CN110859965B - 具有aie特性的多功能纳米粒子及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有AIE特性的多功能纳米粒子及其制备方法与应用。所述多功能纳米粒子由两亲性嵌段共聚物与具有AIE特性的光敏剂复合而成,所述两亲性嵌段共聚物包括亲水段、疏水段及连接所述亲水段与所述疏水段的刺激响应段,所述刺激响应段含有刺激响应单元,所述多功能纳米粒子具有核壳结构,其核由所述疏水段的共轭基团与所述光敏剂通过π‑π作用形成,其壳由所述刺激响应段和所述亲水段自组装形成。本发明的具有AIE特性的多功能纳米粒子可通过疏水段的共轭基团与光敏剂的π‑π作用提高光敏剂在纳米粒子中的包载量;其还具刺激响应性,在刺激性环境下能使光敏剂释放出来,增加其与溶解氧的接触量,从而提高了ROS的产生效率。
Description
技术领域
本发明涉及生物纳米医用材料领域,尤其涉及具有AIE特性的多功能纳米粒子及其制备方法与应用。
背景技术
光动力治疗(Photodynamic therapy,PDT)是一种新型的肿瘤治疗方法,该方法主要是将特定波长的光照射肿瘤部位使光敏剂活化,光敏剂活化后产生的能量传递给肿瘤组织周围的溶解氧,从而产生具有细胞毒性的活性氧(Reactive oxygen species,ROS),导致肿瘤细胞凋亡或坏死。PDT具有见效快、毒副作用小等特点,受到研究者们的青睐。虽然PDT在癌症治疗中的应用已取得了初步成功,但是目前采用PDT治疗癌症效果还不理想。首先,传统的光敏剂(photosensitizer,PS)如玫瑰红、亚甲基蓝、卟啉衍生物等,普遍存在ROS产生效率低的问题,从而抑制了PDT的抗癌效率。其次,传统的光敏剂的荧光强度较弱,尤其在聚集状态的荧光强度不足以应用于荧光成像介导(fluorescence imaging-guided,FLI)的光动力治疗(FLI-PDT)。此外,在PDT的临床实验中,开发具有高的载药量、良好的包封率(entrapment efficiency,EE)、优异的稳定性和出色的刺激响应性这些特征的纳米药物传递系统是非常必要的。因此,迫切需要设计一种能够提高光动力治疗效率的多功能纳米材料。
具有聚集诱导发光(aggregation-induced emission,AIE)特性的光敏剂(AIE-PSs)不仅具有良好的荧光成像性能,且具备卓越的ROS产生能力。大部分AIE-PSs具有较高的疏水性,在生物应用中需要依赖纳米药物传递系统将其负载在纳米粒子内核中而到达肿瘤组织;而现有的纳米颗粒中AIE-PSs的致密堆积和氧的限制均会降低ROS的产生效率。
因此,现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供具有AIE特性的多功能纳米粒子及其制备方法与应用,旨在解决现有的载有AIE-PSs的纳米材料的ROS的产生效率受抑制的问题。
本发明的技术方案如下:
一种具有AIE特性的多功能纳米粒子,其中,所述多功能纳米粒子由两亲性嵌段共聚物与具有AIE特性的光敏剂复合而成,所述两亲性嵌段共聚物包括亲水段、疏水段及连接所述亲水段与所述疏水段的刺激响应段,所述刺激响应段含有刺激响应单元,所述多功能纳米粒子具有核壳结构,其核由所述疏水段的共轭基团与所述光敏剂通过π-π作用形成,其壳由所述刺激响应段和所述亲水段自组装形成。
所述的具有AIE特性的多功能纳米粒子,其中,所述光敏剂为
所述的具有AIE特性的多功能纳米粒子,其中,所述多功能纳米粒子的粒径为60-500nm。
一种如上所述的具有AIE特性的多功能纳米粒子的制备方法,其中,包括步骤:将两亲性共聚物与光敏剂溶于有机溶剂,进行避光搅拌;搅拌结束后经透析,得到多功能纳米粒子。
所述的制备方法,其中,所述两亲性共聚物与光敏剂的质量比为1-10:1。
所述的制备方法,其中,所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或乙腈;和/或所述避光搅拌的时间为0.5-3h。
所述的制备方法,其中,所述透析用的透析袋的孔径为1000-14000Da。
一种如上所述的具有AIE特性的多功能纳米粒子在制备光动力诊疗剂中的应用。
