CN114028585B - 一种负载双氢青蒿素的纳米载体及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负载双氢青蒿素的纳米载体及其制备方法和应用，由钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体(CFMSN)及负载于该载体上的双氢青蒿素(DHA)组成，其中：钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体与双氢青蒿素的质量比(93～105):(18～20)；钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体中，钙和铁的掺杂量分别为(2.0～3.4)wt％和(1.0～2.3)wt％。本发明提供了一种负载双氢青蒿素的治疗纳米载体，包括钙铁掺杂的介孔二氧化硅和负载于介孔孔道内的DHA。在本发明中，所述钙铁掺杂介孔二氧化硅具有类芬顿活性，可直接分解肿瘤组织部位积累的大量过氧化氢产生·OH，从而通过CDT杀伤肿瘤；同时肿瘤部位的酸性微环境及内源性螯合分子使得钙铁离子从二氧化硅骨架内释放，导致粒子崩溃，并伴随着DHA的释放，用于化疗。

Description

一种负载双氢青蒿素的纳米载体及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于纳米材料技术和生物医药领域，特别是涉及一种负载双氢青蒿素的纳米载体及其制备方法和应用。
背景技术
癌症是严重威胁人类健康的高发病例，目前临床上主要采用手术、化疗和放疗的癌症治疗方式，但其治疗效果有限并且副作用明显。因此，迫切需要开发高效的新型癌症治疗方法。化学动力疗法(Chemodynamic Therapy，CDT)是一类利用芬顿反应或类芬顿反应，通过将内源性H2O2转化为·OH自由基来诱导细胞凋亡和坏死的新兴疗法。CDT具有较高的肿瘤特异性和选择性，并且在治疗过程中不需要外界刺激，是近年来热门的研究方向之一。但肿瘤内有限的H2O2含量和过度表达的还原性物质(谷胱甘肽，GSH)限制了其在实际治疗中的效果。此外，钙离子介导的胀亡疗法(oncosis therapy，OT)也作为一种新兴方法正在迅速发展。癌细胞比正常细胞对Ca2+浓度升高更为敏感，可以通过引入外源性的 Ca2+激活肿瘤细胞死亡。然而，由于细胞具有Ca2+外排的保护机制，使得抗癌效果受到限制。
青蒿素及其衍生物除了治疗疟疾作用，目前还被发现具有抗癌效果。其中双氢青蒿素(dihydroartemisinin，DHA)的抗癌活性最好。在DHA的抗癌机制中，最广泛接受的机制是Fe2+介导的DHA内过氧桥裂解产生有机自由基。此外， DHA还被发现会抑制细胞内Ca2+外流，导致细胞内Ca2+超载。但是DHA的水溶性差，在体内代谢快，难以在肿瘤部位积聚。因此迫切需要研究开发一种药物递送系统，负载DHA用于肿瘤治疗。
由于肿瘤异质性与多药耐药性，采用单一的疗法往往无法根除肿瘤，治疗效率低。同时，不同疗法之间的协同增强作用能够产生显著的超加效应，在减小毒副作用、增强疗效方面潜力巨大。因此，将多种治疗方式整合到同一个纳米载体上，是治疗癌症的一个重要研究方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种负载双氢青蒿素的纳米载体及其制备方法和应用，本发明的纳米载体为钙铁掺杂介孔二氧化硅(CFMSN)，不仅可以负载DHA，而且具有发生芬顿反应的能力，能将H2O2催化为·OH。同时该载体可以响应肿瘤微环境，释放钙铁离子和DHA，实现DHA介导的化疗、CFMSN/Fe2+介导的 CDT、Fe2+-DHA介导的CDT和Ca2+-DHA介导的OT的协同治疗作用。
本发明这种负载双氢青蒿素的纳米载体，由钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体(CFMSN)及负载于该载体上的双氢青蒿素(DHA)组成，其中：钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体与双氢青蒿素的质量比(93～105):(18～21)；钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体中，钙和铁的掺杂量分别为(2.0～3.4)wt％和(1.0～2.3)wt％。
所述的钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体的平均粒径为80～90nm，比表面积为300～400m2/g，孔容为0.4～0.7cm3/g，孔径为2～4nm。
本发明这种负载双氢青蒿素的纳米载体的制备方法，包括以下步骤：
