CN110812482A - 一种活生物自产氧光敏剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自然界天然存在的蓝细菌的新功能,旨在提供一种制备工艺简单的光敏剂,并利用蓝细菌经光照后光合作用产氧的特点,自身产氧克服肿瘤缺氧的微环境,靶向肿瘤发挥有效的光动力作用。体外实验证明蓝细菌在在660nm波长的激光照射后能够有效地抑制4T1细胞的生长。本发明工艺步骤简单,成本低,只需要简单大量扩增培养蓝细菌,并给予特定的光照就能够自身供氧,从而克服肿瘤缺氧发挥光动力治疗作用,本发明开发了一种具备产业实用价值的自产氧的光敏剂。
Description
技术领域
本发明属于生物医药领域,具体涉及一种经济、快速可大量繁殖扩增的不依赖氧的且能够靶向肿瘤的光敏剂,可以用于光动力疗法。
背景技术
癌症已成为全世界范围内威胁人类健康的重要疾病之一,现有的主流癌症治疗方法包括手术切除、化学药物治疗,以及放射治疗,但是这些治疗手段都具有其自身的局限性。近年来,纳米科学技术发展给医学领域,特别是癌症的治疗方面,开启一种新的手段和方法。肿瘤光学治疗是一种近年来广泛研究的具有良好特异性和非侵入性的新型癌症治疗方法,根据其具体作用机制可分为光热治疗(Photothermal Therapy,PTT)和光动力治疗(Photodynamic Therapy,PDT)。PTT是通过光热材料将光能转换为热能,使局部温度升高从而杀死肿瘤细胞的治疗方式,环境温度高于50℃时肿瘤细胞会逐渐凋亡和坏死,从而达到消除肿瘤的作用。与PTT不同,PDT是通过光照激发光敏剂将环境中的氧气转换成单线态氧(Singlet Oxygen,SO)或活性氧簇(Reactive Oxygen Species,ROS)从而使肿瘤细胞凋亡和坏死,达到治疗肿瘤的作用。PDT以其创伤性小、适用性好、靶向性准、可协同性、可重复性、毒性低微和相对成本低等优点脱颖而出,在肿瘤的治疗中显示出很大优势,是一种极具潜力的肿瘤治疗策略,目前已经被广泛应用于治疗基底细胞癌、鳞状细胞癌、食管癌、恶性胶质瘤、膀胱癌、宫颈癌等多种肿瘤。
但目前应用于临床PDT的药物仍存在很多不足,如光敏剂种类单一,缺乏肿瘤靶向性,稳定性较差,缺乏良好的水溶性,实体瘤的先天缺氧使光动力的疗效大打折扣。PDT的基础是光动力作用,它的三大影响要素包括光敏剂、激发光和氧气。其中氧气是PDT起效的关键原料,在激光照射下可被光敏药物活化为具有细胞杀伤能力的单线态氧,从而治疗肿瘤。而在绝大多数实体瘤内的含氧量都比正常组织要低的多,这是因为肿瘤细胞代谢异常旺盛,另一个重要原因是光动力反应的耗氧和血管封闭效应,进一步加剧了实体瘤乏氧,这些原因导致了光动力药物的疗效受到严重限制。
为了改善光动力的氧供给,研究人员尝试了不同的办法。Sitnik等人(Br JCancer.1998May;77(9):1386-9)采用低的激光来改善光动力的疗效,但是,降低激光功率会导致光动力效率降低,并没有解决光动力的供氧问题。Curnow等人(PhotochemPhotobiol.1999Jan;69(1):71-6.)采用间隔照射的方式改善光动力的疗效,这是因为在照射的间隙,血流恢复,从而增加了光敏剂周围的血氧灌注,然而,当血管破坏之后血流被切断,依然无法改善光动力的氧供给。针对肿瘤缺氧和光动力过程中氧依赖的问题,研究人员尝试了不同的办法:胡一桥等人(Sci Rep.2016Jun 6;6)使用磷脂包载全氟碳材料和光敏剂IR-780制备全氟碳纳米颗粒,全氟碳材料能够将氧气输送至肿瘤乏氧区域,提高组织内氧浓度,进而显著提高了PDT的活体抑瘤效果。本发明人所在的蔡林涛研究员课题组则利用可降解聚合物包载光敏剂吲哚菁绿(ICG)和载氧血红蛋白,并在纳米颗粒表面包覆有类似红细胞膜的磷脂层,构建了具备携氧和释氧功能的纳米人工红细胞,通过激光触发即可产生具有细胞毒性的单线态氧和高价铁血红蛋白,显著地增强了光动力治疗效果。但是,这些氧载体在体内循环过程中难以避免氧气泄露而存在肿瘤靶向增氧能力不足等问题。
