CN111821282A - 一种介导级联反应的纳米颗粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种介导级联反应的纳米颗粒及其制备方法。本发明提供的纳米颗粒包括：核芯粒子和包裹在所述核芯粒子表面的包裹层；所述核芯包括金属有机框架MIL‑100和负载于所述金属有机框架MIL‑100上的二氢卟吩e6；所述包裹层为透明质酸层。上述纳米颗粒能够实现在肿瘤部位的级联反应，实现协同的化学动力学和光学动力学联合治疗，达到更好的肿瘤治疗效果。

Description

一种介导级联反应的纳米颗粒及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物医用材料领域，特别涉及一种介导级联反应的纳米颗粒及其制备方法。
背景技术
目前，具有肿瘤治疗作用的多功能纳米颗粒受到了越来越多的关注。但是，一些纳米颗粒在体内运输过程中一直处于“常开”状态，不能特异性识别肿瘤，因此可能会对正常组织造成损伤。由于肿瘤微环境所具有的独特性质，如微酸、乏氧、高表达的过氧化氢等，可以设计肿瘤微环境响应的纳米颗粒在有效摧毁肿瘤的同时对正常组织没有毒副作用。高表达过氧化氢是肿瘤部位的一个典型特征，已有文献利用肿瘤微环境中高表达的过氧化氢来触发化疗药物的释放(参见R.Mo,Z.Gu,Tumor microenvironment and intracellularsignal-activated nanomaterials for anticancer drug delivery,Materials Today,2016,19,274-283.)；还有利用过氧化氢产生氧气用于氧气依赖的肿瘤治疗(参见P.Zhu,Y.Chen,J.Shi,Nanoenzyme-Augmented Cancer Sonodynamic Therapy by CatalyticTumor Oxygenation,ACS Nano,2018,12,3780-95.)。但是，肿瘤部位较低浓度的过氧化氢通常不能达到令人满意的治疗效果。因此需要设计放大肿瘤微环境的体系来解决此问题。
近年来，能够模拟天然酶催化活性的功能性纳米颗粒受到广泛关注，并且已经应用在生物医学领域(参见H.Wang,K.Wan,X.Shi,Recent Advances in Nanozyme Research,Advanced Materials,2019,31,1805368.)。纳米酶是一类具有催化活性的纳米材料，同时兼具易制造、成本低、稳定性好等优点。目前为止，碳基材料、金属材料和金属氧化物等纳米材料已被报道具有类酶活性，在生物传感器、抗菌和癌症治疗等多个领域已有应用(参见Z.Wang,Y.Zhang,E.Ju,Z.Liu,F.Cao,Z.Chen,J.Ren,X.Qu,Biomimetic nanoflowers byself-assembly of nanozymes to induce intracellular oxidative damage againsthypoxic tumors,Nature Communications,2018,9,3334.)。纳米酶可以诱导细胞内生化反应或引入外源的化学反应来发挥作用，因而被广泛应用于肿瘤治疗。然而，仅靠纳米酶的功能来治疗肿瘤还不足以完全摧毁肿瘤，治疗效果有待提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种介导级联反应的纳米颗粒及其制备方法。本发明提供的纳米颗粒能够实现在肿瘤部位的级联反应，实现协同的化学动力学和光学动力学联合治疗，达到更好的肿瘤治疗效果。
本发明提供了一种介导级联反应的纳米颗粒，包括：
核芯粒子和包裹在所述核芯粒子表面的包裹层；
