(mesenchymal stem cell,MSC)向成骨细胞分化的经典诱导方法主要是化学诱导液诱导法,有效诱导药物包括地塞米松(DEX)、β-甘油磷酸钠、抗坏血酸等。地塞米松是一种疏水性的糖皮质激素,目前的研究表明地塞米松对成骨分化既有促进作用也有抑制作用,主要依赖于剂量、作用时间、细胞类型和细胞阶段。目前的观点是,地塞米松在10-7mol/L时具有最显着的成骨诱导功能,可促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化,早期促进骨基质合成,后期促进钙化。
近年来随着纳米技术的发展,越来越多的纳米材料应用到生物医学领域,如药物输送、组织修复等方面。其中纳米药物载体是指粒径为10~1000nm的新型载体,通常由天然或合成高分子材料制成。将药物封装在纳米粒子内部或吸附在药物表面上,实现安全有效的药物输送和药物治疗,大大提高药物的利用率和使用的安全性,因此具有广阔的应用前景,已成为国内外医药领域重要的研究方向之一。
β-环糊精(β-CD)是一类由D-吡喃葡萄糖单元糖苷键首尾连接而成的大环化合物,内腔呈疏水环境,外侧则因羟基聚集而呈亲水性。由于β-CD的这种特殊亲疏水结构,所以能够通过亲疏水作用、尺寸效应,使许多合适的客体分子进入环糊精主体的空腔内,形成包合物。所谓“包合”就是主体与客体通过分子间的亲疏水作用、尺寸效应,使彼此间相互识别,最终客体分子部分或全部嵌入主体内部,实现主客体自组装。在药物缓释方面,包合物由于具有合适的粒径、优异的药物载体功能,可以作为一种药物载体。一些疏水性的药物能作为β-环糊精的客体分子,另外金刚烷也是常用的一种客体分子。
专利CN 105062964 A公开了一种提高干细胞成骨分化效率的诱导液,是以市售低糖DMEM培养基为基础培养基,另外添加终浓度为0.1~100μg/mL的石墨烯量子点。该发明提供的诱导液能提高干细胞成骨分化的效率,可用于诱导干细胞治疗骨组织缺损,使之能定向分化,起到调控干细胞分化的功能。但是该专利需要在现有诱导液的基础之上再添加其他物质,提高溶液配置难度,并且石墨烯量子点需要额外制备,增加使用的难度。
专利CN 101926760 A公开了一种环糊精(2-羟丙基-β-环糊精)包合地塞米松注射液,通过优选2-羟基-β-环糊精的取代度范围,使包合地塞米松注射液具有较高的稳定性、注射安全性外,能够在注射后迅速起效。此专利主要专注于地塞米松的糖皮质激素特性,探讨地塞米松的静脉注射应用,与本专利专注于地塞米松的诱导成骨和组织缺损部位的局部应用无直接相关性。
当前关于地塞米松用于成骨分化的报告不少,但是绝大多数是与支架(包括静电纺丝、核壳PLLACL-胶原纤维、双相磷酸钙纳米粒/胶原多孔复合支架等)复合,研究各种纤维支架材料释放地塞米松对成骨分化的作用,但尚未检索到利用环糊精/地塞米松包合物的缓释体系用于成骨分化的报告(包括专利或文献)。
发明内容
本发明旨在将环糊精与传统的分化诱导液中的地塞米松组分包合形成两种包合物(CD/DEX、CD/AD-DEX),调控和延缓地塞米松的释放,再用两种地塞米松包合物替代经典诱导液中的游离地塞米松,提高诱导干细胞向成骨方向分化的效率。
本发明的技术方案之一:
一种地塞米松的缓释体系,包括β-环糊精/地塞米松包合物和β-环糊精/金钢烷-地塞米松包合物中的一种或两种;所述β-环糊精/地塞米松包合物是用β-环糊精包合地塞米松所得到的产物;所述β-环糊精/金钢烷-地塞米松包合物是以β-环糊精为主体、金钢烷与地塞米松反应生成的金钢烷-地塞米松合成物为客体,通过主客体自组装而成的产物。
优选方案,所述β-环糊精/地塞米松包合物是通过以下方法制备得到:将β-环糊精溶于去离子水中加热至70℃~90℃;取地塞米松将其溶于乙醇中,然后滴加至已加热的β-环糊精溶液中,搅拌10~12h;停止加热,冷却至室温继续搅拌20~26小时,然后于0℃~4℃下静置,过滤,得到β-环糊精地塞米松包合物,简称CD/DEX。
优选方案,所述β-环糊精/金钢烷-地塞米松包合物是通过以下方法制备得到:将金刚烷甲酸与1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐溶于二氯甲烷中,同时将4-二甲氨基吡啶和地塞米松溶于二氯甲烷中,先分别搅拌,然后两者混合搅拌8-12小时;将反应液用硅胶柱分离得白色产物金钢烷-地塞米松包合物,简称AD-DEX;将AD-DEX溶于N,N-二甲基甲酰胺中,逐滴加入至β-环糊精的水溶液中搅拌,离心收集离心沉淀置于透析袋中,对流动纯水透析,再将透析袋中的溶液冷冻干燥,得到β-环糊精/金钢烷-地塞米松包合物,简称CD/AD-DEX;其中,过硅胶柱所用洗脱剂为体积比为1:100-150的甲醇与二氯甲烷的混合溶液。
