CN113952361A - 一种普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料及其制备方法和应用；本发明制备的普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料可以介导肿瘤细胞发生铁矿化；具体的，可以采用通过口服、静脉给药、瘤内介入给药、淋巴结介入给药等方式介导肿瘤细胞发生铁矿化，抑制肿瘤细胞的生长及扩散。进一步的，还可以通过肿瘤细胞发生铁矿化，增强肿瘤组织在超声、CT以及磁共振医学成像上的灵敏度，提高肿瘤诊断准确度。本发明能通过介导铁矿化的纳米药物，实现对肿瘤细胞的铁矿化，从而构建肿瘤的诊疗一体化体系。

Description

一种普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及肿瘤诊疗技术领域，尤其涉及一种普鲁士蓝/过氧化钙纳米材料及其制备方法和应用，普鲁士蓝/过氧化钙纳米可介导肿瘤矿化，在肿瘤诊疗一体化中具有应用前景。
背景技术
生物矿化是以无机离子在有机基质上的富集形成硬组织材料为特征，在生物体内硬组织的形成中起着重要作用，如生理条件下人体中骨骼和牙齿形成。近期的临床研究发现，在肿瘤进行放疗和化疗的过程中常常伴随着一定程度的肿瘤矿化。也有报告显示肿瘤发生矿化是潜在的预后良好标志物，与肿瘤治疗的效果成正相关。这些观察结果表明肿瘤的矿化可能对抑制肿瘤细胞增殖具有积极作用，从而进一步增强对肿瘤的治疗效果。然而，目前针对通过肿瘤矿化来实现对肿瘤治疗的研究有限，且目前仅有的几种矿化方法主要集中在对肿瘤的钙化研究。初步研究表明肿瘤钙化可以有效地抑制肿瘤的生长和转移，但在促进提高肿瘤医学诊断成像方面的灵敏度有限，这主要是由于其与生理性骨骼和牙齿钙化相比，肿瘤钙化的程度相对较弱，并且钙化的速度较慢。因此，仍然迫切需要开发更强的矿化策略以实现肿瘤的精确诊断和有效治疗。
在自然界中，某些细菌可以通过改变其周围或内部的局部pH值和氧化还原条件，通过富集铁离子并将这些离子通过氢氧化铁((Fe(OH)3)的形式形成微生物沉淀来有效地介导铁矿化。受这一现象启发，我们产生了通过沉淀Fe(OH)3的策略来促进肿瘤铁矿化的想法。和肿瘤的钙化相比，肿瘤铁矿化是一种有前景的可将肿瘤诊断和治疗有效结合的替代策略，这主要是由于铁矿化比钙化有更强的造影剂作用，因此有助于进一步提高目前常规肿瘤诊断影像学诊断技术诸如超声、计算机断层扫描(CT)或磁共振(MR)成像的分辨率和灵敏度。另外，肿瘤组织的铁矿化可以使肿瘤组织能够持续保持在铁离子浓度相对较高的微环境中，这会触发肿瘤微环境中的芬顿或类芬顿反应产生过量的活性氧(ROS)，激活肿瘤细胞的铁死亡等通路，从而进一步破坏肿瘤细胞的功能，对肿瘤起到治疗的作用。
普鲁士蓝(PB)化学式为Fe4[Fe(CN)6]3，是在肿瘤治疗中有希望的潜在外源铁池，由于其良好的生物安全性，其在2003年已被美国食品和药物管理局批准为重金属铊中毒的安全解毒剂。一方面PB周围不断升高的氢氧根离子(OH-)可以触发PB中铁离子的释放；而另一方面，CaO2的降解伴随着水溶液中氢离子(H+)的消耗，可以提高OH-的浓度。因此，通过将纳米PB与CaO2进行复合，可能是促进肿瘤铁矿化的一种有效策略。另外中空具有介孔结构的PB具有高表面积和铁离子活性位点以及高的药物装载效率，这为中空介孔PB(HPB)与纳米CaO2的结合提供了基础。而纳米颗粒具有在肿瘤部位增强富集的特性，这为HPB-CaO2(HC)纳米复合材料递送到肿瘤部位提供了理论依据。这些在有限空间积累的HC可通过CaO2降解而触发OH-浓度的快速升高，从而介导肿瘤细胞的铁矿化，而对于血液中循环的HC纳米颗粒，CaO2降解产生的OH-可以被有效地通过血液中的电解质中和，从而使HPB留在血液中，进一步通过正常的代谢途径将其排出体外。
因此，HPB与CaO2的复合将可以实现肿瘤细胞的选择性矿化。这种基于铁元素的肿瘤细胞矿化极大地提高肿瘤组织通过医学成像的检出能力，可以有效诊断区分早期肺癌与良性结节，诊断的同时还可抑制肺肿瘤的转移，提高了肺癌的治疗效率，这为肺癌的精确治疗和干预提供了有潜力的手段。
发明内容
本发明提供了一种普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料及其制备方法和应用，普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料能够有效介导肿瘤细胞的铁矿化，抑制肿瘤生长及转移，提高放化疗、免疫治疗的治疗效果，以及影像学成像的对比度达到早期诊断、精准诊疗的目标。
本发明的技术方案如下：
本发明的一个目的是提供一种普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
1)以亚铁氰化钾为原料，在酸性环境中，以聚维酮为分散剂，控制亚铁氰化钾、聚维酮的质量比为1:1～1:30，水浴加热合成得到实心普鲁士蓝纳米颗粒；
2)以所述实心普鲁士蓝纳米颗粒为原料，在酸性条件下经自我刻蚀，得到空心普鲁士蓝纳米颗粒；
