CN112569255B - 一种高效触发肿瘤细胞铁死亡的金属-有机纳米复合物及其构建方法和应用 - Google Patents

一种高效触发肿瘤细胞铁死亡的金属-有机纳米复合物及其构建方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属药物制剂技术领域，涉及一种高效触发肿瘤细胞铁死亡的金属‑有机纳米复合物及其构建方法和应用。本发明设计并合成了两亲性配体对膦酰氧基苯基‑2,4‑二硝基苯磺酸酯(PQS)，其可与铁离子配位并在水相中自组装形成纳米粒，同时通过静电吸附作用将阴离子的透明质酸吸附于其表面，制得双响应型铁死亡制剂(HFePQS)。本发明的HFePQS具有良好的生物相容性和稳定性，可通过靶向递送和主动摄取的方式进入肿瘤细胞，在溶酶体中响应弱酸环境，释放铁离子并促进PQS逃逸进入胞质，生成大量羟基自由基，造成脂质过氧化物蓄积，触发肿瘤细胞发生铁死亡，进而抑制肿瘤进展，延长生存期。

Description

一种高效触发肿瘤细胞铁死亡的金属-有机纳米复合物及其 构建方法和应用
技术领域
本发明属药物制剂技术领域，涉及一种高效触发肿瘤细胞铁死亡的金属-有机纳米复合物及其构建方法；本发明将设计并合成的两亲性功能分子对膦酰氧基苯基-2,4-二硝基苯磺酸酯与铁离子于水相中自组装形成纳米粒，同时在其表面通过静电吸附和离子交联作用包裹透明质酸以提高纳米粒稳定性，长循环特性及靶向性，该纳米递送系统可通过主动摄取的方式进入肿瘤细胞，高效驱动Fenton反应，触发肿瘤细胞发生铁死亡，从而达到抑瘤目的。
背景技术
目前临床治疗实践中，化疗仍是肿瘤患者的首选治疗方案之一。研究显示，多数情况下，化疗药物可通过诱导肿瘤细胞发生caspase依赖的程序性凋亡而发挥抗肿瘤活性；然而，除了毒副作用严重等问题外，肿瘤细胞突变引起的内源性凋亡抑制和上调代偿通路产生的多药耐药使得化疗效果大打折扣。为解决上述问题，研究人员尝试开发非凋亡依赖性的肿瘤治疗方式，以期绕过细胞凋亡耐受，改善癌症治疗，延长患者生存期。
铁死亡(Ferroptosis)是一种非凋亡形式的程序性细胞死亡，在此过程中，铁死亡引发剂直接或间接引起细胞内羟基自由基(·OH)蓄积而导致细胞死亡。由于·OH引起的脂质过氧化物(LPO)大量产生会严重地破坏细胞膜的结构和完整性，诱导细胞发生铁死亡可避免肿瘤细胞凋亡抑制和多药耐药；因此，触发肿瘤细胞铁死亡这一策略，可以有效地杀死肿瘤细胞，达到更好的抑瘤效果。
目前，基于铁死亡的肿瘤治疗策略主要是设计纳米材料通过增加细胞内亚铁离子的浓度，提高·OH产生的速率和数量，进而引发铁死亡；但是，已报道的铁死亡诱导剂大多存在治疗效率低的问题，往往需要增大给药剂量或联合其他治疗方式提高疗效；因此，亟需设计并构建一种新型的铁死亡引发剂，以达到高效触发铁死亡杀伤肿瘤细胞的目的。由于直接诱发细胞铁死亡的·OH实质上是细胞内亚铁离子依赖的Fenton反应产物，即亚铁离子在酸性环境下(pH＝2-5)催化细胞内ROS(主要为H2O2)产生·OH，因此，选择性触发肿瘤细胞发生铁死亡需满足以下条件：(1)肿瘤细胞内需蓄积足够量的亚铁离子为Fenton反应提供催化剂；(2)Fenton反应需在合适的pH下才能快速发生，因此铁死亡引发剂应该能够创造局部酸环境以保证反应顺利进行；(3)特异性地升高肿瘤细胞内ROS水平为Fenton反应的进行提供充足的原料；(4)满足以上三个条件的前提是所设计的铁死亡引发剂能够在肿瘤部位蓄积并且被肿瘤细胞高效摄取。
