CN114259992B

CN114259992B - 正离子超分子有机框架固体材料在吸附生物毒素中的应用

Info

Publication number: CN114259992B
Application number: CN202111593046.5A
Authority: CN
Inventors: 黎占亭; 张丹维; 刘亚敏; 王辉; 王泽坤
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2041-12-23
Also published as: CN114259992A

Abstract

本发明属于生物医药技术领域，具体为一种正离子超分子有机框架固体材料在吸附生物毒素中的应用。本发明所述超分子有机框架材料为由四面体分子与CB[8]在水相中通过主客体相互作用形成的正离子型超分子有机框架材料（sSOFs），蒸发溶剂后得到不溶于水的sSOFs固体，吸附动力学和热力学实验证明该超分子有机框架固体材料对负电荷的胆红素可以实现快速高效吸附，使得胆红素的浓度降至正常水平。即使在高浓度血清蛋白存在的生理条件下，sSOFs固体对胆红素的吸附效率仍高达90%。

Description

正离子超分子有机框架固体材料在吸附生物毒素中的应用

技术领域

本发明属于生物医药技术领域，具体涉及超分子有机框架固体材料在吸附和清除生物毒素中的应用。

背景技术

急性肝功能衰竭(Acute Liver Failure,ALF)是一种有着多种并发症的综合征，包括肝功能迅速恶化、不可逆的蛋白质合成受损和大脑受损，其发病机制多样，死亡率较高(成人≥30％，儿童≥13％)。急性肝功能衰竭的主要临床特征是血清中含有高浓度的胆红素。胆红素是一种内源性毒素，是由人体血液中衰老的血红蛋白衍生的亚铁血红素代谢产生。胆红素可由血液蛋白(白蛋白)携带至肝脏，形成葡萄糖醛酸与胆红素的复合体，可进一步排泄到胆汁中最终分解。然而，由于ALF患者的肝功能受损，胆红素很难通过机体自身的肝脏解毒作用从血液中除去，从而导致体内胆红素含量升高。正常人体血液中胆红素的含量为1-10mg/L。多余的胆红素会对皮肤、脑和其他组织造成不可逆的损伤，引起严重的临床并发症，如核黄疸、肝昏迷，甚至死亡。因此，从ALF患者体内清除多余的胆红素，对延长ALF患者的生命和争取更多时间进行肝移植或者肝脏自然恢复具有重大的意义。

吸附式血液灌流是临床上使用的一种清除胆红素的方法。其原理是血液首先会经过吸附系统，胆红素被吸附剂所吸附，最后血液返回到人体中。由此可见，吸附剂在血液灌流中发挥着不可替代的作用。白蛋白作为血液中含量最为丰富的蛋白(35-50g/L)，在生理环境下与胆红素的结合常数高达10⁷M^-1，这使得白蛋白是吸附剂在吸附胆红素过程中的一个强有力的竞争者。如果白蛋白在血液灌流中一起被吸附，则会产生血液蛋白不足症。吸附容量低、选择性差、血液相容性不好和吸附有效性是限制血液灌流应用和治疗效果的重要因素。如何在高浓度白蛋白存在下，快速有效的除去胆红素仍然是一个挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高胆红素吸吸附效率和吸附速率的超分子有机框架固体材料在吸附生物毒素中的应用。

本发明发现正离子型超分子有机框架固体材料(sSOFs)具有生物相容性好和稳定性高等优点。本发明利用sSOFs固体的水相不溶性、多孔有序性和高度电正性，通过静电相互作用和疏水相互作用来吸收生物毒素(如胆红素)。吸附动力学和热力学实验证明该固体材料可以实现对生物毒素(如胆红素)的快速高效吸附，即使在高浓度血清蛋白存在的生理条件下，sSOFs固体对生物毒素(如胆红素)的吸附效率仍高达90％。

本发明所述超分子有机框架材料，记为sSOFs，该框架材料是通过蒸发四面体分子与CB[8]在水相中通过主客体相互作用形成的三维结构的溶剂所得的不溶性固体；四面体单体分子，CB[8]以及sSOFs的结构式如下所示：