3)以空心纳米普鲁士蓝为模板，在乙醇溶液中加入氯化钙，控制空心普鲁士蓝与氯化钙的质量比为1:1～1:20，然后加入氨水溶液调节pH为7-11，之后加入过氧化氢溶液进行反应，控制氯化钙与过氧化氢的摩尔比为1:2.5～1:10，反应完成后，分离得到普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料。
优选的，氨水溶液可选用例如浓度为1M的氨水溶液，氨水溶液与乙醇溶液的体积比一般可以控制在1:10-1:20，氨水的用量以满足加入后体系pH弱碱性要求为准。过氧化氢溶液可选用浓度为30％的过氧化氢溶液。
优选的，步骤1)所述酸性环境的pH为2-6，水浴温度为30–90℃，聚维酮的分子量为1000-100000KDa。
优选的，步骤2)所述自我刻蚀的环境为0.1～10M盐酸溶液，刻蚀温度为10-1000℃，刻蚀反应的时间为1-10h。
本发明的第二个目的是提供上述方法制备得到的普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料。以该纳米复合材料为前驱体，通过静脉给药、瘤内介入给药、淋巴结介入给药等，抑制肿瘤的生长与转移，提高肿瘤成像灵敏度。
本发明的第三个目的是提供所述的普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料在制备治疗肿瘤的药物中的应用。优选的，是所述普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料在制备抑制肿瘤转移或生长的药物中的应用，或者在制备肿瘤化疗或放疗药物或制剂中的应用。
本发明的第四个目的是提供所述普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料在制备肿瘤诊断试剂中的应用。优选的，是所述普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料在制备肿瘤医学成像试剂中的应用。普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料可以改变比如CT、超声、PET-CT、MRI的影像对比度，更早期发现病灶，或者区分良恶性肿瘤病灶。
更近一步的，本发明提供了所述的普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料在制备肿瘤诊断治疗一体化药物中的应用。更为具体的，是所述的普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料在制备兼具肿瘤治疗效果及提高肿瘤医学诊断成像灵敏度的药物中的应用。
与现有技术相比，本发明的关键在于普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料选择性诱导肿瘤细胞的铁矿化。其基本原理是利用肿瘤的酸性微环境可以促进普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料的快速降解，释放大量的活性氧杀伤肿瘤细胞，降低肿瘤细胞的外排能力，同时生成的Fe(OH)3在肿瘤细胞沉积使肿瘤组织选择性铁矿化。肿瘤细胞发生钙化之后，一方面肿瘤微环境中铁矿化物的沉积会影响肿瘤细胞的代谢等生理过程，激活肿瘤细胞的铁死亡等凋亡通路，起到肿瘤治疗的作用，抑制肿瘤的转移与生长，逆转肿瘤耐药，提高肿瘤放化疗和免疫治疗效果，延长肿瘤病人的生存期；另一方面铁矿化后的肿瘤细胞和组织在临床影像中的对比度提高，便于肿瘤病灶的早期诊断和精准诊断；抑制肿瘤生长转移的同时还可以更早期、更准确地发现和鉴别肿瘤微小病灶。
附图说明
图1为本发明制备过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料的所需原料以及复合材料的透射电镜形态图。其中a.原始的实心普鲁士蓝颗粒的透射电镜形态图；b.刻蚀后的多孔空心普鲁士蓝纳米颗粒；c.过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料；d过氧化钙纳米颗粒。
图2为实施例1中普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料对不同类型肺癌细胞的杀伤作用。
图3为实施例1中不同纳米颗粒治疗肿瘤小鼠介导肿瘤矿化的微观图。其中a.不同材料介导的肿瘤矿化扫描电镜图像；b.能量色散X射线光谱仪对普鲁士蓝/过氧化钙介导的肿瘤矿化物的元素分析。
图4为实施例1中不同纳米颗粒治疗肺肿瘤小鼠介导肿瘤矿化后的小鼠肺肿瘤的micro-CT矿化扫描图像。
图5为实施例1中，普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料介导肺癌矿化能抑制裸鼠的肺转移瘤生长的情况。
图6为实施例1中，普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料介导肺癌矿化帮助小鼠肺癌在CT、磁共振和超声上的显像。其中a.CT成像图；b超声成像图；c磁共振成像图。
图7为实施例1中，肺部肿瘤(a)，矿化后肺部肿瘤(b)，肺部结节(c)和普鲁士蓝/过氧化钙处理小鼠组的肺部结节(d)的CT成像图，(e)普鲁士蓝/过氧化钙治疗的肿瘤或结节/未治疗的肿瘤或结节的定量CT值。
