CN113769090B - 一种基于钨基多金属氧簇化合物在制备放射动力学肿瘤治疗药物的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于钨基多金属氧簇化合物在制备放射动力学肿瘤治疗药物的应用，本发明结合目前放射治疗的能量利用效率低，而且现有的放射动力学药物的结构与功能均不够完善等重大问题，研发出高X射线吸收、高ROS产生能力的水溶性的放射动力学药物迫在眉睫。因此提出一类基于钨基多金属氧簇化合物的水溶性放射动力学药物，用于增强放射治疗的疗效，其可以很好的溶于水从而分散到整个病灶，增强病灶对X射线的吸收，并通过T2PE机制增强药物周围的能量沉积，导致更高的放射动力学疗效。

Description

一种基于钨基多金属氧簇化合物在制备放射动力学肿瘤治疗 药物的应用
技术领域
本发明属于医药技术领域，具体涉及一种基于钨基多金属氧簇化合物在制备放射动力学肿瘤治疗药物的应用。
背景技术
在全球范围内，放射治疗为人类抵御恶性肿瘤提供了很大的帮助。在众多高能粒子射线中，目前使用最多的仍然是传统的X射线。X射线作为一种电离辐射源，由于其穿透性深且辐射能量高，已广泛应用于临床治疗以提升患者生存率。
而由于人体病灶对X射线的吸收、散射等作用较弱，使得绝大部分的X射线能量穿出体外或被正常组织吸收。目前提升X射线利用率的主流方式是使用高Z介质的放疗增敏药物，例如使用包含铋、金、铂等高Z原子的纳米药物可以一定程度的增强放射治疗的疗效。同时人们研究了放疗增敏的机制并推出了“X-ray诱导能量传递理论”，理论认为放射物理增强分为I型(T1PE)和II型(T2PE)。过去认为，放疗增敏药物契合药物在X射线下直接产生ROS的T1PE机制，并且每增加1wt％(金/水)，会有1.4倍的放疗增强效应，这种增强效果十分有限，因此没有大规模的临床应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种基于钨基多金属氧簇化合物在制备放射动力学肿瘤治疗药物的应用。
根据目前发现T1PE机制可能并非关键，T2PE才是放疗增强的真正关键。而T2PE物理增强与药物的几何形状高度相关，纳米尺寸的几何结构有助于在增敏药物附近产生高额的X射线能量沉积。与X射线之直接照射的高能光电子不同，增敏药物附近产生的能量沉积主要由低能光电子、二次电子和俄歇电子等组成，这有利于产生名为“放射动力学”的新型治疗方式。放射动力学是依靠高Z介质在吸收X射线能量产生的后将氧分子、水等转化为ROS的过程；或者将能量传递给附近的光敏剂分子，并通过光敏剂分子催化氧分子、过氧化氢等转化为ROS的过程。可以将这个过程理解为X射线诱导的光动力学。
目前的放射动力学研究主要集中在构造高Z元素的无机纳米粒子再装载有机小分子光敏剂的模式上，载体吸收X射线产生的能量沉积被其体内的光敏剂使用并产生ROS。这些载体的生物相容性和水溶性较差，需要进一步的亲水修饰，效果有限且费时费力，经过研究，钨基多金属氧簇化合物是具备固定结构的大分子，其分子内金属离子之间的相对位置固定，不但具备实现T2PE物理增强的几何结构和高质量占比的高Z元素，其阴离子簇的本质还提供了无机纳米粒子无可比拟的生物相容性和水溶性。因此以钨基多金属氧簇化合物制备新型高效的放射动力学药物是最优选择之一。
结合目前放射治疗的能量利用效率低，而且现有的放射动力学药物的结构与功能均不够完善等重大问题，研发出高X射线吸收、高ROS产生能力的水溶性的放射动力学药物迫在眉睫。因此提出一类基于钨基多金属氧簇化合物的水溶性放射动力学药物，用于增强放射治疗的疗效，其可以很好的溶于水从而分散到整个病灶，增强病灶对X射线的吸收，并通过T2PE机制增强药物周围的能量沉积，导致更高的放射动力学疗效。
