CN112107594A - 共价有机纳米片材料的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种共价有机纳米片材料在制备预防和/或治疗放射性核素引起的辐射损伤药物中的应用，其中共价有机纳米片材料中包括多个偕胺肟基团。本发明公开了共价有机纳米片材料的新用途，利用多个偕胺肟的协同作用螯合配位放射性核素，其对放射性核素具有很高的选择性，突破以往小分子配体代谢快、毒性强、促排效果差的瓶颈。

Description

共价有机纳米片材料的应用

技术领域

本发明涉及核素促排剂领域，尤其涉及一种共价有机纳米片材料的应用。

背景技术

近年来核事故和核恐怖袭击事件频发，核安全防护得到高度重视。锕系元素具有高化学毒性和放射性，一旦进入血液中会快速沉积到脏器中并引起内照射，以及重金属的化学毒性会引发肾衰竭、骨癌等，严重可致死。目前，使用螯合剂络合核素离子并促进其排出体外是减轻内污染的最有效的方法。然而，锕系元素促排剂近30年来研究进展极为缓慢，唯一被批准的DTPA类促排剂促排效率有限，因此急需探索新型低毒高效的核素促排剂以保障国家公共卫生安全。

DTPA的透膜性差及低离子选择性限制了其促排效率，基于此，国内外针对DTPA改性、有机膦酸类和几种铁载体(邻苯酚类，异羟肟酸类和羟基吡啶酮类)进行了大量的研究工作。有机膦酸类配体对核素铀虽具有一定的促排效果，但其生理毒性和低选择性限制了该类配体的深入研究和应用。目前，我国主要集中在研究DTPA改性和邻苯酚类配体，仍未得到有效的核素促排剂满足需求。美国加州大学伯克利分校Raymond,Kenneth.N组在邻苯酚和羟基吡啶酮类配体开展了全面研究工作，经过大量实验研究表明羟基吡啶酮类促排剂3,4,3-LI(1,2-HOPO)和5-LIO(Me-3,2-HOPO)对锕系元素钚、镅、镎、铀等有很好的促排效果，且口服有效。这两种配体唯一的不足是无法去除骨骼中的铀。

发明人所在团队提出弱化分子内氢键提高羟基吡啶酮类促排配体对锕系元素络合能力的新思路，制备出一例新促排配体(5LIO-1-Cm-3,2-HOPO)，实验结果和理论计算均表明该配体对锕系元素铀具有很强的选择性络合能力。小鼠促排实验结果表明，不论是口服给药、单次注射给药或延迟多次注射给药均能够对铀达到很好的促排效果，尤其是铀的骨骼促排效果比最优配体提升数倍，是目前首个可以高效去除骨骼中的铀的羟基吡啶酮类配体，且非常好的保持了肾脏中铀的促排效果，综合促排效果明显优于现有四齿HOPO促排剂，在国际上率先实现了具有实际意义的铀骨骼促排，在核应急领域具有很好的应用潜力。

但是以上工作主要集中在有机小分子促排剂的开发与研究，着重研究核素引入体内后促进核素的排出，然而在某些场景中，如核电事故现场救治与清理，核战争中使用贫铀弹，乏燃料后处理和铀矿开采等情况下，相关人员已提前知晓其即将进入存在核素污染的环境中，势必会导致核素引入体内，引起内污染。在这种情况下提前进行预防护措施尤为重要，即预先服用促排剂，一旦有核素引入体内可立即将核素捕获并排出体外，这比受到内污染后再服用促排剂的促排效果要好的多。然而小分子促排剂生物半衰期短生物毒性高、透膜性和选择性差共同限制了小分子促排剂在辐射与防护方面的应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种共价有机纳米片材料的应用，本发明公开了共价有机纳米片材料的新用途，其对放射性核素具有很高的选择性，突破以往小分子配体代谢快、毒性强、促排效果差的瓶颈。