ssSOF-1～ssSOF-4表示对应的四面体分子中A1～A4四种超分子的有机框架固体材料。

本发明提供的上述正离子型超分子有机框架材料的制备方法可参考文献Nat.Commun.2014,5:5574。

本发明提供的正离子型超分子有机框架固体材料，保留了其溶液相的多孔性和有序性。

本发明提供的正离子型超分子有机框架固体材料，可用作对多种生物毒素的吸附。

本发明中，吸附体系溶剂为缓冲溶液或者含有高浓度白蛋白的缓冲溶液。

本发明中，把sSOFs固体加入到缓冲溶液中，构成吸附体系，每毫升缓冲溶液中sSOFs固体的量不高于2mg。

本发明中，所述生物毒素为负离子型生物小分子。

本发明中，所述生物毒素模型为胆红素。

本发明中，sSOFs为阳离子型固体多孔材料，胆红素含有羧酸根，电势电位为负值，利用静电作用、疏水作用等多种相互作用，sSOFs可以高效快速吸附胆红素。

本发明提供的超分子有机框架固体材料，可以快速高效吸附负电性生物毒素(如胆红素)，使得生物毒素(如胆红素)的浓度降至正常水平。

本发明对sSOFs和胆红素体系进行了吸附动力学实验、吸附热力学实验、高浓度白蛋白溶液中的吸附实验、细胞毒性实验和溶血实验。吸附动力学实验表明，本发明sSOFs可以快速的吸附胆红素；吸附热力学实验表明，本发明sSOFs对胆红素具有很高的吸附容量；高浓度白蛋白溶液中的吸附实验表明在高浓度的白蛋白的存在下，本发明sSOFs对胆红素的吸附效率仍然高达90％；细胞毒性实验和溶血实验表明，本发明sSOFs具有很高的生物相容性。

以上实验结果说明，sSOFs生物相容性较好，利用静电相互作用和疏水作用等实现了对负电性生物毒素胆红素的高效快速吸附，在解决临床问题方面具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为超分子有机框架固体材料sSOF-3的形貌图。其中，(a)为放大倍数较小情况下的形貌图,(b)为(a)图所示样品的选区电子衍射图,(c)为(a)图所示样品局部放大形貌图。

图2为不同浓度的sSOF-1(2mg/mL和1mg/mL)对一定浓度的胆红素(150mg/L)的吸附动力学图。

图3为不同浓度的sSOF-2(2mg/mL和1mg/mL)对一定浓度的胆红素(150mg/L)的吸附动力学图。

图4为不同浓度的sSOF-3(2mg/mL和1mg/mL)对一定浓度的胆红素(150mg/L)的吸附动力学图。

图5为不同浓度的sSOF-4(2mg/mL和1mg/mL)对一定浓度的胆红素(150mg/L)的吸附动力学图。

图6为一定浓度的活性炭或阴离子交换树脂D201(2mg/mL)对一定浓度的胆红素(150mg/L)的吸附动力学图。

图7为胆红素吸附的伪一级动力学拟合曲线图。其中，(a)sSOF-1，(b)sSOF-2，(c)sSOF-3，(d)sSOF-4，(e)活性炭和(f)树脂。

图8为胆红素吸附的伪二级动力学拟合曲线图。其中，(a)sSOF-1，(b)sSOF-2，(c)sSOF-3，(d)sSOF-4，(e)活性炭和(f)树脂。

图9为对胆红素的吸附热力学实验使用线性朗缪尔方程拟合的曲线图。其中，(a)sSOF-1，(b)sSOF-2，(c)sSOF-3和(d)sSOF-4。

图10为对胆红素的吸附热力学实验使用线性弗兰德里希方程拟合曲线图。其中，(a)sSOF-1，(b)sSOF-2，(c)sSOF-3和(d)sSOF-4。

图11为sSOF-1对胆红素的吸附热力学实验使用非线性朗缪尔和非线性弗兰德里希方程拟合的曲线图。

图12为sSOF-2对胆红素的吸附热力学实验使用非线性朗缪尔和非线性弗兰德里希方程拟合的曲线图。

图13为sSOF-3对胆红素的吸附热力学实验使用非线性朗缪尔和非线性弗兰德里希方程拟合的曲线图。

图14为sSOF-4对胆红素的吸附热力学实验使用非线性朗缪尔和非线性弗兰德里希方程拟合的曲线图。

图15为sSOF-1～4(2mg/mL)对含有高浓度的血清蛋白(40g/L)的胆红素溶液(200mg/L)的吸附效率图。

图16为sSOF-1～4(2mg/mL)对一定浓度的血清蛋白(40g/L)的吸附率。

图17为sSOF-3(2mg/mL)对含有高浓度的血清蛋白(40g/L)的胆红素溶液(150mg/L)的吸附循环次数图。

图18为通过细胞试剂CCK-8测试的sSOF-1～4固体(不高于2mg/mL)对Ana-1细胞的体外细胞毒性。

图19为通过细胞试剂CCK-8测试的sSOF-1～4固体(不高于2mg/mL)对L02细胞的体外细胞毒性。

图20为通过细胞试剂CCK-8测试的sSOF-1～4固体(不高于2mg/mL)对H9C2细胞的体外细胞毒性。

图21为sSOF-1(不高于2mg/mL)对人的红细胞溶血实验图。

图22为sSOF-2(不高于1mg/mL)对人的红细胞溶血实验图。

图23为sSOF-3(不高于2mg/mL)对人的红细胞溶血实验图。

图24为sSOF-4(不高于2mg/mL)对人的红细胞溶血实验图。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明，而不应理解为对本发明的限制。

实施例1：超分子有机框架固体材料sSOFs的制备与表征。

本发明提供的正离子型超分子有机框架材料水溶液的制备方法参考文献Nat.Commun.2014,5:5574。蒸发溶剂后即可得到不溶于水的sSOFs固体。如图1所示，sSOF-3固体材料保留了其溶液中的多孔性和有序性。直接使用CB8、A1～A4、SOF-1～4的溶液吸附胆红素，不能有效的把胆红素从溶液中清除。