所述核芯包括金属有机框架MIL-100和负载于所述金属有机框架MIL-100上的二氢卟吩e6；
所述包裹层为透明质酸层。
优选的，所述核芯粒子与包裹层的质量比为(0.2～2)∶(0.2～2)。
优选的，所述核芯粒子中，金属有机框架MIL-100与二氢卟吩e6的质量比为(0.5～3)∶(0.5～3)。
优选的，所述纳米颗粒的粒度为50～90nm。
本发明还提供了一种上述技术方案中所述的介导级联反应的纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：
a)将金属有机框架MIL-100、二氢卟吩e6与溶剂混合后，离心分离，得到负载二氢卟吩e6的金属有机框架MIL-100粒子；
b)将所述负载二氢卟吩e6的金属有机框架MIL-100粒子与透明质酸及水混合后，离心分离，得到纳米颗粒。
优选的，所述步骤a)中，所述金属有机框架MIL-100与二氢卟吩e6的质量比为(0.5～3)∶(0.5～3)；
所述金属有机框架MIL-100与溶剂的用量比(0.5～5)mg∶(3～10)mL。
优选的，所述步骤b)中，所述负载二氢卟吩e6的金属有机框架MIL-100与透明质酸的质量比为(0.2～2)∶(0.2～2)；
所述负载二氢卟吩e6的金属有机框架MIL-100与水的用量比(0.5～5)g∶(2～10)mL。
优选的，所述步骤a)中：
所述离心的速率为8000～10000rpm，时间为5～15min；
所述混合的搅拌速率为100～1000rpm，时间为12～36h。
优选的，所述步骤b)中：
所述离心的速率为8000～10000rpm，时间为5～15min；
所述混合的搅拌速率为100～1000rpm，时间为0.1～24h。
优选的，所述步骤a)中，所述溶剂选自二甲基亚砜(即DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(即DMF)和乙醇中的一种或几种。
本发明在金属有机框架MIL-100上担载二氢卟吩e6，再复合透明质酸层遮蔽层，形成可以介导级联反应的纳米颗粒；该纳米颗粒可以在肿瘤部位与过氧化氢发生芬顿反应产生羟基自由基与氧气，产生的羟基自由基可以用于化学动力学治疗，产生的氧气可以缓解肿瘤部位的乏氧；同时，二氢卟吩e6(即Ce6)可以在光照条件下产生高细胞毒性的单线态氧与过氧化氢，由于Ce6在产生单线态氧的过程中需要氧气参与，芬顿反应产生的氧气可以作为氧气来源，而产生的过氧化氢又可以用于芬顿反应，产生羟基自由基与氧气，由此实现无酶的级联反应，具备协同的化学动力学和光动力联合治疗的性能，该无酶级联反应用于肿瘤治疗，达到更好的治疗效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为实施例2所得纳米颗粒的SEM图；
图2为实施例11中抗肿瘤实验的测试图。
具体实施方式
本发明提供了一种介导级联反应的纳米颗粒，包括：
核芯粒子和包裹在所述核芯粒子表面的包裹层；
所述核芯包括金属有机框架MIL-100和负载于所述金属有机框架MIL-100上的二氢卟吩e6；
所述包裹层为透明质酸层。
本发明在金属有机框架MIL-100上担载二氢卟吩e6，再复合透明质酸层遮蔽层，形成可以介导级联反应的纳米颗粒；该纳米颗粒可以在肿瘤部位与过氧化氢发生芬顿反应产生羟基自由基与氧气，产生的羟基自由基可以用于化学动力学治疗，产生的氧气可以缓解肿瘤部位的乏氧；同时，二氢卟吩e6(即Ce6)可以在光照条件下产生高细胞毒性的单线态氧与过氧化氢，由于Ce6在产生单线态氧的过程中需要氧气参与，芬顿反应产生的氧气可以作为氧气来源，而产生的过氧化氢又可以用于芬顿反应，产生羟基自由基与氧气，由此实现无酶的级联反应，具备协同的化学动力学和光动力联合治疗的性能，该无酶级联反应用于肿瘤治疗，达到更好的治疗效果。