本发明所采用的技术方法如下：

本发明公开了共价有机纳米片材料(CONs材料)在制备预防和/或治疗放射性核素引起的辐射损伤药物中的应用，共价有机纳米片材料包括多个偕胺肟基团。

进一步地，共价有机纳米片材料包括多个如下基团中的一种所形成的多孔材料：

其中，X为卤素，n的平均值为3。

进一步地，X为氯或溴。

优选地，共价有机纳米片材料为CON-AO，其包括多个如下基团：

其中，X为卤素，n的平均值为3。

CON-AO作为一种纳米共价有机框架材料(CONs)，是有机配体通过共价键连接形成二维或三维框架结构，CON-AO的孔道内接枝有多个偕胺肟，通过多个偕胺肟的协同作用螯合配位放射性核素。与MOFs和传统的微孔材料相比，CONs具有稳定性强、比表面积大、孔道尺寸可调节、易修饰、可设计性强等优势。CONs材料很好的规避了金属离子引入生物体内，降低了生物毒性。

进一步地，采用逐步后修饰的方法制备CON-AO，同时制备完成后，采用超声波降解法将CON-AO的厚度降至约3nm。后修饰和液体溶剂超声波降解法能增加材料层间距并削弱层间的π-π相互作用，导致材料形成更薄更更小的纳米片，这为后期的生物应用奠定了良好的基础。

进一步地，共价有机纳米片材料的尺寸为100-800nm，厚度约为3nm。

进一步地，药物为放射性核素促排剂，放射性核素促排剂用于促排锕系元素和/或重金属元素。

优选地，锕系元素为铀、钍、镎、钚和镅中的一种或几种。重金属元素为汞和/或铅。

更优选地，放射性核素促排剂用于促排铀。

进一步地，药物用于促排骨骼、肾脏和肝脏中的一种或几种中的放射性核素。

进一步地，药物为注射剂。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明公开了CONs材料的新用途，结合胺肟对铀酰离子的强螯合能力和CONs材料的孔道效应和立体效应，利用CONs材料的本征结构优势，CONs材料可快速捕获放射性核素并加速排出体外。CONs材料对放射性核素具有很高的选择性，与DTPA相比，CONs材料可显著提高肾脏中放射性核素的促排率。CONs材料有望突破以往小分子配体代谢快、毒性强、促排效果差的瓶颈，成功拓展出一类崭新的可用于辐射治疗和预防护的放射性核素促排剂，其生物毒性低，生物半衰期长，可高效促排肾脏和骨骼中的放射性核素，对核能的安全高效发展和核安全应急具有重要的现实意义。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

附图说明

图1是CON-AO的合成原理示意图；

图2是COF-Amine和CON-AO的原子力显微镜图像及相应的厚度测试结果；

图3是CON-AO在铀酰溶液和HEPES溶液中的吸附性能测试结果；

图4是不同材料的综合细胞毒性(*p<0.05,**p<0.01,***p<0.001,与对照组相比)。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

参见图1，本实施例通过逐步后修饰的合成方法，制备了偕胺肟修饰的纳米片CON-AO，CON-AO的合成步骤如下：

(1)COF-Imine的合成：向耐热Schlenk玻璃管(10mL)称取对苯二甲醛(32mg，0.24mmol)和1,3,5-三(4-氨基苯基)苯(56mg，0.16mmol)，缓慢加入溶剂邻二氯苯(0.5mL)、溶剂正丁醇(0.5mL)和催化剂乙酸(0.1mL，6M)。超声两分钟后，将反应试管液氮冷冻-抽真空-充氮气，循环三次，充入氮气保护然后密封。放置于120℃烘箱中静置反应72h，生成黄色固体。固体经离心分离，用四氢呋喃和乙醇洗涤，然后用四氢呋喃索式提取活化24h，50℃真空烘箱干燥6h。反应路线如下：

为了制备其他结构的CONs材料，该步骤中，对苯二甲醛还可以替换为以下结构式的单体：

(2)COF-Amine的合成：向50mL的圆底烧瓶中称取COF-Imine(250mg)和还原剂硼氢化钠(1130mg，29.87mmol)，加入25mL无水四氢呋喃。N₂气氛围中超声30分钟，然后室温搅拌12h。将水和无水乙醇(4:1，v/v)的混合溶液缓慢加入反应中，搅拌30min，淬灭过量的硼氢化钠。黄色固体经离心分离后，分别用水、四氢呋喃和无水乙醇洗涤，50℃真空烘箱干燥6h，产量约为135mg。反应路线如下：