进一步优选方案,所述β-环糊精/地塞米松包合物中,β-环糊精与地塞米松的摩尔比为1:1;所述β-环糊精/金钢烷-地塞米松包合物中,金刚烷甲酸与地塞米松的摩尔比为1:1,β-环糊精与金钢烷-地塞米松的摩尔比为1:1。
本发明的技术方案之二:
一种基于地塞米松缓释体系的成骨分化诱导液,以市售低糖DMEM培养基为基础培养基,以上述地塞米松缓释体系替代经典成骨诱导液中的游离地塞米松,维持地塞米松的含量与经典成骨诱导液中的含量一致,其它成骨诱导液组分的存在形式和含量维持不变。
优选方案,所述诱导液组分是在500mL的低糖DMEM培养基中,含有体积比10%的胎牛血清、10mmol/Lβ-甘油磷酸钠、50mg/L抗坏血酸以及所述地塞米松缓释体,并保持缓释体中地塞米松的终含量与经典成骨诱导液中游离的地塞米松含量一致。
其中,所述经典成骨诱导液中游离的地塞米松含量为10-7mol/L。
优选方案,所述500mL低糖DMEM培养基中含有体积比为1%的青霉素-链霉素混合液。
进一步,本发明还提供了所述成骨分化诱导液在促进干细胞向成骨细胞分化中的应用。
优选方案,用于诱导分化的干细胞为任何全能或者多能干细胞;探讨此成骨分化液诱导SD大鼠骨髓间充质干细胞向成骨分化,取2-4代且处对数生长期的细胞为研究对象。
优选方案,具体方法为:取2-4代对数生长期SD大鼠骨髓间充质干细胞,按1x105cells/ml的细胞量,接种于6孔板内,待细胞贴壁48h后加入所述成骨分化诱导液,每3天换一次诱导液,置于37℃,5%CO2的孵育箱内培养。
本发明还通过ALP染色和定量分析、茜素红染色和定量分析以及成骨相关基因ALP、OPN、Runx2的监测等手段得出结论:用环糊精地塞米松包合物(CD/DEX、CD/AD-DEX)替代经典诱导液中的游离地塞米松对大鼠骨髓间充质干细胞的成骨效率有显著的提高。
本发明提供了一种地塞米松缓释体系及其制备和应用。所述地塞米松缓释体系包括β-环糊精/地塞米松包合物和β-环糊精/金钢烷-地塞米松包合物中的一种或两种。该缓释体系可以增加地塞米松的载药量,如表2所示,延长地塞米松的有效释放时间,如图5所示。所述诱导液以市售低糖DMEM培养基为基础培养基,此地塞米松缓释体系可以替代成骨分化诱导液中的游离地塞米松组分(其他组分维持不变),配置的新型成骨分化诱导液可提高地塞米松的利用率,延长成骨诱导的时间,大大提高干细胞向成骨方向分化的效率,如图6和图7所示。
附图说明
图1为本发明所述的环糊精地塞米松包合物的红外表征,CD/DEX控释载体红外表征;1:β-环糊精/地塞米松包合物,2:β-环糊精和地塞米松的物理混合物,3:地塞米松,4:β-环糊精。
图2为本发明所述的金刚烷甲酸与地塞米松合成物(AD-DEX)的质谱表征。
图3为本发明所述的金刚烷甲酸与地塞米松合成物(AD-DEX)的核磁共振氢谱表征。
图4为本发明所述的环糊精/金刚烷甲酸-地塞米松包合物(CD/AD-DEX)的紫外表征;其中CD和AD-DEX为单物质,CD+AD-DEX为两种物质的物理混合物,CD/AD-DEX为包合物。
图5为本发明所述的环糊精/地塞米松包合物(CD/DEX)、环糊精/金刚烷甲酸-地塞米松包合物(CD/AD-DEX)的体外释放DEX的行为。
图6为本发明所述的新型诱导液在诱导骨髓间充质干细胞向成骨方向分化的效率,以同含量的游离DEX为阳性对照。(a)ALP染色、(b)ALP定量、(c)茜素红染色、(d)茜素红定量。
图7为本发明所述的诱导液提高间充质干细胞成骨细胞分化效率的成骨基因表达变化趋势图,其中a为ALP基因、b为Runx2基因、c为OPN基因。点线为CD/DEX、短虚线为CD/AD-DEX、实线为DEX。
表1为本发明所述的环糊精/地塞米松包合物(CD/DEX)、环糊精/金刚烷甲酸-地塞米松包合物(CD/AD-DEX)的载药量。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的解释和说明
实施例1:环糊精/地塞米松包合物(CD/DEX)的制备
称取1.1135gβ-CD(1mmol)溶于20mL去离子水中,在搅拌状态下加热至80℃,称取0.382g地塞米松(1mmol)将其溶于10mL乙醇中,然后缓慢滴加到热的β-CD溶液中,继续搅拌11.0h,停止加热,室温下继续搅拌24.0h,放置冰箱(4℃)存放一夜,过滤,用丙酮少量多次洗涤沉淀物。将得到的沉淀冷冻干燥,得到包合产物。