为了解决肿瘤缺氧并增强光动力疗效这一技术问题,研究人员将目光转向了光敏剂研究。现临床上使用的第一代光敏剂——血卟啉衍生物(Photofrin)为组成不固定的混合物,成分复杂,难以实现稳定规范的质量控制;其在波长大于600nm的红光区吸收较弱,导致光动力反应的强度不能满足浸润较深的肿瘤的治疗要求,治疗时需要较高的药剂量或光剂量,毒副作用大;特别是其在体内清除缓慢。间-四羟基苯基卟吩(mTHPC)作为第二代光敏剂的典型代表,与Photofrin相比,不仅结构明确、单一,且在600~800nm的“治疗窗”内吸收系数高出一个数量级,是目前光动力效应最强的光敏剂之一。2001年首先在欧洲被批准用于头颈部肿瘤的治疗。但mTHPC的肿瘤靶向性仍亟待提高;而且,其明显的暗毒性也制约着其临床应用;同时其疏水特性使得其在生理环境中聚集,明显降低了其光动力活性。因此,开发新型的光敏剂已成为解决上述问题的关键。CN109730968 A报道了一种新型的光敏剂,可通过聚乙二醇负载光敏分子(Ce6),在单个980nm近红外光的激发下能同时产热和单线态氧,实现光热和光动力的联合治疗。CN107670040 A报道了一种金纳米笼-二氧化锰复合纳米颗粒光敏剂,二氧化锰壳层在肿瘤微环境中降解并释放氧气,从而改善肿瘤缺氧并增强光动力疗效,缓解了目前使用的纳米光敏剂由于肿瘤缺氧以及光动力耗氧等因素导致光动力疗效不足的问题。CN106957319 A报道了基于叶绿素(叶绿素是一类典型的二氢卟啉)是高等植物、蓝藻、蓝细菌以及其他微生物光合作用的主要光受体,二氢卟啉在长波区的吸收较强,在600~700nm有较强吸收峰,这也是叶绿素能够较好吸收红绿光的原因,开发了一种meso-N取代的二氢卟啉衍生物,具有较长的吸收波长和较高的荧光量子产率,作为光敏剂可应用于肿瘤的光动力治疗。
然而,上述新型光敏剂的功能单一,制备工艺复杂,成本较高,需要专业的仪器设备及复杂的条件,且无肿瘤靶向性或可控性较差,这些缺陷极大的限制了光敏剂在临床上的大规模应用。因此,开发一种制备工艺简单,具有肿瘤靶向性,且能够克服肿瘤缺氧的微环境的新型光敏剂已然成为了现有技术中亟待解决的技术问题。
自然界中分布最广,个体数目最多,繁殖能力超强的细菌,在医学领域受到了越来越广泛的关注。细菌因具备众多优势特性,使其作为“明星载体”很好地应用于抗癌治疗:①细菌像小型“机器人”,可携带成像探针特异性靶标到肿瘤细胞,为我们提供有关肿瘤状态以及治疗效果等精确信息;②细菌可携带抗肿瘤药物靶标到肿瘤细胞,而且分散于整个肿瘤组织,可大大提高治疗性分子的传递效率;③细菌对肿瘤的特异性靶向作用,提高治疗效率及减少对正常组织的损害。细菌之所以能成为一种新的抗肿瘤治疗策略的载体,靶向肿瘤并且可定殖于肿瘤的低氧区域有着密不可分的关系。其中,蓝细菌是含有叶绿素a、以水作为供氢体和电子供体、通过光催化水产生氧气的一类产氧型光合细菌。
本发明公开了一种自然界天然存在的蓝细菌的新功能,旨在提供一种制备工艺简单的光敏剂,并利用蓝细菌经光照后光合作用产氧的特点,自身产氧克服肿瘤缺氧的微环境,靶向肿瘤发挥有效的光动力作用。发现蓝细菌在660nm波长的激光照射时,自身产氧还能发挥光动力的作用,是一种自产氧的光敏剂。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种具有靶向肿瘤的光敏剂组合物,所述光敏剂组合物包括活蓝细菌,所述活蓝细菌在660-808nm激光照射时在相同条件下产单线态氧量最大;优选地,所述活蓝细菌在660nm激光照射时在相同条件下产单线态氧量最大。
优选地,所述活蓝细菌密度为1×106CFU/mL至1×1010CFU/mL,优选为1-5×108CFU/mL,进一步优选为1.35-4.5×108CFU/mL,较佳地为2×108CFU/mL。