具体的本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于钨基多金属氧簇化合物在制备放射动力学肿瘤治疗药物的应用，其特征在于：所述药物的化学通式为：Na24Cs[CsGd6As6W63O218(H2O)14(OH)4]·3CsCl·nH2O。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、本发明将高Z原子作为分子骨架而不是点缀物，所提供药物的高Z原子占比大大高于商用的X射线吸收增强剂(如碘海醇)，当用于放射动力学治疗时可吸收更多的X射线能量。
2、本发明制备的放射动力学药物是纳米级的簇化合物，具备固定的几何形状，这些特征有利于其基于T2EP效应的放射动力学治疗应用。
3、本发明制备的放射动力学药物是水溶性药物，在水中形成的阴离子簇是完成放射动力学的核心部分，阴离子簇良好的水溶性和生物相容性有利于增加药物的适用范围和降低药物的副作用。
附图说明
图1是本发明实施例水溶性放射动力学药省略氢原子的阴离子簇结构图
图2是本发明实施例水溶性放射动力学药的热重分析图
图3是本发明实施例水溶性放射动力学药的高分辨透射电镜图。
图4是本发明实施例水溶性放射动力学药在缓冲溶液中受X射线照射与否的羟基自由基生成情况图。
图5是本发明实施例水溶性放射动力学药在X射线照射(4Gy)与否下对4T1.2细胞的活性抑制结果图。
图6是本发明实施例水溶性放射动力学药在不同X射线剂量下的克隆形成实验结果图。
图7是本发明实施例水溶性放射动力学药在荷瘤小鼠模型上的基于放射动力学的抗肿瘤治疗能力
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：
一种钨基多金属氧簇化合物：
Na24Cs[CsGd6As6W63O218(H2O)14(OH)4]·3CsCl·nH2O(Gd-1)；
其合成验证：
1、称取100mg的Gd-1固体，用于热重分析测试。
2、取1mg/mL的Gd-1水溶液1mL，加两倍体积的王水50℃消解1天，蒸干溶液后用1M稀硝酸重新定容到10mL，所得液体用于ICP-OES元素分析测试。
3、配置1mg/mL的Gd-1水溶液，过220nm微孔滤膜后用于高分辨透射电镜测试。
如图2所示，Gd-1固体在温度上升到270℃时损失了6.63％的质量，代表了晶体中的结晶水量。计算可得一个Gd-1分子簇中约含71个结晶水。
ICP-OES元素分析结果显示，最终浓度为0.1mg/mL的Gd-1的消解液中，Na元素的浓度为2.89μg/mL，Cs元素的浓度为3.49μg/mL，Gd元素的浓度为4.80μg/mL，W元素的浓度为59.63μg/mL，这与Gd-1的化学式：(Na24Cs[CsGd6As6W63O218(H2O)14(OH)4]·3CsCl·71H2O)的理论元素占比一致。
如图3所示，Gd-1在水溶液中以单分子形式均匀分散，统计粒径约为2.6nm，这与单个Gd-1分子的几何尺寸(横向和纵向尺寸约为
Figure GDA0004138651500000041
)是一致的。如上表征证明，Gd-1作为本发明的一种实施例被成功合成。
实施例2：
钨基多金属氧簇化合物Gd-1的ROS产生能力验证：
1、配置0.15mg/mL的Gd-1醋酸盐缓冲溶液(pH＝5.2)共三份(命名为A、C、D)；另准备一份不包含Gd-1的醋酸盐缓冲溶液(B)，在B、C和D溶液中分别加入终浓度为100μM的过氧化氢，然后在A、B、C、D四份溶液中分别加入终浓度为0.2mg/mL的3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)，过氧化氢用于模拟肿瘤微环境的高浓度过氧化氢，TMB用于捕捉溶液中产生的羟基自由基，表现为紫外吸收(峰值在642nm)的增强；