具体实施方式
以下实施例可以更好地理解本发明，但不限于本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
(1)空心普鲁士蓝纳米粒子的制备：以普鲁士蓝为前驱体，通过酸性刻蚀的方法制备，具体实验步骤如下：将K3[Fe(CN)6](400mg)和PVP(9g)溶解在120mL浓度为10mM的HCl水溶液中，然后将混合物转移到聚四氟烧杯中，并在水浴中加热至80℃。陈化24小时后，10000rpm离心收集普鲁士蓝纳米颗粒，并用去离子水洗涤3次。真空干燥后，在酸性气氛中用高压釜刻蚀普鲁士蓝纳米颗粒。如图1a所示，透射电镜观察所得普鲁士蓝为立方实心纳米颗粒。取60mg制备的实心普鲁士蓝和300mg聚维酮分散到60mL的1M HCl溶液中，并在室温下搅拌2h。随后，将混合物转移到高压反应釜中，设定参数为136℃，加热150分钟。待刻蚀结束后，离心收集所得刻蚀后普鲁士蓝纳米颗粒，并用去离子水和乙醇洗涤3次，冻干备用。如图1b所示，通过透射电镜进一步确认刻蚀后的普鲁士蓝纳米颗粒呈现多孔的中空结构。
(2)过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料的制备：通过超声将(1)所得空心普鲁士蓝纳米颗粒(1mg)，CaCl2(32mg)和聚维酮(700mg)分散在30mL的无水乙醇中。然后，在搅拌下加入2mL的浓度为1M的NH3 H2O。然后，使用注射泵以50μL/min的速率将500μL过氧化氢溶液(1M)注入溶液中激活反应。在分散剂聚维酮的帮助下，CaO2纳米颗粒逐渐加载到HPB上，形成过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料。最后，通过15000g离心收集纳米复合材料，并用无水乙醇洗涤3次除去游离的PVP。采用类似的步骤单独制备CaO2纳米颗粒。30000g离心收集纳米CaO2，无水乙醇洗涤3次后干燥备用。如图1c所示，通过透射电镜进一步确认多孔普鲁士蓝纳米颗粒成功搭载了过氧化钙纳米颗粒，其多孔结构为过氧化钙的转载提供了条件。
(3)体外生理条件下过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料对肺癌细胞增殖的影响：将A549细胞接种在96孔板中(每孔5000个细胞)，并在37℃下孵育过夜。弃去上清液，并向每个孔中加入100μL含有不同浓度的所制备材料的新鲜培养基(0～100μg/mL)。然后，将细胞在37℃下再孵育24小时。弃去上清液，并向每个孔中加入100μL新鲜制备的含有CCK-8溶液的培养基。孵育2小时后，使用酶标仪在450nm下测量每个孔的光密度(OD)值。根据与A549细胞相同的操作步骤评估过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料对其他类型细胞(Beas-2B，H1299，SW1573和H460)的体外细胞毒性。由图2可以看出过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料对不同的肺癌细胞均有良好的杀伤作用，而正常的肺上皮细胞(Beas-2B)对过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料表现出相对较强的耐受性。
(4)过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料对在体内诱导肺肿瘤矿化：通过尾静脉注射A549-GFP-Luci细胞构建裸鼠肺瘤模型，尾静脉注射适宜浓度的过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料(纳米颗粒)，其它组注射对应量的PBS、(1)所得空心普鲁士蓝颗粒、过氧化钙作为对照组，明确过氧化钙/普鲁士蓝纳米颗粒(HC组)可以有效诱导肺肿瘤矿化并抑制肿瘤的生长。如图3a所示，通过扫描电镜观察不同治疗组小鼠的肺肿瘤切片，普鲁士蓝/过氧化钙纳米颗粒可以明显诱导肺肿瘤发生矿化，而其他组没有明显矿化颗粒。通过进一步的元素分析显示(图3b)，该矿化物的主要金属成分为铁元素及少量的钙元素，进一步说明该纳米复合材料可以有效诱导肿瘤的铁矿化。另外，如图4所示不同治疗组的小鼠的肺肿瘤微型CT扫描图像显示，过氧化钙/普鲁士蓝纳米颗粒治疗组的肺肿瘤显示出了明显的矿化。
(5)过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料介导肿瘤矿化能显著抑制裸鼠的肺转移瘤生长：利用尾静脉注射A549-GFP-Luci细胞构建裸鼠肺瘤模型后，通过尾静脉注射过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料对肺肿瘤裸鼠进行治疗，其它组注射对应量的PBS、1)所得空心普鲁士蓝、过氧化钙作为对照组，利用小动物成像仪对肿瘤小鼠定期成像观察肿瘤的发展状况，由图5可以看出过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料治疗组显示出最强的肿瘤抑制效果，且在肿瘤的治疗期间，所有小鼠均未发现有肿瘤转移的情况，而其他对照组在治疗后期均发生一定程度的转移,说明过氧化钙/普鲁士蓝纳米颗粒介导的肿瘤矿化可以有效抑制肿瘤的生长与转移。