(3)CON-Br的合成：向COF-Amine(250mg)和氢化钠(600mg，25mmol)中加入25mL无水N,N'-二甲基甲酰胺(DMF)，室温搅拌30分钟。向反应物中加入1,4-双(溴甲基)苯(3.96g，15mmol)，氮气保护下搅拌12h。反应结束后，将20mL无水乙醇中缓慢加入橙黄色反应液中，搅拌10min，以淬灭过量的氢化钠。离心分离固体产物，分别用无水乙醇、四氢呋喃和无水乙醇洗涤。50℃的真空烘箱中干燥产物6h，产量约为180mg。该步骤中，1,4-双(溴甲基)苯还可以替换为等摩尔的1,4-双(氯甲基)苯。反应路线如下：

(4)CON-CN的合成:采用原子转移自由基聚合(ATRP)法制备，向耐热Schlenk玻璃管中加入CON-Br(25mg)、丙烯腈(2.89mL，41.51mmol)、三(2-二甲氨基乙基)胺(38mg，0.16mmol)、溴化铜(1mg，0.004mmol)和二甲基亚砜(1.615mL)，将反应管放在冰水中冷却15min，与此同时向溶液不断充入氮气以排除溶液中少量的溶解氧，然后向管中加入溴化亚铜(14.3mg，0.10mmol)，液氮冷冻抽真空中脱气3次。65℃搅拌反应24h后，将反应混合物冷却至室温，离心分离得到黄色固体，分别用DMF和无水乙醇洗涤。固体在50℃的真空烘箱中干燥6h，产量约为19.7mg。反应路线如下，其中，n为3：

(5)CON-AO的合成:称取CON-CN(20mg，0.188mmol)、盐酸羟胺(130mg，0.94mmol)和三乙胺(190mg，0.94mmol)，加入25mL无水乙醇。氮气保护下，80℃搅拌反应24h，离心分离黄色固体，无水乙醇洗涤。产物在50℃的真空烘箱中干燥6h，产量约为15.8mg。反应路线如下，其中，n为3：

为验证CON-AO形成的是纳米片形式，通过原子力显微镜(AFM)测定了CON-AO的厚度，并与原始材料COF-Imine进行对比。AFM测试分析前，CON-AO和COF-Imine均分散在乙醇中超声1h。如图2所示，图2a、b分别为COF-Amine和CON-AO的原子力显微镜图，COF-Imine的厚度为37nm；而CON-AO约为3nm(图2d)，仅为COF-Imine的1/12(图2c)，表明形成了共价有机纳米薄片。结果表明：后修饰和液体溶剂超声波降解法能增加材料层间距并削弱层间的π-π相互作用，导致材料形成更薄更更小的纳米片，这为后期的生物应用奠定了良好的基础。

实施例2

为研究生理pH条件下及溶液pH值对吸附的影响，本发明还研究了pH 3-9下实施例1制备的CON-AO对铀酰的吸附能力。

震荡分散CON-AO(5.0mg)的铀溶液(10mL，8.0ppm)，震荡时间分别为1h，12h和24h，分别测试铀溶液pH值在3～9之间时，CON-AO对UO₂ ²⁺(8ppm)的去除率。如图3a所示，随着pH值由3.0提高到6.0，铀的去除率明显提高，pH为6.0时最大去除率可达98％，随后略有下降。这一现象是是因为纳米薄片上的活性结合位点(羟基)的脱质子反应导致对铀酰的结合增强。在生理pH值7.4，铀酰去除效率约为90％，表明CON-AO适用于体内铀酰离子的去除。

实施例3

铀酰离子在生物体内与其他二价金属元素的选择性是评价体内铀螯合剂优劣的关键因素。为此，验证了CON-AO体外对铀酰的吸附选择性。

第一组选择性实验采用的是UO₂ ²⁺(10ppm)和分别和不同的二价金属离子(50ppm，Mg²⁺、Ca²⁺、Co²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺和Zn²⁺)组成的双金属组分HEPES缓冲溶液；第二组选择性实验是UO₂ ²⁺(4ppm)和混合的二价金属离子(10ppm，Mg²⁺、Ca²⁺、Co²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺和Zn²⁺)的多组分HEPES缓冲溶液。

从图3b中可以看出，尽管其它离子的浓度是UO₂ ²⁺的5倍，但在每组中UO₂ ²⁺的去除率为85.39％～94.5％，而CON-AO对其他的二价金属离子的去除率最高仅为3.78％。第二组选择性吸附实验发现，CON-AO对UO₂ ²⁺去除率为94.27％，而其他共存离子的去除率仅为5.2％～0.48％，表明CON-AO材料对UO₂ ²⁺具有极高的选择性(图3c)。优异的吸附选择性表明CON-AO是一种有希望用于铀的体内去除的候选材料。

