CN112121154A - 一种肿瘤微环境响应的co气体治疗剂及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种肿瘤微环境响应的CO气体治疗剂及其制备方法和应用，属于医药技术领域。该治疗剂为Fe‑Bpydc纳米颗粒；在所述Fe‑Bpydc纳米颗粒的骨架上修饰有MnBr(CO)5，同时在所述Fe‑Bpydc纳米颗粒的孔道内还吸附有葡萄糖氧化酶GOx。本发明气体治疗剂中MnBr(CO)5在肿瘤微环境中过表达的H2O2的响应下释放CO气体，同时降解出的二价铁离子与肿瘤内过表达的H2O2反应产生•OH用于ROS治疗，通过结合二者的相互协同增效，进一步提高CO气体治疗剂对肿瘤的杀伤作用。
Description
技术领域
本发明属于医药技术领域，具体涉及一种肿瘤微环境响应的CO气体治疗剂及其制备方法和应用。
背景技术
气体治疗是一种新兴的、且非常有应用前景的肿瘤治疗新方法。高浓度的治疗性气体不仅可以通过抑制肿瘤细胞线粒体呼吸和能量代谢，诱导肿瘤细胞凋亡；还可以通过激活正常细胞的抗炎通路来降低传统肿瘤治疗方法对正常细胞产生的非特异性炎性损伤。CO作为一种多功能的气体分子在生物医用领域具有广泛的应用。例如，CO气体能够有效增强肿瘤细胞对化疗药物如阿霉素等的敏感性，同时对热疗引发的炎性反应具有明显的抑制作用。然而，气体的产生不受控制或不足，治疗机制的不明确，以及气体分子难以在肿瘤组织中有效蓄积，导致其治疗效果受限；其次过量CO气体进入血液还可能带来CO中毒的风险。
因此，如何实现气体分子的肿瘤靶向传输、可控气体释放、并辅助传统的肿瘤治疗方法进行减毒和增效，仍被认为是气体治疗应用于临床的一大挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种特异性强、可控释放且合成方法简单的肿瘤微环境响应性释放的CO治疗剂。
本发明的另一目的是提供上述CO气体治疗剂的制备及其应用。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种肿瘤微环境响应性释放的CO气体治疗剂，该治疗剂为Fe-Bpydc纳米颗粒；
在所述Fe-Bpydc纳米颗粒的骨架上修饰有MnBr(CO)5，同时在所述Fe-Bpydc纳米颗粒的孔道内还吸附有葡萄糖氧化酶GOx。
上述CO气体治疗剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，以2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸和无水乙酸铁为原料，采用高温溶剂热的方法合成空白Fe-Bpydc纳米颗粒；
步骤2，将MnBr(CO)5加到空白Fe-Bpydc纳米颗粒的乙醇溶液中，加热反应，制得修饰有MnBr(CO)5的Fe-Bpydc纳米颗粒；
步骤3，将步骤2得到的纳米颗粒分散在水中，然后加入葡萄糖氧化酶GOx，避光搅拌，制得CO气体治疗剂。
进一步地，步骤1的具体过程为：将2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸和无水乙酸铁分别溶于N,N'-二甲基甲酰胺制成溶液，然后将两溶液混合，置于四氟乙烯高压内衬反应釜中进行反应，制得空白Fe-Bpydc纳米颗粒。
上述CO气体治疗剂在制备治疗肿瘤的药物中的应用。
有益效果：本发明通过将具有介孔的Fe-Bpydc纳米颗粒作为载体，高效担载MnBr(CO)5（CO气体释放分子）和葡萄糖氧化酶GOx，构建得到一种肿瘤微环境响应性的CO气体治疗剂。肿瘤细胞内的葡萄糖会在GOx的催化下生成葡萄糖酸和H2O2；葡萄糖酸会降低肿瘤微环境的pH值从而促进Fe-Bpydc纳米颗粒的降解，并释放出MnBr(CO)5与肿瘤细胞内过的H2O2反应并释放出CO气体；肿瘤细胞内过表达的GSH还原降解释放出的Fe3+到Fe2+并与肿瘤细胞内的H2O2发生Fenton反应产生•OH。
本发明的治疗剂具有肿瘤微环境响应性的特性，通过肿瘤微环境内过表达的H2O2来实现CO气体的可控释放。采用上述CO气体治疗剂是一种无创、绿色的肿瘤治疗方式；本发明的CO气体治疗剂，可实现气体治疗，并结合治疗剂本身分解产生的活性氧进一步增强治疗效果，实现更高效的抗肿瘤治疗；此外，本发明的治疗剂合成步骤比较简单，且产率较高；进一步地，由于合成方法简单，成本较低，因而适合大规模生产。
附图说明
图1为Fe-Bpydc纳米颗粒的SEM照片(a)、(b)。