本发明中，所述金属有机框架材料MIL-100是具有拓扑结构和丰富孔道的金属有机骨架材料，具体为MIL-100(Fe)材料。其优选通过以下方式制得：将六水合氯化铁和均苯三甲酸通过微波反应制得。具体的，将六水合氯化铁和均苯三甲酸溶于溶剂中，通过微波反应，形成金属有机框架MIL-100。
其中，所述六水合氯化铁和均苯三甲酸的摩尔比优选为(0.2～10)∶(0.2～10)，更优选为(0.2～2)∶(0.2～2)。所述六水合氯化铁和均苯三甲酸的总质量与溶剂的用量比优选为(0.5～5)g∶(10～20)mL，更优选为(0.5～2)g∶(10～15)mL。所述溶剂优选为二甲基亚砜(即DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(即DMF)和乙醇中的一种或几种。所述微波反应的温度优选为120～150℃，更优选为130℃。所述微波反应的时间优选为5～10min，更优选为5min。
本发明中，所述二氢卟吩e6(即Ce6)负载于金属有机框架材料MIL-100上。本发明中，所述金属有机框架材料MIL-100与二氢卟吩e6的质量比优选为(0.5～3)∶(0.5～3)，更优选为(0.5～2)∶(0.5～2)。在本发明的一些实施例中，所述质量比为1∶(0.5～2)。本发明中，所述质量比最优选为1∶0.5。本发明对二氢卟吩e6的来源没有特殊限制，为一般市售品即可。
本发明中，透明质酸(即HA)作为遮蔽层包覆在负载了二氢卟吩e6的金属有机框架材料MIL-100表面。本发明中，所述透明质酸的分子量优选为20000～50000Da，更优选为40000Da。采用透明质酸作为遮蔽层，纳米颗粒会与肿瘤细胞表面的CD44受体发生特异性结合，进一步增加纳米颗粒在肿瘤部位的富集。纳米颗粒到达肿瘤区域后，可以与肿瘤部位高表达的过氧化氢发生芬顿反应产生羟基自由基与氧气，而产生的羟基自由基可以用于化学动力学治疗，产生的氧气可以缓解肿瘤部位的乏氧；光敏剂Ce6在光照条件下会产生高细胞毒性的单线态氧与过氧化氢，由于Ce6在产生单线态氧的过程中需要氧气参与，产生的过氧化氢可以用于芬顿反应，因此实现了肿瘤部位的级联反应。最终，纳米颗粒可以实现协同的化学动力学和光动力学联合治疗。
本发明中，所述核芯粒子(负载了二氢卟吩e6的金属有机框架MIL-100)与透明质酸包裹层的质量比为(0.2～2)∶(0.2～2)，更优选为(0.5～2)∶(0.5～2)。在本发明的一些实施例中，所述质量比为1∶(0.5～2)。本发明中，所述质量比最优选为1∶1。
本发明中，整体纳米颗粒的粒度优选为50～90nm。控制上述合适的尺寸，可以经EPR效应在肿瘤部位选择性富集，再结合上述协同的化学动力学和光动力学联合治疗，能够达到更好的治疗效果。
本发明还提供了一种上述技术方案中所述的介导级联反应的纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：
a)将金属有机框架MIL-100、二氢卟吩e6与溶剂混合后，离心分离，得到负载二氢卟吩e6的金属有机框架MIL-100粒子；
b)将所述负载二氢卟吩e6的金属有机框架MIL-100粒子与透明质酸及水混合后，离心分离，得到纳米颗粒。
关于步骤a)：
本发明中，所述金属有机框架MIL-100与二氢卟吩e6的质量比优选为(0.5～3)∶(0.5～3)，更优选为(0.5～2)∶(0.5～2)。在本发明的一些实施例中，所述质量比为1∶(0.5～2)。
本发明中，所述溶剂优选为二甲基亚砜(即DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(即DMF)和乙醇中的一种或几种。所述金属有机框架MIL-100与溶剂的用量比(0.5～5)mg∶(3～10)mL，更优选为(0.5～2)mg∶(3～8)mL。