有益效果:本发明将含有刺激响应单元的两亲性嵌段共聚物与AIE-PSs进行复合形成的具有AIE特性的多功能纳米粒子,可通过疏水段的共轭基团与光敏剂的π-π作用提高光敏剂在纳米粒子中的包载量;其还具刺激响应性,能够在刺激性环境下使AIE-PSs释放出来,增加其与溶解氧的接触量,从而提高了ROS的产生效率;且能够增强光动力治疗的效果。
附图说明
图1(a,b)分别为本发明实施例1、2中,获得的两亲性嵌段共聚物mPEG-Hyd-PCL-CIN/mPEG-SS-PCL-CIN的1HNMR谱图。
图2(a,b)分别为本发明实施例1、2中,具有AIE特性的多功能纳米粒子的形成过程示意图。
图3(a,b)分别为本发明实施例3中,M-Hyd、M-SS在不同环境(去离子水、PBS或FBS)中的粒径分布图。
图4(a,b)分别为本发明实施例3中,M-Hyd、M-SS的平均粒径随其在生理环境(PBS/FBS)中的时间的变化图;
图4(c,d)分别为本发明实施例3中,M-Hyd、M-SS的粒径分布随其在模拟肿瘤环境(ABS/DTT溶液)中时间的变化图。
图5(a,b)分别为本发明实施例4中,P-Hyd、P-SS的粒径分布随其在模拟肿瘤环境中的时间变化图。
图6(a,b)分别为本发明实施例5中,各介质中多功能纳米粒子/两亲性嵌段共聚物胶束的荧光(I/I0-1)随辐照时间的变化图。
图7(a-f)分别为本发明实施例5中,M-Hyd、M-SS、M-Control在不同培养皿的4T1细胞中产生ROS的荧光图。
图8(a-c)分别为本发明实施例5中,在光照(light)/避光(dark)条件下,含有不同含量梯度的MeTTMN的M-Hyd、M-SS、M-Control的4T1细胞存活率的柱状图。
图9为本发明实施例5中,M-Hyd、M-SS、M-Control、MDSPE-PEG的4T1细胞的半抑制浓度(IC50)的柱状图。
具体实施方式
本发明提供具有AIE特性的多功能纳米粒子及其制备方法与应用,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种具有AIE特性的多功能纳米粒子,所述多功能纳米粒子由两亲性嵌段共聚物与具有AIE特性的光敏剂复合而成,所述两亲性嵌段共聚物包括亲水段、疏水段及连接所述亲水段与所述疏水段的刺激响段,所述刺激响应段含有刺激响应单元,所述多功能纳米粒子具有核壳结构,其核由所述疏水段的共轭基团与所述光敏剂通过π-π作用形成,其壳由所述刺激响应段和所述亲水段自组装形成。
本实施例中,具有刺激响应单元的两亲性嵌段共聚物自组装形成的纳米胶束粒子内核与AIE-PSs通过π-π作用相连接,使AIE-PSs能够负载在纳米胶束内核上形成多功能纳米粒子,有效提高了AIE-PSs在纳米粒子中的包载量。
具体地,本实施例的具有AIE特性的多功能纳米粒子通过内吞作用进入肿瘤细胞,在肿瘤细胞中的特定的环境下,纳米粒子中的刺激响应单元结构被破坏,从而使AIE-PSs从纳米粒子的内核中释放出来,增加其与肿瘤组织周围的溶解氧的接触量,从而增加了ROS的产生效率;进一步,由于纳米粒子释放的PSs具有AIE特性,使其具有增强光动力治疗的效果,从而其可应用于肿瘤细胞的诊疗一体化。
在一种实施方式中,所述多功能纳米粒子的粒径为60-500nm。进一步在一种实施方式中,所述多功能纳米粒子的平均粒径为90nm。
本发明实施例提供一种如上所述的具有AIE特性的多功能纳米粒子的制备方法,包括步骤:将两亲性嵌段共聚物与光敏剂溶于有机溶剂,进行避光搅拌;搅拌结束后经透析,得到多功能纳米粒子。
本实施例中的具有AIE特性的多功能纳米粒子的制备方法简单,易于操作,利于实现放大化生产。
在一种实施方式中,所述两亲性嵌段共聚物与光敏剂的质量比为1-10:1。进一步在一种实施方式中,所述两亲性嵌段共聚物与光敏剂的质量比为2:1。
在一种实施方式中,所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或乙腈;和/或所述避光搅拌的时间为0.5-3h。
在一种实施方式中,所述透析用的透析袋的孔径为1000-14000Da。进一步在一种实施方式中,所述透析用的透析袋的孔径为3500Da。
本发明实施例还提供一种如上所述的具有AIE特性的多功能纳米粒子在制备光动力诊疗剂中的应用。
本实施例中,采用如上所述的具有AIE特性的多功能纳米粒子制备的光动力诊疗剂中,可提高光动力治诊疗的效果。