基于现有技术的现状结合上述分析，本申请的发明人拟提供一种高效触发肿瘤细胞铁死亡的金属-有机纳米复合物及其构建方法；以用于高效触发肿瘤细胞发生铁死亡以达到抑瘤目的。
发明内容
本发明的目的是基于现有技术的现状，提供一种高效触发肿瘤细胞铁死亡的金属-有机纳米复合物及其构建方法；以用于高效触发肿瘤细胞发生铁死亡以达到抑瘤目的。
本申请根据氧化还原反应--铁离子与SO2在水相中反应生成亚铁离子和硫酸，将催化能力较弱的铁离子引入递送系统，采用SO2作为还原剂，高效转化铁离子为催化活性强的亚铁离子，同时产生硫酸营造适宜的局部酸环境；为减小对正常细胞的损伤使以上过程选择性地在肿瘤细胞中进行，在递送系统中引入GSH响应基团，使其可以响应肿瘤细胞中高水平的GSH特异性地触发肿瘤细胞铁死亡，因此，本发明通过化学合成将ROS刺激剂氢醌与GSH响应型SO2供体(2,4-二硝基苯磺酰基)键合；随后通过进一步的磷酸化修饰得到对膦酰氧基苯基-2,4-二硝基苯磺酸酯(PQS)；最后，两亲性的PQS可与铁离子配位并在水溶液中自组装形成纳米级球形颗粒(FePQS)；为改善生物相容性，稳定性和细胞摄取，将透明质酸通过静电吸附和离子交联作用包裹于正电性的FePQS表面制备得到金属-有机纳米复合物HFePQS；上述纳米递送系统具有良好的生物相容性和长循环特性，可靶向至肿瘤部位，经CD44介导的主动内吞进入细胞，在溶酶体中响应酸性环境，释放铁离子；大量释放的铁离子发生“质子海绵”效应，促使PQS和铁离子从溶酶体逃逸；进入胞浆的PQS响应肿瘤细胞中高水平的GSH，耗竭GSH的同时释放SO2和氢醌，随后SO2还原铁离子为亚铁离子，同时产生硫酸，为Fenton反应创造最适条件；最后协同氢醌引起的ROS升高，Fenton反应快速进行，·OH大量蓄积，触发肿瘤细胞铁死亡，达到抑制肿瘤，延长生存期的目的。
本发明中，所述的金属-有机纳米复合物，以设计并合成的两亲性分子对膦酰氧基苯基-2,4-二硝基苯磺酸酯(PQS)作为材料，采用纳米沉淀法络合铁离子制备纳米粒(FePQS)；最后通过静电吸附和离子交联作用将阴离子的透明质酸吸附至其表面，达到靶向肿瘤部位，特异性触发肿瘤细胞铁死亡，抑制肿瘤进展的目的。
本发明中，所述两亲性分子对膦酰氧基苯基-2,4-二硝基苯磺酸酯(PQS)，其结构中既包含还原剂SO2也含有ROS刺激剂氢醌，同时所述二者与GSH响应基团连接，能够保证选择性触发肿瘤细胞铁死亡；
所述PQS的合成及重要中间体的结构式，如式I所示，
Figure BDA0002221878230000031
本发明中，采用Fenton反应催化活性较弱的铁离子与PQS在水相中自组装制备纳米粒，除了可降低对正常组织的毒性外，铁离子与PQS中磷酸基团和透明质酸中羧基的络合效率高、作用力强，可提高递送系统的载药量和稳定性；
本发明中，所采用的透明质酸通过静电吸附和离子交联作用包裹于胶束表面，通过结合CD44靶向至肿瘤细胞，进而触发铁死亡、抑制肿瘤进展。
本发明中，所采用的细胞为小鼠的胰腺癌细胞KPC、鼠源成纤维细胞NIH3T3均为本领域所公认且市购获得。
本发明中，所采用的小鼠为雄性C57BL/6小鼠为本领域所公认且市购获得。
本发明提供了金属-有机纳米复合物的制备方法，以及相关的制剂表征、体内靶向性评价及药效学评价。
本发明通过共聚焦和流式细胞术证明了所述金属-有机纳米复合物能够有效地刺激肿瘤细胞生成大量·OH，并以铁依赖的方式诱导肿瘤细胞死亡。
本发明通过体内分布实验和组织冷冻切片的免疫荧光实验证明了所述金属-有机纳米复合物成功杀伤肿瘤细胞，并延长小鼠生存期；具有良好的体内用药安全性。