本发明的另一目的在于提供一种蓝细菌在制备具有靶向肿瘤的光敏剂中的应用。
优选地,所述蓝细菌在激光照射下能够产生单线态氧,能够作为光敏剂发挥光动力作用,所述激光波长为660-808nm;优选地,所述激光波长为660nm。
优选地,所述肿瘤选自基底细胞癌、鳞状细胞癌、食管癌、恶性胶质瘤、膀胱癌、宫颈癌、乳腺癌、肺癌、肝癌、胃癌、结肠癌、直肠癌、鼻咽癌、胰腺癌、甲状腺癌、前列腺癌、白血病、淋巴瘤、肾脏肿瘤、肉瘤、母细胞瘤。
本发明的另一目的在于提供一种光敏剂在制备光热和/或光动力治疗药物方面的应用,所述光敏剂包括在激光照射下能够产生单线态氧的活蓝细菌,所述激光波长为660-808nm;优选地,所述激光波长为660nm。
本发明的另一目的在于提供一种体外提高单线态氧的产生水平的方法,包括如下步骤:
(1)准备一个500毫升的三角瓶,在无菌操作台中倒入蓝细菌及灭菌的BG11培养基,用可换气的封口膜封住瓶口,放在太阳光下培养扩增;
(2)在缺氧的BG11培养基溶液中,蓝细菌接种密度调整为1×106CFU/mL至1×1010CFU/mL,将蓝细菌置于660-808nm激光波长的光照下,照射5分钟后,通过酶标仪检测溶液的吸光度定量单线态氧的产生水平。
本发明的另一目的在于提供一种制备光动力杀瘤试剂或药物的方法,所述方法包括如下步骤:
(1)体外培养和扩增蓝细菌;
(2)评估步骤(1)获得的蓝细菌在体外缺氧环境中的光动力效应;
(3)筛选具有660-808nm激光照射后蓝细菌培养液中能够产生单线态氧量最大的蓝细菌,制备成光动力杀瘤试剂。
优选地,所述步骤(2)具体包括如下步骤:在缺氧的BG11培养基溶液中,其中蓝细菌的密度为2×108CFU/mL,每孔提前加入检测单线态氧的探针,然后在波长660-808nm激光照射5分钟后,通过酶标仪检测溶液的吸光度定量单线态氧的产生水平,评估蓝细菌在体外缺氧环境中的光动力效应。
优选地,所述步骤(3)中所述激光的波长为660nm。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明开发了一种自然界天然存在的蓝细菌的新功能,旨在提供一种制备工艺简单的光敏剂,靶向肿瘤发挥有效的光动力作用。具体如下:
(1)首次报道了利用蓝细菌的光合作用产氧用于改善肿瘤缺氧问题;
(2)蓝细菌本身在660nm激光照射下能够产生单线态氧,能够作为光敏剂发挥光动力治疗作用;
(3)蓝细菌是一种通过控制光照控制产氧的活生物,体内只要给予光照就能扩增,能够大量繁殖,工艺简单,成本廉价。
(4)不给予光照蓝细菌就不会生长,容易控制,能够保证体内使用安全。
(5)蓝细菌对肿瘤的特异性靶向作用,提高治疗效率及减少对正常组织的损害。蓝细菌可携带抗肿瘤药物靶标到肿瘤细胞,而且分散于整个肿瘤组织,可大大提高治疗性分子的传递效率。
附图说明
图1是蓝细菌在不同的波长光照下的产氧情况对比。
图2是不同密度的蓝细菌在660nm激光照射下的产氧情况对比。
图3是在有无660nm激光照射后的条件下单线态氧的产生情况对比。
图4是蓝细菌与肿瘤细胞4T1共孵育,在660nm激光照射后,蓝细菌对4T1的生长抑制效应。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明作进一步详细说明,以使本领域技术人员能够更好地理解本发明并予以实施,但实施例并不作为本发明的限定。
以下实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
实施例
准备实验:准备一个500毫升的三角瓶,在无菌操作台中倒入蓝细菌及灭菌的BG11培养基,用可换气的封口膜封住瓶口,放在太阳光下培养扩增。
实验一:将蓝细菌置于不同波长的光照下(黑暗,LED,660nm激光,808nm激光)及不同菌落密度下,通过测氧仪对溶液中的氧含量进行监测。结果如图1-2所示,发现同密度的蓝细菌在波长660nm激光照射下产氧量最多,而同在660nm激光照射下,随着蓝细菌的密度越大产氧量越多。