(6)过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料介导肿瘤矿化能显著增强小鼠肺癌在CT，超声以及磁共振上的显像：将过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料治疗组以及其他组的肺肿瘤模型小鼠分别在治疗四周后进行医学成像，如图6所示，过氧化钙/普鲁士蓝治疗组小鼠，发生铁矿化的肿瘤可以明显增加肿瘤与周围组织的对比度，使肿瘤更容易在CT、超声以及磁共振成像检测中显像，而同时期的普通肺癌在CT、超声以及磁共振上并不能明显显影。
(7)过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料介导肿瘤矿化能帮助肺癌的早期诊断及与肺结节的鉴别诊断：为了验证过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料介导肿瘤铁矿化能帮助肺癌的早期CT成像，以达到区分肺肿瘤和肺结节的目的，构建了裸鼠A549-GFP-Luci细胞的肺转移瘤模型和肺肉芽肿模型，两模型小鼠同时通过尾静脉注射过氧化钙/普鲁士蓝纳米颗粒，在非常早期(3周)时对小鼠进行CT扫描，通过比较明确过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料治疗对肺肿瘤和肺结节的CT成像差异鉴别该纳米复合材料对早期肺癌及与肺结节的鉴别诊断能力。影像学结果如图7所示，过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料介导的肿瘤矿化组可以明显提高肿瘤CT扫描时的显像能力，在第三周时就可以有效检测出肺肿瘤，而未经过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料治疗组的肺肿瘤模型在第三周时无法得到清晰的CT扫描图像。另外，对于肺结节模型组，由图7可以看出，肺结节CT成像在治疗前后没有表现明显的差异，这说明过氧化钙/普鲁士蓝纳米复合材料能帮助肺癌的早期诊断及与肺结节的鉴别诊断。

Claims (10)

1.一种普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)以亚铁氰化钾为原料，在酸性环境中，以聚维酮为分散剂，控制亚铁氰化钾、聚维酮的质量比为1:1～1:30，水浴加热合成得到实心普鲁士蓝纳米颗粒；
2)以所述实心普鲁士蓝纳米颗粒为原料，在酸性条件下经自我刻蚀，得到空心普鲁士蓝纳米颗粒；
3)以空心纳米普鲁士蓝为模板，在乙醇溶液中加入氯化钙，控制空心普鲁士蓝与氯化钙的质量比为1:1～1:20，然后加入氨水溶液调节pH为7-11，之后加入过氧化氢溶液进行反应，控制氯化钙与过氧化氢的摩尔比为1:2.5～1:10，反应完成后，分离得到普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料。
2.根据权利要求1所述的普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)所述酸性环境的pH为2-6，水浴温度为30–90℃，聚维酮的分子量为1000-100000KDa。
3.根据权利要求1所述的普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)所述自我刻蚀的环境为0.1～10M盐酸溶液，刻蚀温度为10-1000℃，刻蚀反应的时间为1-10h。
4.一种权利要求1-3任一项所述方法制备得到的普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料。
5.权利要求4所述的普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料在制备治疗肿瘤的药物中的应用。
6.权利要求5所述的普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料在制备抑制肿瘤转移或生长的药物中的应用。
7.权利要求5所述的普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料在制备肿瘤化疗或放疗药物或制剂中的应用。
8.权利要求4所述的普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料在制备肿瘤诊断试剂中的应用。
9.权利要求8所述的普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料在制备肿瘤医学成像试剂中的应用。
10.权利要求4所述的普鲁士蓝/过氧化钙纳米复合材料在制备肿瘤诊断治疗一体化药物中的应用。
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