(1)将十八烷基三甲氧基硅烷(C18TMS)加入至由去离子水、乙醇和氨水组成的混合溶液中，搅拌混匀后，在搅拌条件下，加入正硅酸乙酯、乙醇铁溶液和氯化钙溶液，进行继续搅拌反应，待反应完成后，进行抽滤，收集固体产物，固体产物干燥后，煅烧除去模板剂，得到钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体 CFMSN；
(2)将步骤(1)中CFMSN分散于去离子水中，加入含有DHA的乙醇溶液；在室温下搅拌一段时间后开盖搅拌，直至乙醇溶液全部挥发；通过离心收集产物，并用乙醇洗涤几次，最后真空干燥，得到负载DHA的钙铁掺杂介孔二氧化硅(CFMSN@DHA)。
所述步骤(1)中，混合溶液中去离子水、乙醇和氨水的体积比为(100～150): (400～500):(40～50)，十八烷基三甲氧基硅烷(C18TMS)与混合溶液的体积比 (0.5～0.7):(540～700)；乙醇铁溶液为含有乙醇铁的乙醇溶液，浓度为3～4mg/mL，氯化钙溶液为氯化钙水溶液，浓度为6～8mg/mL；C18TMS、正硅酸乙酯、乙醇铁和氯化钙按照比例为：(0.5～0.7)ml:(1.0～1.5)ml:(60～80)mg:(30～40)mg。
优选的，所述的C18TMS、正硅酸乙酯、乙醇铁和氯化钙的比例为 0.625ml:1.325ml:70mg:34.84mg；混合溶液中去离子水、乙醇和氨水的体积比 125:450:43.75；十八烷基三甲氧基硅烷(C18TMS)与混合溶液的体积比 0.625:593.75；乙醇铁溶液的浓度为3.5mg/mL，氯化钙溶液的浓度为 6.968mg/mL。
所述步骤(1)中，继续搅拌温度为20～40℃，继续搅拌反应时间为7～9h；干燥温度为50～70℃，干燥时间为3～5h，煅烧温度为500～600℃，煅烧时间为 5～7h。
优选的，继续搅拌温度为30℃，继续搅拌反应时间为8h；干燥温度为60℃，干燥时间为4h，煅烧温度为550℃，煅烧时间为6h。
所述步骤(2)中，CFMSN和DHA的质量比为(1～3):(0.5～1.5)，CFMSN分散液的浓度为4～6mg/mL，DHA的乙醇溶液浓度为2～3mg/mL，搅拌时间为 12～24h，挥发搅拌时间为40～50h。
优选的，所述CFMSN和DHA的质量比为2:1，CFMSN分散液的浓度为 5mg/mL，DHA的乙醇溶液浓度为2.5mg/mL，搅拌时间为24h，挥发搅拌时间为45h。
所述的负载双氢青蒿素的纳米载体在作为靶向治疗癌症药物中的应用。
本发明的有益效果：本发明提供了一种负载双氢青蒿素的纳米载体，包括钙铁掺杂的介孔二氧化硅和负载于介孔孔道内的DHA。在本发明中，所述钙铁掺杂介孔二氧化硅具有类芬顿活性，可直接分解肿瘤组织部位积累的大量过氧化氢产生·OH，从而通过CDT杀伤肿瘤；同时肿瘤部位的酸性微环境及内源性螯合分子使得钙铁离子从二氧化硅骨架内释放，导致粒子崩溃，并伴随着DHA 的释放，用于化疗。而释放的Fe3+会被细胞内高浓度的GSH还原成活性的Fe2+，一方面激活Fenton反应产生·OH，另一方面裂解DHA的过氧键产生C-中心自由基，持续增加细胞内ROS水平，从而明显放大CDT的疗效。此外，释放的 Ca2+诱导细胞内Ca2+超载，以利于OT。更重要的是，DHA能够抑制细胞内Ca2+外流，从而增强Ca2+介导的OT。本发明提供的钙铁介孔二氧化硅对正常细胞没有毒副作用，在体内容易代谢，具有良好的生物相容性；本发明提供的纳米载体能够实现多模式肿瘤治疗，更好的抑制肿瘤细胞的生长。
附图说明
图1为实施例1制备的钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体的TEM图片；
图2为实施例1制备的钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体的氮气吸脱附曲线和孔径分布图；
图3为实施例1制备的钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体在酸性条件或去铁酮存在的情况下钙铁离子释放情况；
图4为DHA、实施例1制备的钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体和负载DHA的钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体的红外光谱图；
图5为实施例1中负载DHA的钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体的药物释放曲线图；