实验二:在缺氧的BG11培养基溶液中,其中蓝细菌的密度为2×108CFU/mL(菌落数/毫升),每孔提前加入检测单线态氧的探针(SOSG),然后在波长660nm激光照射5分钟后,通过酶标仪检测溶液的吸光度定量单线态氧的产生水平,评估蓝细菌在体外缺氧环境中的光动力效应。结果发现,相比无激光对照组,经波长660nm激光照射后蓝细菌培养液中能够产生大量的单线态氧,如图3所示。
实验三:将蓝细菌和肿瘤细胞系4T1共培养,经波长660nm激光照射5分钟后,继续培养24小时,然后通过加入CCK8入每孔中继续孵育1小时,然后酶标仪检测450nm的吸光度,评估4T1细胞的生长情况,进一步验证蓝细菌光动力作用的杀瘤作用。结果发现,激光照射后能够有效地抑制4T1细胞的生长,如图3所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,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。
Claims (10)
1.一种具有靶向肿瘤的光敏剂组合物,所述光敏剂组合物包括活蓝细菌,所述活蓝细菌在660-808nm激光照射时在相同条件下产单线态氧量最大;优选地,所述活蓝细菌在660nm激光照射时在相同条件下产单线态氧量最大。
2.根据权利要求1所述的光敏剂组合物,所述活蓝细菌密度为1×106CFU/mL至1×1010CFU/mL,优选为1-5×108CFU/mL,进一步优选为1.35-4.5×108CFU/mL,较佳地为2×108CFU/mL。
3.蓝细菌在制备具有靶向肿瘤的光敏剂中的应用。
4.根据权利要求4所述的应用,所述蓝细菌在激光照射下能够产生单线态氧,能够作为光敏剂发挥光动力作用,所述激光波长为660-808nm;优选地,所述激光波长为660nm。
5.根据权利要求1或2所述的光敏剂组合物,或权利要求3或4所述的应用,其中所述肿瘤选自基底细胞癌、鳞状细胞癌、食管癌、恶性胶质瘤、膀胱癌、宫颈癌、乳腺癌、肺癌、肝癌、胃癌、结肠癌、直肠癌、鼻咽癌、胰腺癌、甲状腺癌、前列腺癌、白血病、淋巴瘤、肾脏肿瘤、肉瘤、母细胞瘤。
6.一种光敏剂在制备光热和/或光动力治疗药物方面的应用,所述光敏剂包括在激光照射下能够产生单线态氧的活蓝细菌,所述激光波长为660-808nm;优选地,所述激光波长为660nm。
7.一种体外提高单线态氧的产生水平的方法,包括如下步骤:
(1)准备一个500毫升的三角瓶,在无菌操作台中倒入蓝细菌及灭菌的BG11培养基,用可换气的封口膜封住瓶口,放在太阳光下培养扩增;
(2)在缺氧的BG11培养基溶液中,蓝细菌接种密度调整为1×106CFU/mL至1×1010CFU/mL,将蓝细菌置于660-808nm激光波长的光照下,照射5分钟后,通过酶标仪检测溶液的吸光度定量单线态氧的产生水平。
8.一种制备光动力杀瘤试剂或药物的方法,包括如下步骤:
(1)体外培养和扩增蓝细菌;
(2)评估步骤(1)获得的蓝细菌在体外缺氧环境中的光动力效应;
(3)筛选具有660-808nm激光照射后蓝细菌培养液中能够产生单线态氧量最大的蓝细菌,制备成光动力杀瘤试剂。
9.根据权利要求8所述的应用,所述步骤(2)具体包括如下步骤:在缺氧的BG11培养基溶液中,其中蓝细菌的密度为2×108CFU/mL,每孔提前加入检测单线态氧的探针,然后在波长660-808nm激光照射5分钟后,通过酶标仪检测溶液的吸光度定量单线态氧的产生水平,评估蓝细菌在体外缺氧环境中的光动力效应。
10.根据权利要求8或9所述的应用,所述步骤(3)中所述激光的波长为660nm。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200221 |
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