本发明中，所述金属-有机纳米复合物中，除了能够升高肿瘤细胞内ROS外，结构中还包含GSH响应型SO2前药，释放后SO2可将铁离子还原为Fenton反应的催化剂亚铁离子，同时在局部产生强酸H2SO4，提供发生Fenton反应的最适条件。
本发明中，所述金属-有机纳米复合物的纳米粒同时具备酸和GSH响应功能，在所述纳米粒的不同递送阶段可响应不同物理化学刺激，从而达到选择性高效触发肿瘤细胞发生铁死亡。
本发明中，所述金属-有机纳米复合物，在被肿瘤细胞摄取进入溶酶体后，所述纳米粒可响应弱酸环境，释放大量铁离子，引发“质子海绵”效应，促进制剂组分溶酶体逃逸，进入胞质发挥作用。
本发明中，当制剂组分PQS进入胞质后，可特异性的响应肿瘤细胞质中高浓度的GSH，此过程除增加制剂触发肿瘤细胞铁死亡的选择性外，也可通过不可逆的键合作用耗竭肿瘤细胞质中的GSH，间接升高胞质中ROS水平，促进Fenton反应。
本发明中，通过正电荷FePQS与负电荷透明质酸之间的静电吸附作用将透明质酸吸附于FePQS表面制成HFePQS，同时FePQS表面的铁离子可以和透明质酸的羧基发生交联，达到稳定纳米粒的目的。
本发明中，所述金属-有机纳米复合物的透明质酸包裹的HFePQS具有良好的生物相容性，可赋予纳米制剂长循环的特性。
本发明中，所述金属-有机纳米复合物的透明质酸包裹的HFePQS可靶向至高表达CD44的肿瘤细胞，同时可通过CD44介导的主动摄取作用，促进纳米粒内化。
本发明中，所述金属-有机纳米复合物，在原位胰腺癌动物模型中，通过HFePQS多次给药可显著抑制肿瘤进展，延长动物生存期，同时在体内具有良好的安全性。
本发明设计合成了两亲性配体对膦酰氧基苯基-2,4-二硝基苯磺酸酯(PQS)，其可与铁离子配位并在水相中自组装形成纳米粒，同时通过静电吸附作用将阴离子的透明质酸吸附于其表面，得到双响应型铁死亡制剂(HFePQS)。本发明所述HFePQS具有良好的生物相容性和稳定性，可通过靶向递送和主动摄取的方式进入肿瘤细胞，在溶酶体中响应弱酸环境，释放铁离子并促进PQS逃逸进入胞质。所述PQS在胞质中可响应高水平的GSH并释放二氧化硫(SO2)和活性氧刺激剂氢醌；在SO2还原铁离子后，生成的亚铁离子可催化由GSH耗竭和氢醌刺激诱导的高浓度ROS发生Fenton反应，生成大量羟基自由基，造成脂质过氧化物蓄积，触发肿瘤细胞发生铁死亡，进而抑制肿瘤进展，延长生存期。
本发明所述金属-有机纳米复合物，根据氧化还原反应--铁离子与SO2在水相中反应生成亚铁离子和硫酸，将催化能力较弱的铁离子引入递送系统，采用SO2作为还原剂，高效转化铁离子为催化活性强的亚铁离子，同时产生硫酸营造适宜的局部酸环境。为减小对正常细胞的损伤使以上过程选择性地在肿瘤细胞中进行，在递送系统中引入GSH响应基团，使其可响应肿瘤细胞中高水平的GSH特异性地触发肿瘤细胞铁死亡，因此，本发明通过化学合成将ROS刺激剂氢醌与GSH响应型SO2供体(2,4-二硝基苯磺酰基)键合；随后通过进一步的磷酸化修饰得到对膦酰氧基苯基-2,4-二硝基苯磺酸酯(PQS)；最后，两亲性的PQS可与铁离子配位并在水溶液中自组装形成纳米级球形颗粒(FePQS)。此外，为改善生物相容性，稳定性和细胞摄取，将透明质酸通过静电吸附和离子交联作用包裹于正电性的FePQS表面，制备得到金属-有机纳米复合物HFePQS；上述纳米递送系统具有良好的生物相容性和长循环特性，可靶向至肿瘤部位，经CD44介导的主动内吞进入细胞，在溶酶体中响应酸性环境，释放铁离子；大量释放的铁离子发生“质子海绵”效应，促使PQS和铁离子从溶酶体逃逸；进入胞浆的PQS响应肿瘤细胞中高水平的GSH，耗竭GSH的同时释放SO2和氢醌，随后SO2还原铁离子为亚铁离子，同时产生硫酸，为Fenton反应创造最适条件；最后协同氢醌引起的ROS升高，Fenton反应快速进行，·OH大量蓄积，触发肿瘤细胞铁死亡，达到抑制肿瘤，延长生存期的目的。