本发明中，所述混合过程伴随搅拌，所述搅拌的速率优选为100～1000rpm，更优选为100～500rpm。所述搅拌混合的时间优选为12～36h，更优选为12～24h。混合搅拌结束后，进行离心处理来收集产物。本发明中，所述离心的速率优选为8000～10000rpm，更优选为8000rpm；所述离心的时间优选为5～15min，更优选为10min。经上述处理后，使二氢卟吩e6负载于金属有机框架材料MIL-100上，得到负载了二氢卟吩e6的金属有机框架MIL-100粒子。
关于步骤b)：
本发明中，所述透明质酸(HA)的分子量优选为20000～50000Da，更优选为40000Da。
本发明中，所述负载了二氢卟吩e6的金属有机框架MIL-100与透明质酸的质量比为(0.2～2)∶(0.2～2)，更优选为(0.5～2)∶(0.5～2)。在本发明的一些实施例中，所述质量比为1∶(0.5～2)。
本发明中，所述负载二氢卟吩e6的金属有机框架MIL-100与水的用量比(0.5～5)mg∶(2～10)mL，更优选为(0.5～2)g∶(3～8)mL。
本发明中，所述混合过程伴随搅拌，所述搅拌的速率优选为100～1000rpm，更优选为100～500rpm。所述搅拌混合的时间优选为0.1～24h，更优选为0.2～6h。搅拌结束后，进行离心处理来收集产物。本发明中，所述离心的速率优选为8000～10000rpm，更优选为8000rpm；所述离心的时间优选为5～15min，更优选为10min。经上述处理后，透明质酸作为遮蔽层包覆于负载了二氢卟吩e6的金属有机框架MIL-100粒子表面，形成核-芯结构的纳米颗粒。
本发明中，经上述处理后，优选还进行超声分散。所述超声分散的强度优选为10％～30％；超声分散的时间优选为5～30min。通过上述制备及后续分散处理控制所得纳米颗粒的粒径为50～90nm。
本发明提供的纳米颗粒具有合适的尺寸大小，可以经EPR效应在肿瘤部位选择性富集；同时，用透明质酸作遮蔽层后，纳米颗粒会与肿瘤细胞表面的CD44受体特异性结合，因此可以进一步增加纳米颗粒在肿瘤部位的富集。纳米颗粒到达肿瘤区域后，纳米颗粒可以在肿瘤部位与过氧化氢发生芬顿反应产生羟基自由基与氧气，产生的羟基自由基可以用于化学动力学治疗，产生的氧气可以缓解肿瘤部位的乏氧；同时，二氢卟吩e6(即Ce6)可以在光照条件下产生高细胞毒性的单线态氧与过氧化氢，由于Ce6在产生单线态氧的过程中需要氧气参与，芬顿反应产生的氧气可以作为氧气来源，而产生的过氧化氢又可以用于芬顿反应，产生羟基自由基与氧气，由此实现无酶的级联反应，具备协同的化学动力学和光动力联合治疗的性能，该无酶级联反应用于肿瘤治疗，达到更好的治疗效果。
本发明中，所述纳米颗粒的使用方法如下：将纳米颗粒静脉注射到体内，当纳米颗粒在肿瘤部位的富集量达到最大时，采用激光辐照肿瘤部位。所述激光的波长优选为630～680nm，所用激光器的功率优选为0.1～1W/cm2，照射时间优选为5～20min。
本发明中，纳米颗粒在应用中的涉及的细胞培养、模型及实验如下：
(1)细胞培养：
本发明中，选用4T1细胞系，优选采用含10％胎牛血清的DMEM培养基来培养细胞，所述培养的条件优选为在二氧化碳体积分数为5％的培养箱中进行培养，培养温度优选为37℃。
(2)细胞毒性：
本发明中，细胞毒性评价选用4T1细胞系。将4T1细胞密度按照8000/孔种植于96孔板中，在培养箱中继续培养12h。将不同浓度的纳米颗粒加入孔板中与细胞继续孵育12h，弃去培养基，再用PBS进行洗涤并加入新鲜的培养基(含10％的CCK-8溶液)，继续孵育1h后，在450nm下，通过酶标仪检测每孔的吸光度值。并通过下述公式(1)计算细胞存活率：
细胞存活率(％)＝(A样品/A空白)×100公式(1)。
(3)动物模型：