下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1具有AIE特性的多功能纳米粒子:M-Hyd的制备
(1)两亲性嵌段共聚物:mPEG-Hyd-PCL-CIN的制备,其制备路线为
参见上述制备路线,包括步骤:
(1.1)将聚乙二醇(mPEG,Mn=5000,10.4g)溶于二氯甲烷(150mL),接着加入4-羧基苯甲醛(1.6g)、N,N’-二环己基碳酰亚胺(Dicyclohexylcarbodiimide,DCC,2.6g)和4-二甲氨基吡啶(4-Dimethylaminopyridine,DMAP,1.5g),在室温下搅拌反应24h,将反应液过滤、浓缩,在异丙醇中重沉,离心干燥,得到产物mPEG-CHO。
(1.2)将mPEG-CHO(1.0g)溶于无水乙醇(12mL),在惰性气氛下加入10wt%的2-肼基乙醇的乙醇溶液(0.6mL),在35℃下避光搅拌反应48h,反应液经过滤、浓缩,得到粗产物;粗产物在无水乙醚中重沉,离心干燥,得到产物mPEG-Hyd-OH,其含有酸响应单元
(1.3)mPEG-Hyd-OH(0.2g)与己内酯(130μL)溶于甲苯(200μL),加热至70℃反应4h,过滤,浓缩,透析(14000Da)48h,冷冻干燥后得到产物mPEG-Hyd-PCL。
(1.4)将mPEG-Hyd-PCL(187.6mg)、肉桂酸(14.0mg)、DCC(99.0mg)、DMAP(2.9mg)溶于二氯甲烷(10mL),室温下搅拌反应4h,过滤,浓缩,在冰乙醚中重沉2次,离心干燥,得到两亲性嵌段共聚物mPEG-Hyd-PCL-CIN(m=113,n=21),其具有酸响应性;mPEG-Hyd-PCL-CIN的核磁共振氢(1HNMR)谱如图1(a)所示。
(2)两亲性嵌段共聚物胶束:P-Hyd的制备
将mPEG-Hyd-PCL-CIN(10mg)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF,3mL),避光搅拌反应1h后,转移至透析袋(14000Da)中,4h换一次水,共透析24h,分离纯化(如过滤)得到P-Hyd。
(3)具有AIE特性的多功能纳米粒子:M-Hyd的制备
参见图2(a)所示,将步骤(1)制得的两亲性嵌段共聚物mPEG-Hyd-PCL-CIN(10mg)与AIE-PS:(MeTTMN,5mg)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF,3mL)避光搅拌反应1h,转移至透析袋(3500Da)中,每4h换一次水,共透析24h,分离纯化后得到M-Hyd。
实施例2具有AIE特性的多功能纳米粒子:M-SS的制备
(1)两亲性嵌段共聚物(mPEG-SS-PCL-CIN)的制备,其制备路线如下:
参见上述制备路线,包括步骤:
(1.1)将mPEG-COOH(7.2g,)与二硫代二乙二醇(2.4g)溶于二氯甲烷(100mL),室温下搅拌至完全溶解后,加入1滴三乙胺、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(0.4g)和4-二甲氨基吡啶(20mg),在室温下搅拌反应48h,将反应液过滤、浓缩,粗产物在无水乙醚中重沉,离心干燥后,得到产物mPEG-SS-OH,其含有还原响应单元
(1.2)mPEG-SS-OH(100mg)与己内酯(63μL)溶于甲苯(200μL),加热至70℃反应4h,过滤,浓缩,透析(14000Da)48h后,冷冻干燥后得到mPEG-SS-PCL。
(1.3)将mPEG-SS-PCL(190.0mg)、肉桂酸(14.0mg)、DCC(99.0mg)、DMAP(2.9mg)溶于二氯甲烷(10mL),室温下搅拌反应4h,过滤,浓缩,粗产物在冰乙醚中重沉2次,分离纯化后得到mPEG-SS-PCL-CIN(m=113,n=21);其具有还原响应性;mPEG-SS-PCL-CIN的1HNMR谱如图1(b)所示。
(2)两亲性嵌段共聚物胶束:P-SS的制备
将mPEG-SS-PCL-CIN(10mg)溶于DMF(3mL),避光搅拌反应1h后,转移至透析袋(14000Da)中,4h换一次水,共透析24h,分离纯化(如过滤)P-SS。
(3)具有AIE特性的多功能纳米粒子:M-SS的制备