附图说明
图1是PQS的合成及重要中间体的结构式；
图2是金属-有机纳米复合物的表征，其中，
A：是FePQS和HFePQS的粒径分布图，
B：是FePQS和HFePQS的Zeta电位定量图，
C：是甲基红溶液指示HFePQS营造局部酸性环境的紫外-可见吸收光谱，
D：是亚甲基蓝溶液指示HFePQS驱动Fenton反应的紫外-可见吸收光谱。
图3是金属-有机纳米复合物在体外触发肿瘤细胞发生铁死亡的结果，其中，
A；是HFePQS经过受体介导进入肿瘤细胞的定性结果，
B：是HFePQS在细胞内驱动Fenton反应的定性结果，
C：是吉西他滨(Gem)、FePQS和HFePQS作用于肿瘤细胞后的活性数据，
D：是铁死亡抑制剂DFOM的解毒作用结果，
注：*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001。
图4是金属-有机纳米复合物的体内分布结果，其中，
A；是FePQS和HFePQS组小鼠活体主要器官DiR荧光的定性结果，
B：是FePQS和HFePQS组小鼠离体主要器官DiR荧光的定性结果，
C：是FePQS和HFePQS组小鼠离体主要器官DiR荧光的定量结果，
注：***P<0.0001。
图5是金属-有机纳米复合物的体内药效学评价，其中，
A：是生理盐水、FePQS和HFePQS多次给药后荷瘤小鼠的生存期情况，
B：是生理盐水、FePQS和HFePQS给药期间荷瘤小鼠的体重变化曲线，
C：是生理盐水、FePQS和HFePQS多次给药后，苏木精-伊红染色(HE染色)评价瘤内坏死情况，
D：是生理盐水、FePQS和HFePQS多次给药后，TUNEL染色评价瘤内细胞坏死情况，其中：*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001.。
具体实施方式
实施例1：金属-有机纳米复合物的制备及表征
通过纳米沉淀法制备包载PQS的FePQS纳米粒。称取1.5mg的PQS溶于375μL的FeCl3乙醇储备液(5mg/mL)中，室温搅拌下(500rpm)缓慢滴加至750μL蒸馏水中，室温搅拌3小时。离心，下层沉淀用去离子水重悬，得到FePQS悬液，4℃保存备用；
通过静电吸附法制备透明质酸包裹的FePQS(HFePQS)。量取150μL的FePQS悬液，室温搅拌下(500rpm)缓慢滴加至1mL的透明质酸水溶液(1mg/mL)中，室温搅拌2小时后，离心，下层沉淀用生理盐水重悬，得到HFePQS悬液，4℃保存备用。coumarin-6、DiR标记的FePQS和HFePQS制备是将coumarin-6或DiR与PQS共同溶于FeCl3乙醇储备液中，其余制备方法同上；
结果显示：FePQS和HFePQS的粒径分别为：124±5.6nm和151±6.8nm，电位分别为：11.5±1.6mV和-20.7±0.6mV。粒径增加，电位由正变负表明透明质酸成功通过静电吸附到FePQS表面。
实施例2：HFePQS可通过受体介导的内吞进入肿瘤细胞