图6为实施例1制备的钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体与TMB和H2O2共同孵育不同时间后的紫外吸收图；
图7为实施例1中释放出的Fe2+、DHA和DPBF共同孵育不同时间后的紫外吸收图；
图8为实施例1中不同浓度CFMSN处理正常细胞MOVAS的细胞存活柱状图；
图9为实施例1中不同浓度CFMSN@DHA处理乳腺癌细胞M231的细胞存活柱状图；
图10为实施例1不同实验组小鼠肿瘤体积随时间变化的曲线图。
具体实施方式
实施例1
CFMSN纳米载体的制备：
首先，在20mL无水乙醇和5mL去离子水中分别加入70mg乙醇铁和 34.84mg氯化钙，充分搅拌后，得到乙醇铁溶液和氯化钙溶液，备用。
将120mL去离子水、430mL无水乙醇和43.75mL氨水溶液在30℃下均匀搅拌，接着连续滴加0.625mL C18TMS、1.325mL正硅酸乙酯、乙醇铁溶液和 CaCl2溶液，加入完毕后，在30℃下搅拌反应8h，最后过滤收集产物，产物用去离子水清洗数次，在60℃下干燥4小时，干燥后的样品在550℃下连续煅烧 6小时，除去模板剂，得到CFMSN，其中钙和铁的掺杂量分别为2.37wt％和 1.29wt％。
DHA的负载：
将10mg CFMSN加入2mL去离子水中，然后超声处理5min形成均匀的分散液；之后将5mg溶于2mL乙醇的DHA加入分散液中，在室温下磁力搅拌24 小时；随后打开盖子，缓慢蒸发乙醇，直到乙醇几乎蒸发完全(时间为45h)；在10000rpm下离心收集产品，用乙醇洗涤3次后真空干燥，得到负载DHA的钙铁掺杂介孔二氧化硅(CFMSN@DHA)，其中钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体与双氢青蒿素的质量比为100:19.6。(多次测得其载药率，即MDHA/ (MCFMSN+MDHA)在15％至18％之间，平均药物负载率为16.4％)
测试与表征：
1)钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体的形貌结构及离子释放情况：
钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体的微观形貌如图1所示，从TEM图可知，纳米载体形貌为球形，颗粒均匀，粒径约为86nm。
钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体的介孔结构分析如图2所示，从氮气吸脱附曲线和孔径分布可知，CFMSN的N2吸附-解吸等温线呈现出典型的IV型模式，并带有H2型滞后环，表明CFMSN具有良好的介孔结构。孔径分布表明， CFMSN具有相对均匀的3.68nm孔径。CFMSN的比表面积和孔体积分别为 364.50m2/g和0.52cm3/g，适合于客体药物分子的包埋。
钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体在不同情况下的离子释放情况如图3所示，通过调节pH和加入去铁酮，模拟肿瘤微环境，测试钙铁离子的释放。可以看出，在酸性及加入螯合剂去铁酮的情况下，钙铁离子的综合释放能力最好。这对Ca2+介导的OT和Fe2+介导的CDT在肿瘤治疗中至关重要。
2)钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体的载药释药情况：
DHA、钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体和负载DHA的钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体的红外光谱如图4所示，从图中可知，负载DHA后，CFMSN@DHA 的FTIR谱在2850、2940和3378cm-1处出现了DHA的特征峰，这是由于CH2、 CH3和O-H的伸缩振动，证实了DHA的成功负载。
负载DHA的钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体的药物释放曲线如图5所示， CFMSN@DHA呈现出pH值依赖的药物释放，释放率随着pH值的降低而增加。此外，加入铁螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)可导致药物释放率的增加。这是因为Ca2+和Fe3+从CFMSN的硅质骨架中去除而引发的颗粒降解。
3)钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体的ROS产生能力：
钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体与3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)和H2O2共同培养不同时间后的紫外吸收如图6所示。TMB被用来评估·OH的产生，该试剂在被ROS氧化后能产生蓝绿色，在650nm处有吸收最大值。在经2h的培养后，溶液变为蓝色，并且通过紫外分光光度计观察到溶液在550-750nm处有明显的吸光度，这表明TMB被产生的·OH氧化。此外，随着培养时间的延长， TMB的吸光度逐渐增加，这意味着CFMSN能够通过类芬顿反应持续分解H2O2，产生·OH。
释放出的Fe2+、DHA和1,3-二苯基异苯并呋喃(DPBF)共同培养不同时间后的紫外吸收如图7所示。DPBF被用来检测DHA和Fe2+反应产生的C-中心自由基。DPBF溶液的紫外可见光谱在412nm处显示了强烈的吸收峰，当只加入Fe2+或DHA时，吸光度几乎不变。同时，DHA和Fe2 +溶液都没有在412nm处显示吸收峰。这些确保了通过该处吸收峰检测ROS产生的可靠性。当DPBF与DHA 和Fe2+同时孵育时，DPBF的吸光度在15min内明显下降，这表明通过DHA和 Fe2+之间迅速产生了C-中心自由基。此外，随着孵育时间增加，吸光度呈现下降趋势，证明产生了更多C-中心自由基。
4)钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体的体外细胞毒性：
不同浓度CFMSN处理正常细胞MOVAS的细胞存活情况如图8所示，即使在200μg/mL的高剂量下培养正常细胞48h，仍有超过98％的MOVAS细胞存活，这表明CFMSN具有良好的生物相容性。
不同浓度CFMSN@DHA处理乳腺癌细胞M231的细胞存活情况如图9所示，CFMSN@DHA在24和48h培养后对M231细胞表现出高效且剂量依赖的细胞毒性。即使低剂量10μg/mL的CFMSN@DHA在处理细胞24h后，细胞存活率也降到只有44.32％，同时随着培养时间延长进一步降低。
5)钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体的体内疗效：
不同实验组小鼠肿瘤体积随时间变化的曲线如图10所示，以生理盐水组为对照组，设置游离DHA、空白载体CFMSN和CFMSN@DHA三组实验组。生理盐水组在治疗后第11天，肿瘤体积超过1000mm3，比初始体积大8倍。与生理盐水组相比，游离DHA没有显示出明显的肿瘤抑制作用，这可能是由于其水溶性差。CFMSN则表现出一定的肿瘤抑制效果，这得益于Ca2+介导的OT和·OH 介导的CDT的联合作用。而CFMSN@DHA的抗癌效果最好，肿瘤抑制率在第11天达到了77.99％，这表明DHA在增强抗癌效果方面具有重要作用。
实施例2
首先，在20mL无水乙醇和5mL去离子水中分别加入80mg乙醇铁和 30.25mg氯化钙，充分搅拌后，得到乙醇铁溶液和氯化钙溶液，备用。
将100mL去离子水、450mL无水乙醇和45mL氨水溶液在30℃下均匀搅拌，接着连续滴加0.54mL C18TMS、1.482mL正硅酸乙酯、乙醇铁溶液和CaCl2溶液，加入完毕后，在40℃下搅拌反应7h，最后过滤收集产物，产物用去离子水清洗数次，在70℃下干燥3小时，干燥后的样品在600℃下连续煅烧5小时，除去模板剂，得到CFMSN，其中钙和铁的掺杂量分别为2.68wt％和1.07wt％。
DHA的负载：
将12mg CFMSN加入2mL去离子水中，然后超声处理5min形成均匀的分散液；之后将6mg溶于2mL乙醇的DHA加入分散液中，在室温下磁力搅拌24 小时；随后打开盖子，缓慢蒸发乙醇，直到乙醇几乎蒸发完全(时间为45h)；在 10000rpm下离心收集产品，用乙醇洗涤3次后真空干燥，得到负载DHA的钙铁掺杂介孔二氧化硅(CFMSN@DHA)，其中钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体与双氢青蒿素的质量比为100:20.8。
实施例3
首先，在20mL无水乙醇和5mL去离子水中分别加入60mg乙醇铁和 38.25mg氯化钙，充分搅拌后，得到乙醇铁溶液和氯化钙溶液，备用。
将140mL去离子水、400mL无水乙醇和40mL氨水溶液在30℃下均匀搅拌，接着连续滴加0.68mL C18TMS、1.325mL正硅酸乙酯、乙醇铁溶液和CaCl2溶液，加入完毕后，在25℃下搅拌反应9h，最后过滤收集产物，产物用去离子水清洗数次，在50℃下干燥5小时，干燥后的样品在500℃下连续煅烧7小时，除去模板剂，得到CFMSN，其中钙和铁的掺杂量分别为2.05wt％和1.46wt％。
DHA的负载：