2、将步骤1所配置的B和D溶液暴露在X射线下(4Gy，照射时间约75s)；A和C溶液在暗处放置相同的时间，随后立即测试所有溶液在642nm下的吸光度值，此实验重复测试三次。
如图4所示，作为阴性对照的只包含Gd-1的溶液(A)中的TMB吸光度没有增强，而在过氧化氢和X射线的存在下的Gd-1溶液(D)中的TMB吸收大大增强。并且与缺乏Gd-1的溶液(B)和缺乏X射线的溶液(C)相比，分别提升了30和120倍。这些结果证明Gd-1可以在X射线照射下产生大量的羟基自由基；这得益于本发明设计的由钨基多金属氧簇化合物制备的药物具有优秀的X射线吸收能力和基于T2PE的放射动力学增强作用。
实施例3：
钨基多金属氧簇化合物Gd-1对肿瘤细胞的杀伤能力验证：
1、配置1.5mg/mL的Gd-1水溶液，并用DMEM培养基梯度稀释成15、30、75、150、300μg/mL。
2、4T1.2细胞以每孔5×103个细胞的浓度被接种于两块96孔细胞培养板中，并在100μL的DMEM培养基中培养24h。随后细胞培养基被替换为步骤1所配置的培养基，并孵育24h。孵育结束后用PBS清洗细胞三遍去除培养基和未入胞的材料。将其中一块培养板置于X射线下照射(4Gy)而另一块不作任何处理，细胞再次培养24h并被CCK-8染色后，使用酶标仪进行检测并计算细胞活性。
3、4T1.2细胞以每孔5×102个细胞的浓度被接种于6孔细胞培养板中并培养24h，随后细胞培养基被替换为步骤1中的含75μg/mL的Gd-1的培养基再培养24h，孵育结束后用PBS清洗细胞三遍去除培养基和未入胞的材料。将细胞置于X射线下照射(0、1、2、4、6、8Gy)，培养14天后，用结晶紫染色并测定细胞集落数。
如图5所示，即使在300μg/mL的Gd-1作用下，细胞未见明显的活性抑制。而在X射线照射后，细胞出现药物浓度依赖的活性下降。证明钨基多金属氧簇制备放射动力学药物Gd-1可用于增强X射线对肿瘤细胞的杀伤。
如图6所示，Gd-1的放射动力学治疗有效的抑制了肿瘤细胞的集落形成，在8Gy下的肿瘤细胞克隆形成率为6.6％±0.2％，远低于对照组的19％±0.4％。
实施例4：
钨基多金属氧簇化合物Gd-1对活体肿瘤的杀伤能力验证：
1、将4T1.2肿瘤细胞皮下接种于BALB/c小鼠，待肿瘤生长到约70mm3后作为本实施例的放射动力学治疗的动物模型。将小鼠分成四组，分别命名为Control、Gd-1、X-ray、Gd-1+X-ray，每组五只小鼠。
2、将Gd-1配置成10mg/mL的水溶液，分别对Gd-1和Gd-1+X-ray组的所有小鼠瘤内注射50μL的Gd-1溶液，其他组小鼠注射生理盐水作为对照。
3、注射半小时后，将X-ray和Gd-1+X-ray组的所有小鼠暴露于X射线下(6Gy)，然后每隔两天测量所有组别的小鼠肿瘤的尺寸并计算其肿瘤体积。
如图7所示，仅注射生理盐水的Control组小鼠肿瘤快速生长，16天后，肿瘤的体积增加到1cm3。仅注射Gd-1药物的小鼠肿瘤也表现出与Control相似的肿瘤增长速度。X-ray组的小鼠肿瘤的生长得到了一定的抑制，这得益于X射线对肿瘤细胞的杀伤作用。最重要的是Gd-1+X-ray组，肿瘤的生成得到了有效的抑制，16天后肿瘤的体积缩小了97％，与其他组别存在显著性差异。与X-ray组相比，Gd-1+X-ray组的突出的治疗效果归因于由Gd-1制备的药物的优秀的放射动力学治疗能力。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于钨基多金属氧簇化合物在制备放射动力学肿瘤治疗药物的应用，其特征在于：所述药物的化学通式为：Na24Cs[CsGd6As6W63O218(H2O)14(OH)4]·3CsCl·71H2O。
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