实施例2：sSOFs对胆红素的吸附动力学研究。

配制一定浓度的胆红素(150mg/L)溶液，加入不同重量的sSOFs固体，使得sSOFs固体的浓度分别为1mg/mL和2mg/mL，搅拌溶液，每隔一段时间后取样测试胆红素的吸光度。随着吸附时间的延长，胆红素的吸光度不断下降，直至平衡。如图2～图5所示，通过做胆红素的浓度随时间的变化图可以确定sSOFs固体材料可以快速的吸附胆红素，在10分钟左右使得胆红素的浓度达到正常水平。如图6所示，通过做胆红素的浓度随时间的变化图可以确定活性炭和阴离子交换树脂D201材料对胆红素的吸附速率远慢于sSOFs固体材料。如图7、图8和表1所示，通过伪一级动力学和伪二级动力学拟合数据可以确定sSOFs固体材料吸附胆红素的过程符合伪二级动力学，这说明sSOFs固体材料与胆红素之间属于化学吸附。

实施例3：sSOFs对胆红素的吸附热力学研究。

配制不同浓度的胆红素(150mg/L)溶液，每组加入相同重量的sSOFs固体，使得sSOFs固体的浓度为2mg/mL，搅拌溶液，2小时后测试每组溶液中胆红素的吸光度，确定胆红素吸附量。对数据进行处理，并用线性朗缪尔方程和线性弗兰德里希方程进行拟合(图9和图10)。两种线性方程拟合结果如表2所示，可以确定sSOFs固体材料对胆红素吸附过程的热力学更加符合线性弗兰德里希方程。与此同时，用非线性朗缪尔热力学方程和非线性弗兰德里希热力学方程对数据进行拟合(图11～图14)。非线性拟合结果如表3所示，可以确定sSOFs固体材料对胆红素吸附过程的热力学更加符合非线性弗兰德里希方程。以上结果说明，sSOFs固体材料对胆红素的吸附是多层的，非均相的。

实施例4：高浓度白蛋白溶液中的吸附实验。

配制含有高浓度白蛋白(40g/L)的胆红素(200mg/L)溶液，每组加入相同重量的sSOFs固体，使得sSOFs固体的浓度为2mg/mL，搅拌溶液，2小时后测试每组溶液中胆红素的吸光度，确定胆红素吸附量。如图15所示，在白蛋白的存在下，sSOF-1、sSOF-2、sSOF-3和sSOF-4对胆红素的吸附率分别为71％、83％、90％和82％。配制高浓度白蛋白(40g/L)的溶液，每组加入相同重量的sSOFs固体，使得sSOFs固体的浓度为2mg/mL，搅拌溶液，2小时后测定蛋白质残余量。如图16所示，sSOF-1、sSOF-2、sSOF-3和sSOF-4对白蛋白的吸附率分别为4.7％、6.1％、2.9％和6.9％。以上结果表明，在高浓度白蛋白存在的生理条件下，sSOF-3对胆红素的吸附效果最好，且对白蛋白的吸附率最低。在该条件下，对sSOF-3固体材料吸附胆红素的可重复性进行测试。如图17所示，sSOF-3循环5次后，对胆红素的吸附率仍然高达88％，表明sSOF-3材料具有很好的重复利用性。

实施例5：sSOFs的生物相容性研究。

我们选取sSOFs固体材料对多种正常细胞进行了生物相容性研究。我们对sSOFs固体材料进行了溶血实验研究。如图18～图20所示，sSOFs固体材料对正常细胞具有很高的安全性，sSOFs的用量达到2mg/mL时，细胞的存活率仍然高达90％以上。如图21～图24所示，sSOFs固体材料在最大用量下([sSOF-1]＝[sSOF-3]＝[sSOF-4]＝2mg/mL；[sSOF-2]＝1mg/mL)均没有发生溶血现象。以上结果表明sSOFs固体材料具有很高的生物相容性。

表1

表2

表3

以上所述为本发明的优化实施例而已，并不用于限制发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.超分子有机框架固体材料在吸附生物毒素中的应用，所述有机框架材料为正离子型固体超分子有机框架材料，记为sSOFs，该框架材料是通过蒸发四面体分子与CB[8]在水相中通过主客体相互作用形成的三维结构的溶剂所得的水不溶性固体；四面体单体分子，CB[8]以及sSOFs的结构式如下所示：

；

其中，ssSOF-1~ ssSOF-4表示对应的四面体分子中A1~ A4四种超分子的有机框架固体材料；

吸附体系溶剂为缓冲溶液或者含有白蛋白的缓冲溶液；

所述生物毒素模型为胆红素。

2. 根据权利要求1所述的应用，其特征在于，把sSOFs固体分散到缓冲溶液中，构成吸附体系，每毫升缓冲溶液中sSOFs固体的量不高于2 mg。