为证明透明质酸对细胞摄取纳米粒的重要性，选用KPC细胞考察其在有无透明质酸预处理的情况下对HFePQS的摄取情况。HFePQS用coumarin-6进行荧光标记，KPC细胞接种于共聚焦皿24h后，吸出培养基，按预先设好的浓度加纳米粒，细胞摄取2h后吸出纳米粒，经过磷酸盐缓冲液(PBS)清洗、4％多聚甲醛固定15min和细胞核染料(DAPI试剂)避光染核8min后，于激光共聚焦显微镜下考察细胞摄取的定性结果；另将KPC细胞接种于共聚焦皿24h后，加入一定浓度的透明质酸预处理2h后再加入纳米粒，重复后续步骤，于激光共聚焦显微镜下观察；
结果显示：图3A分别表示有无透明质酸预处理的KPC细胞对HFePQS的摄取定性结果，可以看出不加入透明质酸时，KPC细胞内的荧光强度明显高于透明质酸预处理组，表明包裹透明质酸的纳米粒主要是通过受体介导的主动内吞进入细胞。
实施例3：HFePQS在细胞水平驱动Fenton反应触发肿瘤细胞铁死亡
为证明HFePQS在进入细胞后，能够快速驱动Fenton反应产生大量高活性的·OH，选用活性氧探针(DCFH-DA)测定FePQS和HFePQS处理后的肿瘤细胞内的氧化压；KPC细胞种于共聚焦皿中孵育24h，随后每皿分别加入特定浓度的FePQS和HFePQS，培养箱孵育4h，配制DCFH-DA探针稀释液，每皿各加1mL再孵育0.5h，取出，固定染核，激光共聚焦观察细胞内ROS水平变化情况；另外，用CCK-8实验考察纳米粒的细胞毒性以及铁死亡抑制剂DFOM对纳米粒介导的细胞毒性的影响，将KPC细胞给药培养24h后(或在6h时加入不同浓度的铁死亡抑制剂，继续培养至24h)，按试剂盒说明操作，最后用酶标仪测定紫外吸收，计算细胞存活率；
结果显示：FePQS和HFePQS处理后的细胞相对于未给药组均有较强的荧光信号，说明目标纳米粒确实可以驱动Fenton反应产生大量·OH；而相较之下，HFePQS组的荧光信号明显强于FePQS组，说明纳米粒表面修饰透明质酸导致细胞摄取增加，进而HFePQS有更优的效果；细胞活性实验结果显示，FePQS和HFePQS相较于化疗药物吉西他滨(Gem)具有更强的细胞毒性，可能与胰腺癌细胞本身的凋亡抑制有关；同时图3D表明，在加入铁死亡抑制剂DFOM后，能明显缓解HFePQS引起的细胞毒性，并且其缓解程度与所加入抑制剂的浓度呈正相关，结果表明，HFePQS确实是通过触发细胞发生铁死亡发挥作用。
实施例4：金属-有机纳米复合物的体内分布结果
原位胰腺癌动物模型的建立：取对数生长期的KPC细胞，用胰酶消化后离心，PBS清洗细胞两次后计数，将细胞的浓度调整为1×106cells/mL，置于冰盒备用。150μL5％水合氯醛腹腔注射麻醉小鼠，医用胶带固定四肢，用碘酒涂腹部皮肤，用眼科剪于小鼠的左下腹脾脏附近剪开2-3cm的切口，翻至皮肤外，脾脏下即为胰脏；用移液枪重悬冰上的细胞，取50μL从胰脏尾端朝右前方向进针，观察到胰腺明显充盈呈半透明状，移出针头，用生理盐水棉签将胰脏、脾脏推回体内，伤口处滴适量的抗生素，用生物可降解的缝合线先逐针缝合里面的肌肉层，再逐针缝合外层的皮肤，所有操作均在超净手术台中进行，接种后每天观察动物状态和伤口愈合情况，在接种后10天进行实验；
小动物活体成像实验中，纳米粒用细胞膜深红色荧光探针(DiR)作荧光标记，所制备的纳米粒分别称为FePQS-DiR和HFePQS-DiR；荷瘤小鼠随机分为两组，每组12只，按1mg/kg DiR的剂量给药，在给制剂2h,6h,12h和24h后用5％水合氯醛麻醉并固定小鼠，生理盐水灌流后取肿瘤组织及心、肝、脾、肺、肾，生理盐水冲洗后置于小动物活体成像仪采集图像；