图2为Fe-Bpydc纳米颗粒的粒径分布图(a)和红外光谱(b)。
图3为Fe-Bpydc@MnBr(CO)5和Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx的CO释放性能测定结果。(a)和(c)分别为Fe-Bpydc@MnBr(CO)5在40 µM H2O2的PBS溶液 (a)和Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx 在40 µM GO的PBS溶液 (c)避光条件下利用牛血清蛋白还原法的紫外光谱时间变化曲线，(b) 和(d)分别为 Fe-Bpydc@MnBr(CO)5在不同浓度H2O2的PBS溶液中CO释放曲线(b) 、Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx在不同浓度GO的PBS溶液中CO释放曲线(d)。
图4为Fe-Bpydc产生•OH性能测定结果。(a)为不同浓度的Fe-Bpydc在pH 4.5 H2O2的PBS溶液中与四甲基联苯胺(TMB)发生显色反应在652 nm处出峰的紫外光谱图，(b)为颜色变化图（从左至右浓度依次增大）。
图5为Fe-Bpydc在0.2 mM GSH (a)、2 mM GSH (b)中释放的Fe2+与邻菲罗啉发生显色反应在512 nm处出峰随时间变化的紫外光谱图，Fe-Bpydc中Fe2+释放标准曲线(R2=0.999) (c)，Fe-Bpydc在不同浓度GSH中Fe2+的释放百分比(d)。
图6为Hela和MCF-7两种细胞在不同浓度的Fe-Bpydc中的细胞活性(a)， Hela和MCF-7两种细胞在不同浓度的Fe-Bpydc、Fe-Bpydc@MnBr(CO)5、Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx中的细胞毒性。
图7为Hela细胞分别在Fe-Bpydc、Fe-Bpydc@MnBr(CO)5、Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx培养下的细胞内CO释放的共聚焦荧光成像(a), Hela细胞分别在Fe-Bpydc、Fe-Bpydc@MnBr(CO)5、Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx培养下的细胞内ROS的共聚焦荧光成像(b)。
具体实施方式
为详细说明本发明的结构特征、技术手段以及所实现的目的及效果，以下结合实施方式并配合附图进行详细说明。
本发明提供了一种肿瘤微环境响应的CO气体治疗剂，包括具有高孔隙率Fe-Bpydc纳米颗粒，在该纳米颗粒的骨架上修饰有CO前驱分子MnBr(CO)5以及为了进一步提高肿瘤内H2O2浓度负载的葡萄糖氧化酶GOx。
具体地，所述Fe-Bpydc纳米颗粒为直径约为150 nm左右的纳米球。
上述CO气体治疗剂的制备方法包括以下步骤：
步骤1，采用高温溶剂热的制备方法合成Fe-Bpydc纳米颗粒。
将61 mg的2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸溶于20 mL 的N,N'-二甲基甲酰胺(DMF)并搅拌10分钟、94.5 mg无水乙酸铁溶于10 mL 的DMF，在磁力搅拌下将两溶液加入到50 mL的四氟乙烯高压内衬反应釜中，在120°C的烘箱中反应48小时。反应结束后，产物通过离心收集，用DMF和无水乙醇洗涤3次。最后得到的红棕色产物分散在10 mL无水乙醇中。
所述DMF、无水乙醇、无水乙酸铁和2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸皆为制备常用的化学原料，均可直接从试剂网上订购。
所述反应的最佳温度为120 °C，反应时间为48 h。所述得到的Fe-Bpydc纳米颗粒直径约为150 nm左右。
步骤2，采用化学键合的方法，将MnBr(CO)5分子修饰到Fe-Bpydc纳米颗粒的骨架上，从而得到携带CO前驱分子的纳米颗粒。
将Fe-Bpydc分散在甲醇溶液中浸泡1天，中间更换甲醇溶液三次。称取30 mg的MnBr(CO)5加入到2 mg/mL的Fe-Bpydc乙醇溶液中，室温搅拌12小时，随后转入到75°C的油浴锅加热搅拌4小时。待反应结束后，自然冷却至室温，通过6000 rpm、5 min离心收集产物，无水乙醇洗涤3次后冷冻干燥避光保存Fe-Bpydc@MnBr(CO)5。