本发明中，实验选用4T1肿瘤模型，实验所用小鼠均为Balb/c小白鼠。将密度为2×106的4T1细胞接种在小鼠的右后肢外侧皮下，待肿瘤体积长所需体积时，开始进行动物水平的生物分布实验和治疗实验。
(4)生物分布：
发明中，将一定浓度的纳米颗粒通过尾静脉注射到荷瘤小鼠体内，分别在6h、12h、24h和48h将小鼠的心、肝、脾、肺、肾和肿瘤解剖取出，通过荧光成像仪器采集各脏器与肿瘤的荧光信号。
(5)光动力治疗实验：
本发明中，体外光动力治疗实验选用4T1细胞系。首先将4T1细胞按照每孔8×103细胞的密度种植于96孔板中，在于培养箱中继续培养12h。将不同浓度的纳米颗粒加入孔板中与细胞孵育12h后，采用激光来辐照细胞(671nm，80mW/cm2)，照射时间为每孔5～15min，优选为5～10min，最优选为10min。激光辐照后继续孵育24h，弃去培养基，再用PBS进行洗涤并加入新鲜的培养基(含10％的CCK-8溶液)，继续孵育1h。在450nm下，通过酶标仪检测每孔的吸光度值。并通过上述公式(1)计算细胞存活率。
体内光动力实验选用4T1肿瘤模型，待肿瘤体积长至100mm3时，将纳米颗粒通过尾静脉注射到小鼠体内，当肿瘤部位的富集量达到最大时，采用激光来辐照肿瘤部位，激光器功率优选为0.3W/cm2，更优选照射时间优选为5～15min，最优选为10min，在14天后对比肿瘤的体积变化(每三天注射一次材料，注射材料12h后进行激光辐照)。
肿瘤体积可通过以下公式(2)来计算：
肿瘤体积：V＝ab2/2
其中，a为肿瘤的长，b为肿瘤的宽。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。以下实施例中所用到的试剂均为市售商品。
实施例1～9
S1、MIL-100的制备：
将六水合氯化铁与均苯三甲酸按摩尔比2.25∶1加入DMF溶剂中(反应原料总质量与溶剂的用量比为1.12g∶10mL)，控制微波反应温度为130℃，反应5min，得到金属有机框架材料MIL-100。
S2、纳米颗粒的制备：
将金属有机框架材料MIL-100、Ce6与溶剂DMSO混合搅拌(Ce6∶MIL-100的质量比＝0.5～2∶1；体系内物料总体积为8mL)，搅拌速率为300rpm，搅拌12h。之后，离心收集产物，离心速率为8000rpm，离心时间为10min，得到负载了Ce6的MIL-100(记为CM)。
将所得CM、透明质酸(HA，分子量为40000Da)与水混合搅拌(HA∶CM的质量比＝0.5～2∶1；体系内物料总体积为4mL)，搅拌速率为300rpm，搅拌0.5h。之后，离心收集产物，离心速率为8000rpm，离心时间为10min，得到纳米颗粒。
实施例1～9中，MIL-100、Ce6及HA的用量比参见表1。
表1实施例1～9的原料用量比
Figure BDA0002618667820000081
Figure BDA0002618667820000091
利用扫描电镜对实施例2制备得到的纳米颗粒进行分析，得到扫描电镜图片，如图1所示，图1为实施例2所得纳米颗粒的SEM图。结果表明，实施例2制备的纳米颗粒尺寸在50～90nm之间。
实施例10
体内生物分布检测
实验过程如下：选用20g左右的Balb/C小白鼠，在肿瘤接种前，取对数生长期的4T1细胞，按照每只小鼠5×106细胞的密度接种在小鼠右后肢外侧皮下，待肿瘤体积长至200～500mm3，将实施例2得到的纳米颗粒经尾静脉注射到小鼠体内，在不同时间点，解剖取出小鼠的心、肝、脾、肺、肾和肿瘤，通过荧光成像仪器对各脏器与肿瘤的荧光信号进行检测。
实验结果显示，在12h内随着注射时间的延长，肿瘤的荧光信号逐渐增强。这是因为纳米颗粒具有合适的尺寸大小，可以通过EPR效应在肿瘤部位富集以及透明质酸遮蔽之后具有主动靶向的能力，使得纳米颗粒具有一定的肿瘤富集能力。