实施例4

在体内促排前，为了评估CON-AO的生物细胞毒性，使用肾小管上皮细胞(NRK-52E细胞)与12.4μM UO₂(NO₃)₂·6H₂O和不同配体进行测定，配体的浓度(ZnNa₃-DTPA或CON-AO)分别为3.13、6.25、12.50、25.00、37.50和50.00μg/mL)。通过cck-8实验共同处理铀酰和配体，后根据公式：OD(实验组)/OD(对照组)×100％进行计算，确定细胞存活率。如图4所示，当促排剂的浓度从0逐渐增加到50.00μg/mL，ZnNa₃-DTPA和CON-AO呈现类似的细胞存活率下降趋势，表明相同浓度的CON-AO和ZnNa₃-DTPA具有相似的细胞毒性。

由于CON-AO在生理pH值(7.4)下对铀酰具有良好的吸附和选择性，研究了CON-AO在体内对铀的去除效率：

使用雌性昆明小鼠进行体内铀的促排实验。其中U(VI)+CON-AO组：注入CON-AO采用预给药和立即给药两种给药方式：预给药是将CON-AO提前静脉注射1h，后静脉注射铀的水溶液；立即给药是静脉注射铀溶液后立即静脉注射CON-AO。在静脉注射24h后，将小鼠解剖获得肾脏和股骨组织。为了作为对照，利用同样的方式注射ZnNa₃-DTPA和生理盐水，分别记为U(VI)+ZnNa₃-DTPA组和U(VI)+NS。测试不同试验组的U(VI)在肾脏和骨骼中的浓度，结果如表1-2所示。

表1：U(VI)在肾脏和骨骼中的浓度(μg/g)

表2：U(VI)在肾脏和股骨中的浓度(μg/g)

如表1-2所示，与对照组相比，去铀酰对小鼠肾脏和股骨的CON-AO和DTPA-ZnNa₃的治疗效果，结果表明，只注射铀的生理盐水的对照组中肾脏和股骨中铀的含量分别为9.76±1.03和3.28±0.45每微克/克。预给药组中，CON-AO在肾脏和股骨组织的铀含量为7.11±0.57和2.37±0.34每微克/克，计算表明预给药肾脏和股骨的铀的去除效率为27％和27％，而ZnNa₃-DTPA在肾脏和股骨的沉积量分别为8.28±3.13和3.23±0.80每微克/克，由此表明CON-AO具有一定的预防护效果，而小分子ZnNa₃-DTPA因其生物半衰期短，给药1h后注射核素铀时，小鼠体内大部分的ZnNa₃-DTPA已被代谢掉。在立即给药的实验中，铀在肾脏的含量为4.89±1.15每微克/克，铀的去除效率为49.9％。而用ZnNa₃-DTPA处理的组中，仅仅只有11.4％的铀从肾脏去除。CON-AO在预给药和立即注射与ZnNa₃-DTPA组相比，肾脏去除铀效率分别提高了2倍和4倍。以上结果表明，与ZnNa₃-DTPA相比，CON-AO具有较长的生物半衰期，可有效预捕获血液和组织中的铀并促进排出体外，有一定的辐射防护作用。

综上，本发明的有机共价纳米片(CONs)尤其是CON-AO，对铀具有高选择性，其生物毒性低，生物半衰期长，可高效促排肾脏和骨骼中的铀，可用于辐射的治疗和预防护。

以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.共价有机纳米片材料在制备预防和/或治疗放射性核素引起的辐射损伤药物中的应用，所述共价有机纳米片材料中包括多个偕胺肟基团。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述共价有机纳米片材料包括多个如下基团中的一种所形成的多孔材料：

其中，X为卤素，n的平均值为3。

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：X为氯或溴。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述共价有机纳米片材料的尺寸为100-800nm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的应用，其特征在于：药物为放射性核素促排剂，所述放射性核素促排剂用于促排锕系元素和/或重金属元素。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的应用，其特征在于：药物用于促排骨骼、肾脏和肝脏中的一种或几种中的放射性核素。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的应用，其特征在于：药物为注射剂。

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