步骤3，采用物理吸附的方法，将GOx吸附到具有高孔隙率的Fe-Bpydc纳米颗粒的孔道和表面，得到肿瘤微环境响应性功能的最终产物Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx。
将所述Fe-Bpydc@MnBr(CO)5取5 mg分散在10 mL水中，加入2 mg的GOx，避光常温搅拌12 h后，离心收集并用水洗涤3次，最后产物冷冻干燥避光保存。
上述制备方法得到的CO气体治疗剂，包括纳米球状Fe-Bpydc纳米颗粒、CO前驱分子MnBr(CO)5和GOx。
所述Fe-Bpydc纳米球直径为150nm左右，且骨架上修饰MnBr(CO)5、孔道内负载GOx。
所述的CO气体释放分子为MnBr(CO)5。
本发明的CO治疗剂具有肿瘤微环境响应的功能，在肿瘤内的H2O2环境下释放出CO气体。本发明的CO气体释放分子MnBr(CO)5在肿瘤微环境中过表达的H2O2的响应下释放CO气体。所述CO治疗剂在肿瘤微环境的响应下通过MnBr(CO)5释放出CO气体分子可用于肿瘤气体治疗，同时释放出的二价铁离子与肿瘤内过表达的H2O2反应产生•OH用于ROS治疗。通过结合二者的相互协同增效，进一步提高CO气体治疗剂对肿瘤的杀伤作用。本发明的CO治疗剂实现了CO气体在肿瘤内的可控释放，并通过Fe2+与H2O2反应生成羟基自由基，实现ROS的协同治疗。
本发明的肿瘤微环境响应性释放CO气体治疗剂可用于制备治疗肿瘤的制剂。
所述的治疗肿瘤的制剂为所述CO治疗剂在所述的肿瘤微环境响应释放CO气体治疗。
可以理解的，所述ROS治疗与CO气体能够抑制肿瘤细胞生长并杀死癌细胞，因此，本发明的CO治疗剂是一种无创、高效、低毒、绿色的肿瘤治疗方式。
本发明的肿瘤CO治疗剂的制备方法，其合成原料价格低廉且制备工艺简单、易于大规模生产。此外，利用本发明制备方法得到的CO治疗剂具有良好的单分散性和稳定性、良好的生物相容性以及高的CO气体负载量和具有肿瘤微环境响应的气体释放。
下面通过具体实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
（1）制备Fe-Bpydc纳米颗粒。
将61 mg的2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸溶于20 mL 的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)并搅拌10分钟、94.5 mg无水乙酸铁溶于10 mL 的DMF，在磁力搅拌下将两溶液加入到50 mL的四氟乙烯高压内衬反应釜中，在120°C的烘箱中反应48小时。反应结束后，产物通过离心收集，用DMF和无水乙醇洗涤3次。最后得到的红棕色产物分散在10 mL无水乙醇中。
（2）制备MnBr(CO)5修饰的Fe-Bpydc纳米颗粒（Fe-Bpydc@MnBr(CO)5）。
将Fe-Bpydc分散在甲醇溶液中浸泡1天，中间更换甲醇溶液三次。称取30 mg的MnBr(CO)5加入到2 mg/mL的Fe-Bpydc乙醇溶液中，室温搅拌12小时，随后转入到75 °C的油浴锅加热搅拌4小时。待反应结束后，自然冷却至室温，产物通过6000 rpm，5 min离心收集产物，无水乙醇洗涤3次后冷冻干燥避光保存Fe-Bpydc@MnBr(CO)5。
（3）制备Fe-Bpydc@MnBr(CO)5表面嫁接GOx的Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx。
将所述Fe-Bpydc@MnBr(CO)5取5mg分散在10mL水中，加入2mg的GOx，避光常温搅拌12 h后，离心收集并用水洗涤3次，最后产物冷冻干燥避光保存。
性能测试：
1. Fe-Bpydc纳米颗粒的形貌测定
图1是实施例1制备的为实施例1中Fe-Bpydc纳米颗粒的SEM照片(a)、(b)。
2. Fe-Bpydc、Fe-Bpydc@MnBr(CO)5性能测定
由图2中(a)可知合成的Fe-Bpydc纳米球直径为150 nm 左右，且分散均匀。
图2中(b)通过对MnBr(CO)5、Fe-Bpydc和Fe-Bpydc@MnBr(CO)5纳米复合物的红外光谱的比较，可以发现在MnBr(CO)5装载到Fe-Bpydc后，MnBr(CO)5的三个羰基峰减少为两个峰(图中的灰色区域)，这表明在Fe-Bpydc的内/外表面上联吡啶被羰基部分取代。
3. 测定Fe-Bpydc@MnBr(CO)5和Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx的CO释放性能测定