从图1可以看出,这些吸收峰在物理混合物中表现很明显,但在包结物中1664cm
-1处
特征峰消失,1621cm
-1处的C=C伸缩振动消失,1299cm
-1为二聚体面内OH弯曲振动和C-O伸缩振动之间的偶合消失。由此可以确定DEX被包入了β-CD空腔。
实施例2:β-环糊精/金钢烷-地塞米松包合物(CD/AD-DEX)的制备
将金刚烷甲酸(AD-COOH)(0.1378g,0.76mmol)与1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(0.1465g,0.76mmol)溶于二氯甲烷(7ml)中,在避光搅拌条件下,同时将4-二甲氨基吡啶(0.0156g,0.13mmol)和地塞米松(0.1000g,0.25mmol)溶于二氯甲烷(7ml)中,分别搅拌15min,然后两者混合搅拌过夜,最终反应液用硅胶柱分离,展开剂用体积比为1比30的甲醇与二氯甲烷混合溶液,通过荧光确定AD-DEX所在位置,然后用甲醇与二氯甲烷混合溶液体积比为1比100的硅胶柱进行分离,待AD-DEX分离出来后,将溶剂于82℃旋转蒸干,所得白色产物即为AD-DEX。将AD-DEX粉末溶于DMF中(3ml)中,逐滴加入β-CD的水溶液中搅拌24h。在12000rpm下离心30min。离心后收集离心沉淀置于透析袋(MWCO:1500)中,流动纯水透析24h,再将透析袋中的溶液冷冻干燥,得到的CD/AD-DEX粉末状产物做下一步检测。
收集离心上清液用紫外分光光度法检测溶液中游离药物含量。地塞米松上的两个羟基结构,理论上只能与一分子金刚烷甲酸反应,因此,通过与在温和条件下的酯化反应可制得地塞米松与金刚烷反应的一种产物。如图2,AD-DEX核磁共振氢谱图,解析如下:1HNMR(400MHz,DMSO)δ7.30(d,J=10.2Hz,1H),6.23(d,J=10.1Hz,1H),6.01(s,1H),5.14(s,1H),5.00(d,J=17.5Hz,1H),4.78(d,J=17.5Hz,1H),2.32(d,J=9.9Hz,2H),2.13(dd,J=27.8,12.7Hz,3H),2.03–1.91(m,14H),1.87(s,6H),1.49(s,4H),1.07(s,2H),0.88(s,3H),0.78(d,J=7.0Hz,3H)ppm。如图3,质谱测定结果所示:AD-DEX计算值为554.72,测定值为555.31。与氢谱图一致得出AD-DEX成功合成。从图4可以看出,AD-DEX的紫外特征峰在238nm左右,β-CD在紫外光区没有特征吸收峰,β-CD与AD-DEX形成的CD/AD-DEX在246nm有特征峰。由于β-CD空腔内高电子流密度诱导客体分子电子发生移动,CD/AD-DEX的吸收较AD-DEX发生了红移,在246nm处有吸收峰。依据紫外光谱可以得出按照设计的路线成功制备了CD/AD-DEX载药体系。
实施例3:本发明所述的提高干细胞成骨分化效率的诱导液制备
在市售500mL低糖DMEM培养基中,加入体积比10%胎牛血清、10mmol/Lβ-甘油磷酸钠、50mg/L抗坏血酸、地塞米松终浓度为10-7mol/L的包合物,即获得提高干细胞成骨分化效率的新型诱导液。
实施例4:本发明所述的提高干细胞成骨分化效率的诱导液在促进干细胞向成骨细胞分化中的应用
骨髓间充质细胞提取后培养于含10%胎牛血清、1%青霉素-链霉素混合液的低糖DMEM培养液中,置于37℃,5%CO2的孵育箱内培养。
待上述骨髓间充质细胞生长至对数生长期且达到85%以上融合度后,更换成本发明所述的提高干细胞成骨分化效率的诱导液,每隔3天换一次含有CD/DEX或者CD/AD-DEX的诱导液。
培养6h、12h、24h、48h、72h,对成骨分化过程中的标志性基因ALP、OPN、Runx2进行检测,培养第3天对标志性蛋白碱性磷酸酶、培养第14天对标志性矿化结节,分别用实时定量PCR,碱性磷酸酶试剂盒,茜素红染色和定量进行分析。结果见图6、7。CD/DEX、CD/AD-DEX载药量对比见表1。
表1CD/DEX、CD/AD-DEX载药量比较
由图6、7可知,利用本发明所述的提高干细胞成骨分化效率的CD/DEX诱导液可以显著提高干细胞成骨分化效率,CD/AD-DEX诱导液对成骨分化效率也有一定的提高作用。以上结果表明所述诱导液可用于干细胞治疗骨组织再生和修复,并使之能定向分化。