将8mg CFMSN加入2mL去离子水中，然后超声处理5min形成均匀的分散液；之后将4mg溶于2mL乙醇的DHA加入分散液中，在室温下磁力搅拌24 小时；随后打开盖子，缓慢蒸发乙醇，直到乙醇几乎蒸发完全(时间为50h)；在 10000rpm下离心收集产品，用乙醇洗涤3次后真空干燥，得到负载DHA的钙铁掺杂介孔二氧化硅(CFMSN@DHA)，其中钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体与双氢青蒿素的质量比为100:18.3。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的集中实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种负载双氢青蒿素的纳米载体，其特征在于，由钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体及负载于该载体上的双氢青蒿素组成，其中：钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体与双氢青蒿素的质量比(93~105):(18~21)；钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体中，钙和铁的掺杂量分别为(2.0~3.4)wt%和(1.0~2.3)wt%；
所述的钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体的平均粒径为80~90 nm，比表面积为300~400m2/g，孔容为0.4~0.7 cm3/g，孔径为2~4nm；
所述的负载双氢青蒿素的纳米载体的制备方法，包括以下步骤：
(1)将十八烷基三甲氧基硅烷加入至由去离子水、乙醇和氨水组成的混合溶液中，搅拌混匀后，在搅拌条件下，加入正硅酸乙酯、乙醇铁溶液和氯化钙溶液，进行继续搅拌反应，待反应完成后，进行抽滤，收集固体产物，固体产物干燥后，煅烧除去模板剂，得到钙铁掺杂介孔二氧化硅纳米载体CFMSN；
(2)将步骤（1）中CFMSN分散于去离子水中，加入含有双氢青蒿素的乙醇溶液；在室温下搅拌一段时间后开盖搅拌，直至乙醇溶液全部挥发；通过离心收集产物，并用乙醇洗涤几次，最后真空干燥，得到负载双氢青蒿素的钙铁掺杂介孔二氧化硅；
所述步骤（1）中，混合溶液中去离子水、乙醇和氨水的体积比为(100~150): (400~500):(40~50)，十八烷基三甲氧基硅烷与混合溶液的体积比(0.5~0.7):(540~700)；乙醇铁溶液为含有乙醇铁的乙醇溶液，浓度为3~4mg/mL，氯化钙溶液为氯化钙水溶液，浓度为6~8mg/mL；十八烷基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、乙醇铁和氯化钙按照比例为：(0.5~0.7)ml:(1.0~1.5)ml:(60~80)mg: (30~40)mg。
2.根据权利要求1所述的负载双氢青蒿素的纳米载体，其特征在于，所述的十八烷基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、乙醇铁和氯化钙的比例为0.625ml:1.325ml:70mg:34.84mg；混合溶液中去离子水、乙醇和氨水的体积比125:450:43.75；十八烷基三甲氧基硅烷与混合溶液的体积比0.625:593.75；乙醇铁溶液的浓度为3.5mg/mL，氯化钙溶液的浓度为6.968mg/mL。
3.根据权利要求1所述的负载双氢青蒿素的纳米载体，其特征在于，所述步骤（1）中，继续搅拌温度为20~40℃，继续搅拌反应时间为7~9h；干燥温度为50~70℃，干燥时间为3~5h；煅烧温度为500~600℃，煅烧时间为5~7h。
4.根据权利要求3所述的负载双氢青蒿素的纳米载体，其特征在于，继续搅拌温度为30℃，继续搅拌反应时间为8h；干燥温度为60℃，干燥时间为4h，煅烧温度为550℃，煅烧时间为6h。
5.根据权利要求1所述的负载双氢青蒿素的纳米载体，其特征在于，所述步骤（2）中，CFMSN和双氢青蒿素的质量比为(1~3):(0.5~1.5)，CFMSN分散液的浓度为4~6 mg/mL，双氢青蒿素的乙醇溶液浓度为2~3mg/mL，搅拌时间为12~24 h，挥发搅拌时间为40~50 h。
6.根据权利要求5所述的负载双氢青蒿素的纳米载体，其特征在于，所述CFMSN和双氢青蒿素的质量比为2:1，CFMSN分散液的浓度为5mg/mL，双氢青蒿素的乙醇溶液浓度为2.5mg/mL，搅拌时间为24 h，挥发搅拌时间为45h。
7.根据权利要求1所述的负载双氢青蒿素的纳米载体在制备靶向治疗癌症药物中的应用。
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