实施例11
体内光热实验选用4T1肿瘤模型，采用20g左右的Balb/C小白鼠，按照每只小鼠2.0×106细胞的密度接种在小鼠右后肢外侧皮下，待肿瘤体积长至100mm3时，将实施例2纳米颗粒经尾静脉注射到小鼠体内，当纳米颗粒在肿瘤部位的富集量达到最大时，采用671nm激光来辐照肿瘤部位，激光器功率为0.3W/cm2，照射时间为10min，在14天后对比肿瘤体积的变化。
实验结果对比：测试结果参见图2，图2为实施例11中抗肿瘤实验的测试图。可以看出，PBS与PBS+L组没有显示出明显的差别，表明激光的辐照对于肿瘤的生长没有明显的影响，而CMH组显示出一定的治疗效果，这是由于纳米颗粒可以与肿瘤部位高表达的过氧化氢发生芬顿反应产生羟基自由基，其可以用于杀伤肿瘤细胞。此外，CMH+L组显示出显著的抑制肿瘤的效果，这是由于协同的化学动力学与光动力学治疗的效果。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种介导级联反应的纳米颗粒，其特征在于，包括：
核芯粒子和包裹在所述核芯粒子表面的包裹层；
所述核芯包括金属有机框架MIL-100和负载于所述金属有机框架MIL-100上的二氢卟吩e6；
所述包裹层为透明质酸层。
2.根据权利要求1所述的纳米颗粒，其特征在于，所述核芯粒子与包裹层的质量比为(0.2～2)∶(0.2～2)。
3.根据权利要求1或2所述的纳米颗粒，其特征在于，所述核芯粒子中，金属有机框架MIL-100与二氢卟吩e6的质量比为(0.5～3)∶(0.5～3)。
4.根据权利要求1所述的纳米颗粒，其特征在于，所述纳米颗粒的粒度为50～90nm。
5.一种权利要求1～4中任一项所述的介导级联反应的纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将金属有机框架MIL-100、二氢卟吩e6与溶剂混合后，离心分离，得到负载二氢卟吩e6的金属有机框架MIL-100粒子；
b)将所述负载二氢卟吩e6的金属有机框架MIL-100粒子与透明质酸及水混合后，离心分离，得到纳米颗粒。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述金属有机框架MIL-100与二氢卟吩e6的质量比为(0.5～3)∶(0.5～3)；
所述金属有机框架MIL-100与溶剂的用量比(0.5～5)mg∶(3～10)mL。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中，所述负载二氢卟吩e6的金属有机框架MIL-100与透明质酸的质量比为(0.2～2)∶(0.2～2)；
所述负载二氢卟吩e6的金属有机框架MIL-100与水的用量比(0.5～5)g∶(2～10)mL。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中：
所述离心的速率为8000～10000rpm，时间为5～15min；
所述混合的搅拌速率为100～1000rpm，时间为12～36h。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中：
所述离心的速率为8000～10000rpm，时间为5～15min；
所述混合的搅拌速率为100～1000rpm，时间为0.1～24h。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述溶剂选自二甲基亚砜(即DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(即DMF)和乙醇中的一种或几种。
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