参见图2(b)所示,将步骤(1)制得的mPEG-SS-PCL-CIN(10mg)与MeTTMN(5mg)溶于DMF(3mL),避光搅拌反应1h,转移至透析袋(3500Da)中,每4h换一次水,共透析24h,分离纯化后得到M-SS。
实施例3具有AIE特性的多功能纳米粒子:M-Hyd、M-SS的性质表征
需要说明的是:本实施例采用PBS(phosphate buffer saline,0.01M的磷酸缓冲盐溶液,pH=7.4)作为体外模拟生理环境、FBS(Fetal bovine serum,牛胎血清)作为生理环境、ABS(醋酸盐缓冲溶液,acetate buffered solution,pH=5.0)作为模拟肿瘤细胞的酸性微环境、二硫苏糖醇(DL-Dithiothreito,DTT,具有还原性)的PBS溶液(DTT的浓度为10mM)作为模拟肿瘤细胞的还原性微环境。
(1)M-Hyd、M-SS的粒径分布表征
将实施例1制得的M-Hyd和实施例2制得的M-SS分别分散在去离子水、PBS或FBS中。测得M-Hyd、M-SS在不同环境(去离子水、PBS或FBS)中的粒径分布如图3(a,b)所示,可知M-Hyd、M-SS在不同的水溶液中均具有良好的分散性,M-Hyd、M-SS的平均粒径均为90nm。
(2)M-Hyd、M-SS的稳定性及刺激响应性表征
用PBS、FBS、ABS、DTT溶液分别配制浓度为1.0mg/mL的M-Hyd/M-SS的溶液。
测得M-Hyd、M-SS的平均粒径随其在生理环境(PBS/FBS)中的时间的变化如图4(a,b)所示,可知M-Hyd、M-SS在生理环境中均具有优异的稳定性,这有利于其在进行长时间的血液循环的生理环境中能稳定存在。
测得M-Hyd、M-SS的粒径分布随其在模拟肿瘤环境(ABS/DTT溶液)中时间的变化如图4(c,d)所示,可知M-Hyd、M-SS的粒径分布随其在模拟肿瘤环境中的时间增加均具有变化,表明M-Hyd、M-SS分别具有酸响应性、还原响应性。
实施例4两亲性嵌段共聚物胶束:P-Hyd、P-SS刺激响应性表征
用ABS、DTT溶液分别配制浓度为1.0mg/mL的P-Hyd/P-SS的溶液。
测得P-Hyd、P-SS的粒径分布随其在模拟肿瘤环境中的时间的变化如图5(a,b)所示,可知P-Hyd、P-SS的粒径分布随其在模拟肿瘤环境中的时间增加均具有明显变化,表明P-Hyd、P-SS分别具有酸响应性和还原响应性;这表明具有AIE特性的多功能纳米粒子M-Hyd、M-PSS保持了其所采用的反应底物的刺激响应性。
实施例5具有AIE特性的多功能纳米粒子:M-Hyd、M-SS的性能评价
(1)具有AIE特性的多功能纳米粒子:M-Hyd、M-SS在不同环境中的ROS产生效率的评价
2,7-二氯荧光素二乙酸酯(2’,7’-dichlorofluorescin diacetate,DCFH)作为ROS探针,其最高发射峰在525nm,与ROS发生化学反应后绿色荧光会逐渐增强。分别将等体积不同介质(ABS、PBS或PBS+DTT)含有等量DCFH的多功能纳米粒子(M-Hyd/M-SS)/胶束(P-Hyd/P-SS)经过白光(24.0mW/cm2)辐照,各介质中多功能纳米粒子/两亲性嵌段共聚物胶束的荧光(I/I0-1)随辐照时间的变化如图6(a,b)所示,可知随着辐照时间的增加,M-Hyd在ABS中ROS的产生量增加显著,而在其他环境下ROS产生量增加不明显;M-SS在PBS+DTT中的ROS产生量增加显著,而在其他环境下ROS产生量增加不明显;表明M-Hyd在酸性的环境下、M-SS在还原性的环境下才能将光敏剂从纳米粒子内核释放,增加光敏剂与溶解氧的接触量,使ROS的产生量显著的增长。同时,制备M-Hyd、M-PSS对应所用的底物:P-Hyd、P-SS随辐照时间的增加均无变化,表明P-Hyd、P-SS中均不含光敏单元;也证明了多功能纳米粒子M-Hyd、M-PSS保持了内核中光敏剂的结构的完整性和光敏性。
(2)具有AIE特性的多功能纳米粒子:M-Hyd、M-SS在肿瘤细胞中的ROS产生效率的评价
以DCFH作为ROS探针,将小鼠乳腺癌细胞(4T1细胞)接种于6个激光共聚焦培养皿中的培养基中,置于温度为37℃、体积浓度为5v%的CO2培养箱中培养24h,分成两组:每组培养基分别加入M-Hyd、M-SS、非刺激响应性纳米粒子:M-Control(由mPEG-b-PCL-CIN与MeTTMN按照M-Hyd/M-SS的制备步骤复合形成的具有AIE特性的多功能纳米粒子;其中,mPEG-b-PCL-CIN的制备路线为:
具体制备步骤请参照实施例1,mPEG-b-PCL-CIN中不含有刺激响应单元,m=113,n=21),继续培养4h后,吸出培养基,加入DCFH,再培养20min后,一组用白光(24mW/cm2)分别辐照2min(进行白光辐照的实验组用“+”标识),另一组培养基不进行光照(不进行光辐照的实验组用“-”进行标识)。接着用温热的PBS清洗激光共聚焦培养皿3次,最后加入1mL培养基,用激光共聚焦显微镜观察每个培养皿中细胞内的绿色荧光强度。M-Hyd、M-SS、M-Control在不同培养皿的4T1细胞中产生ROS的荧光如图7(a-f)所示,可知经过白光辐照的M-Hyd/M-SS在4T1细胞的绿色荧光强度明显优于M-Control在4T1细胞的绿色荧光,表明制备的具有AIE特性和刺激响应性的多功能纳米粒子能显著增加ROS的产生效率;没经过白光辐照的M-Hyd、M-SS或M-Control均没有显示出绿色荧光,表明光照是具有AIE特性的多功能纳米粒子产生ROS的必要条件。
(3)具有AIE特性的多功能纳米粒子:M-Hyd、M-SS的对肿瘤细胞的杀伤性的评价
将4T1细胞以5000个/孔的密度接种于96孔板中,置于温度为37℃、体积浓度为5v%的CO2培养箱中培养24h。分别加入含有不同含量梯度(0、0.5、1、2、3、4、5、6、8μg/mL)的MeTTMN的M-Hyd、M-SS、M-Control,在培养箱中共培养4h后,分为2组,一组用白光(0.024W/cm2)光照5min;另一组不进行光照,继续培养24h。以商业聚合物DSPE-PEG负载MeTTMN形成的复合纳米粒子MDSPE-PEG为对照组。
采用MTT法(MTT:3-(4,5-二甲基噻唑-2)-2,5-二苯基四氮唑溴盐,3-(4,5)-dimethylthiahiazo(-z-y1)-3,5-di-phenytetrazoliumromide,商品名为噻唑蓝)检测4T1细胞的存活率。在光照(light)/避光(dark)条件下,含有不同含量梯度的MeTTMN的M-Hyd、M-SS、M-Control的4T1细胞存活率如图8(a-c)所示;M-Hyd、M-SS、M-Control或MDSPE-PEG的4T1细胞的半抑制浓度(IC50)如图9所示。由图8、9可知,在白光辐照条件下,M-Hyd和M-SS对肿瘤细胞的杀伤作用明显;表明具有AIE特性和刺激响应性的多功能纳米粒子具有增强光动力治疗的效果。
综上所述,本发明将含有刺激响应单元的两亲性嵌段共聚物与AIE-PSs进行复合形成的具有AIE特性的多功能纳米粒子,可通过疏水段的共轭基团与光敏剂的π-π作用提高光敏剂在纳米粒子中的包载量;其还具刺激响应性,能够在刺激性环境下使光敏剂释放出来,增加其与溶解氧的接触量,从而提高了ROS的产生效率;具有AIE特性的多功能纳米粒子具有增强光动力治疗的效果。
应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
2.根据权利要求1所述的具有AIE特性的多功能纳米粒子,其特征在于,所述多功能纳米粒子的粒径为60-500nm。
3.一种如权利要求1-2任一所述的具有AIE特性的多功能纳米粒子的制备方法,其特征在于,包括步骤:将两亲性嵌段共聚物与光敏剂溶于有机溶剂,进行避光搅拌;搅拌结束后经透析,得到多功能纳米粒子。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述两亲性嵌段共聚物与光敏剂的质量比为1-10:1。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或乙腈;和/或所述避光搅拌的时间为0.5-3h。
6.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述透析用的透析袋的孔径为1000-14000Da。
7.一种如权利要求1-2任一所述的具有AIE特性的多功能纳米粒子在制备光动力诊疗剂中的应用。
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