通过测量血红蛋白(Hb)向羧基血红蛋白(HbCO)的转化，用分光光度法检测PBS中释放
的一氧化碳。首先，将实施例1制备的Fe-Bpydc@MnBr(CO)5配成浓度100 µg/mL的PBS溶液，
将来自牛红细胞的血红蛋白（最终浓度为4.2 mM）完全溶解在含有不同浓度H2O2的磷酸盐缓
冲盐水（10 mM，pH=7.4）中。然后，通过在氮气氛下加入1.6 mg的连二亚硫酸钠将其还原。然
后将溶液加入新制备的血红蛋白溶液中。立即将整个反应溶液（4 mL）密封在4mL紫外石英
试管中。溶液的紫外吸收光谱(I= 350–600 nm)在紫外/可见分光光度计上收集。为了消除
影响因素和提高准确度，分别归因于HbCO和Hb的I= 410和430 nm的两条强吸附带被用于量
化Hb向HbCO的转化，得到图(a)，然后通过计算公式
计算得到Fe-Bpydc@MnBr(CO)5在不同浓度H2O2磷酸盐缓冲盐水CO释放曲线图(b)。可以看出Fe-Bpydc@MnBr(CO)5的CO的释放量随着H2O2浓度的增高而增高。
同样用上述方法可以Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx在不同浓度的GO溶液中Hb向HbCO的转化图(c)，通过计算得到Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx在不同浓度GO磷酸盐缓冲盐水CO释放曲线图(d)。可以看出Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx的CO的释放量随着H2O2浓度的增高而增高。
4. Fe-Bpydc产生•OH性能测定
测量在3 mL醋酸(AcOH)缓冲溶液(0.1mL，pH 4.5)中进行，该溶液含有实施例1所制备的不同浓度Fe-Bpydc (1、2、4、6、8 µg/mL)、H2O2 (10 mM)和四甲基联苯胺(TMB) (1mM)，在37°C下持续5分钟。TMB会被羟基自由基氧化成ox-TMB，用紫外-可见光谱仪观察吸收光谱，ox-TMB会在652 nm的吸光度下出现明显的吸收峰，得到图(a)。说明实施例1中制备的随着Fe-Bpydc浓度的增大产生羟基自由基的能力越好。TMB被羟基自由基氧化成ox-TMB后，会由无色变成蓝色，图(b)是不同浓度Fe-Bpydc (1、2、4、6、8 µg/mL)拍摄的颜色区别图。
5. Fe-Bpydc在含或不含谷胱甘肽的溶液中Fe2+释放特征
为了测量Fe-Bpydc中GSH触发的Fe2+释放，将2 mg Fe-Bpydc分散在2mL柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，加入和不加入谷胱甘肽(0.2mM、2mM)。悬浮液在缓冲介质(pH7.4，20mL)中透析24小时(截止分子量12KDa MW)。每1.0 mL透析液的等分试样在选定的时间间隔取出，并用等体积的新鲜培养基替换。收集缓冲溶液中释放的Fe2+并与作为Fe2+探针的邻菲罗啉溶液(50 µL，100 mM)混合15分钟。邻菲罗啉能与Fe2+反应生成配合物，在512 nm处有吸光度。用紫外-可见吸收技术测定释放的Fe2+含量，分别得到图(a)、图(b)。邻菲罗啉用于Fe2+的定量，图(c)是512 nm处吸光度值的标准曲线。Y = 0.05015*X + 0.01005，R2 = 0.999。图(d)将图(a)、图(b)的数据通过标准曲线的计算的Fe-Bpydc在不同浓度的GSH中Fe2+释放曲线。
6. Fe-Bpyd、Fe-Bpydc@MnBr(CO)5、Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx的细胞毒性
分别将Hela、MCF-7细胞 (1×104个/孔)接种到96孔板中，每孔加入200 µL DMEM培养基，置于37 °C、5% CO2的培养箱内培养过夜。细胞完全贴壁后，更换新鲜的DMEM培养基，每孔加入50 µL含有不同浓度的Fe-Bpyd的DMEM溶液，在培养箱内继续培养48 h。培养完成后，每孔中加入10 µL预先配置的噻唑蓝(MTT)溶液(5 mg/mL)，继续在培养箱内培养4 h后吸出DMEM培养基，每孔中加入150 µL 二甲基亚砜(DMSO)溶剂，轻微振荡10 min使蓝紫色甲瓒完全溶解，用酶标仪测定490 nm处吸光度。以未加入Fe-Bpyd处理的细胞作为对照组，细胞活性记为100%，计算出各浓度下的细胞存活率。每组实验重复三次，计算平均值。可以从图(a)看出160 µg/mL Fe-Bpydc对细胞活性在90%左右，同样的操作可以看出Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx对Hela抑制效果最好，Fe-Bpydc@MnBr(CO)5效果次之。这是因为GOx的修饰，增加了癌细胞内H2O2的含量，增加了释放CO的能力，并同时消耗细胞内GO，阻断能量来源，所以Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx的细胞毒性最高。
7. Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx的在Hela内产生•OH、释放CO性能测试。
用2',7'-二氯荧光黄双乙酸盐(DCFH-DA)监测细胞内活性氧的产生。简而言之，HeLa细胞用100 µg/mL的Fe-Bpydc、Fe-Bpydc@MnBr(CO)5、Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx孵育4小时，然后用PBS洗涤三次。然后，将细胞在37°C下与2mM 的DCFH-DA 培育30分钟。最后，通过CLSM在488 nm的激发下观察到活性氧的分布。图(a)可以Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx的那组绿色荧光最强，表明Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx产生•OH的量最多。
图(b)通过CO探针(探针1+氯化钯，每个1µM，15µL DMSO)对HeLa细胞中的CO进行荧光成像。HeLa细胞用100 µg/m的Fe-Bpydc、Fe-Bpydc@MnBr(CO)5、Fe-Bpydc@MnBr(CO)5@GOx孵育4小时，然后用PBS洗涤三次。然后，将细胞在37 °C下与2 mM 的CO探针孵育 30分钟。最后，通过CLSM在520 nm的激发下观察到CO的分布。
本发明提供的CO治疗剂通过以Fe-Bpydc为载体并在其骨架上修饰MnBr(CO)5和孔道内负载GOx。首先所述的高孔隙率Fe-Bpydc是采用高温溶剂热的方法制备的，其具有单分散性和尺寸分布均一；其次，通过形成配位键，将MnBr(CO)5修饰到Fe-Bpydc骨架上，可以作为CO气体的载体；再进一步在Fe-Bpydc的多孔道内负载GOx，最终实现了肿瘤微环境响应性的功能。利用Fe-Bpydc本身的降解的Fe2+和细胞内过表达的H2O2反应生成•OH实现ROS治疗，因此本发明的CO气体治疗剂可以结合CO气体、活性氧、肿瘤饥饿治疗三者协同作用，实现高效抗肿瘤治疗。
Claims (4)
1.一种肿瘤微环境响应性释放的CO气体治疗剂，其特征在于：该治疗剂为Fe-Bpydc纳米颗粒；
在所述Fe-Bpydc纳米颗粒的骨架上修饰有MnBr(CO)5，同时在所述Fe-Bpydc纳米颗粒的孔道内还吸附有葡萄糖氧化酶GOx。
2.权利要求1所述的CO气体治疗剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，以2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸和无水乙酸铁为原料，采用高温溶剂热的方法合成空白Fe-Bpydc纳米颗粒；
步骤2，将MnBr(CO)5加到空白Fe-Bpydc纳米颗粒的乙醇溶液中，加热反应，制得修饰有MnBr(CO)5的Fe-Bpydc纳米颗粒；
步骤3，将步骤2得到的纳米颗粒分散在水中，然后加入葡萄糖氧化酶GOx，避光搅拌，制得CO气体治疗剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤1的具体过程为：将2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸和无水乙酸铁分别溶于N,N'-二甲基甲酰胺制成溶液，然后将两溶液混合，置于四氟乙烯高压内衬反应釜中进行反应，制得空白Fe-Bpydc纳米颗粒。
4.权利要求1所述的CO气体治疗剂在制备治疗肿瘤的药物中的应用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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