结果如图4所示，给药后各时间点HFePQS在肿瘤部位的荧光强度均高于对照组FePQS，且在6h后信号明显增强，在处理24h后仍然较强，说明HFePQS纳米粒与FePQS相比更多地蓄积于肿瘤部位，并且有更长的体内循环时间。
实施例5：金属-有机纳米复合物在胰腺癌原位瘤动物模型中的药效学评价
原位胰腺癌动物模型的建立方法同实施例4。荷瘤小鼠随机分为3组，每组12只，每两天分别尾静脉注射15mg/kg吉西他滨，18mg/kg HFePQS(相当于10mg/kg PQS和8mg/kgFe)和相同体积的生理盐水(saline)，共给药5次；给药周期结束后，每组其中6只进行心脏灌流，取主要脏器进行HE染色和TUNEL染色，每组另外6只记录小鼠体重的变化和生存期情况；
结果如图5所示：图5A显示了各组荷瘤小鼠的生存曲线，多次给药HFePQS后荷瘤小鼠的中位生存期为52天，长于吉西他滨组的42.5天，说明触发铁死亡的金属-有机纳米复合物比传统化疗药物吉西他滨的药效更好；图5B体重曲线结果表明，HFePQS在给药期间不会导致小鼠体重下降，没有化疗药吉西他滨的系统毒性；图5C肿瘤组织HE染色结果显示，与Gem相比，HFePQS给药组肿瘤的坏死面积更大，表明HFePQS相较于Gem有更好的抑瘤效果；同时图5D中TUNEL染色中HFePQS给药组有更大的荧光面积，与HE染色结果相一致。
综上结果说明本发明构建的金属-有机纳米复合物HFePQS与吉西他滨相比具有更好的肿瘤抑制作用，且安全性较好，系统毒性较低。

Claims (6)

1.一种触发肿瘤细胞铁死亡的金属-有机纳米复合物，其特征在于，以两亲性分子对膦酰氧基苯基-2,4-二硝基苯磺酸酯为材料，采用纳米沉淀法络合铁离子制备纳米粒FePQS；通过静电吸附和离子交联作用吸附阴离子的透明质酸至其表面，制得金属-有机纳米复合物HFePQS。
2.按权利要求1所述的触发肿瘤细胞铁死亡的金属-有机纳米复合物，其特征在于，所述两亲性分子对膦酰氧基苯基-2,4-二硝基苯磺酸酯，其结构中包含还原剂SO2和ROS刺激剂氢醌，所述二者与GSH响应基团连接。
3.按权利要求1或2所述的触发肿瘤细胞铁死亡的金属-有机纳米复合物，其特征在于，所述两亲性分子对膦酰氧基苯基-2,4-二硝基苯磺酸酯及其重要中间体的结构式如式I所示，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式I。
4.按权利要求1所述的触发肿瘤细胞铁死亡的金属-有机纳米复合物，其特征在于，所述两亲性分子对膦酰氧基苯基-2,4-二硝基苯磺酸酯中，还包含GSH响应型SO2前药，释放后SO2将铁离子还原为Fenton反应的催化剂亚铁离子，同时在局部产生强酸H2SO4。
5.按权利要求1所述的触发肿瘤细胞铁死亡的金属-有机纳米复合物，其特征在于，所述两亲性分子对膦酰氧基苯基-2,4-二硝基苯磺酸酯的纳米粒，在被肿瘤细胞摄取进入溶酶体后，所述纳米粒可响应弱酸环境，释放大量铁离子，引发“质子海绵”效应。
6.按权利要求1所述的触发肿瘤细胞铁死亡的金属-有机纳米复合物，其特征在于，所述两亲性分子对膦酰氧基苯基-2,4-二硝基苯磺酸酯，通过正电荷FePQS与负电荷透明质酸之间的静电吸附作用将透明质酸吸附于FePQS表面制成所述HFePQS，同时FePQS表面的铁离子与透明质酸的羧基发生交联。
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