CN114870035A - 一种金属有机骨架ZIF-8负载p53基因的方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属有机骨架ZIF‑8负载p53基因的方法，是以六水合硝酸锌和PVP‑K30溶于去离子水中形成溶液A，以2‑甲基咪唑和p53质粒DNA溶于去离子水中形成溶液B，将溶液A加入溶液B中形成混合液，剧烈搅拌2‑3min后，将混合液温度控制在38‑45℃下反应5‑7min，反应结束后离心洗涤，冻干。本发明制备的p53@ZIF‑8为形貌规则、尺寸分布均匀的四面体结构，粒径分布在100‑120nm，p53质粒DNA被完整封装在ZIF‑8中，提高了p53质粒DNA的转染效率和释放率，在HeLa细胞中的转染效率达到90.18%，释放效率达到76.6%。p53@ZIF‑8中p53质粒DNA在常温环境下可以储存30天以上不会失活，具有优异的稳定性。

Description

一种金属有机骨架ZIF-8负载p53基因的方法
技术领域
本发明涉及生物医药技术领域，具体涉及一种金属有机骨架ZIF-8负载P53基因的纳方法。
背景技术
p53是迄今为止发现的与人类肿瘤相关性最高的基因，位于人类17号染色体的短臂上，由11个外显子和10个内含子构成，它编码的P53蛋白能调节细胞周期和避免细胞癌变发生，被称为基因组守护者。重组人腺病毒p53(rAd-p53)注射剂是由中国批准的世界上第一个基因治疗产品。它可通过表达抑癌基因p53，刺激机体产生特异性抗肿瘤免疫反应，上调多种抗癌基因和下调多种癌基因活性，从而瀑布性增强抑癌作用，特异地引起肿瘤细胞程序性死亡，从而杀伤肿瘤，目前已用于鼻咽癌、肝癌、胰腺癌、肺癌和恶性积液等疾病的治疗。
在基因治疗中，治疗基因必须通过适当的递送方法，传递到目标部位的特异靶细胞中才能发挥功效。基因治疗的首要挑战是开发安全有效的递送载体，以保护核酸不被清除降解并促进其转移到靶细胞。基因递送载体分为两类，病毒载体和非病毒载体。携带目标基因的病毒载体可以克服细胞膜障碍，有效地将其基因组运输到细胞内，实现较高的基因表达效率。但是病毒类载体存在的安全性问题是限制其广泛应用的原因之一。非病毒递送载体具有免疫原性低、包装容量大、规模化生产潜力大等优点。因此，设计制备转染效率高、细胞毒性低的非病毒类载体材料是决定着基因治疗能否得到广泛应用关键。
纳米药物递送系统是一种极具开发潜力的药物递送策略，已经被广泛用于药物和基因载体。金属有机框架材料(MOFs)是一种新兴的多孔杂化材料，具有高度有序的孔隙、大的比表面积及理化性质，其中沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8)是金属有机骨架化合物(MOFs)材料中最具代表性的一种，其骨架结构是由金属Zn离子与二甲基咪唑的N原子相连形成的四面体结构，ZIF-8具有良好的载药能力、更高的热稳定性、化学稳定性、良好的生物相容性以及灵敏的pH响应性在药物装载和输送方面极具应用价值。但是ZIF-8用于装载基因少见报道。在作为基因载体时，需要满足能够在肿瘤部位可控、精准释放，满足基因治疗药物载体在负载量、稳定性及释放的要求，实现p53基因的高效、安全递送，进而提升p53的抗肿瘤用途。但是采用ZIF-8作为p53的载体时，存在的问题是：由于基因比一般的小分子物质前稳定性更差，容易变形或者基因片段容易被打断导致失去活性功能，且在体液内递送循环时，基因容易掉落甚至被清除降解，导致最终转染效率低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有基因治疗载体在递送循环p53基因时，p53容易失活，转染效率低、而提供一种金属有机骨架ZIF-8负载p53基因的方法。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种金属有机骨架ZIF-8负载p53基因的方法，其特征在于：是以六水合硝酸锌和PVP-K30溶于去离子水中形成溶液A，以2-甲基咪唑和p53质粒DNA溶于去离子水中形成溶液B，将溶液A加入溶液B中形成混合液，剧烈搅拌2-3min后，将混合液温度控制在38-45℃下反应5-7min，反应结束后离心洗涤，冻干。
由于核酸的水溶性，在有机溶剂中会变性失活，核酸片段会被打断导致其失去活性功能，因此只能以水作为溶剂。但是在以水作为溶剂制备ZIF-8过程中，ZIF-8的形貌结构出现不均匀、尺寸分布较大，导致p53质粒DNA不容易被ZIF-8的四面体结构完全包裹，导致部分的p53质粒DNA附着在ZIF-8表面，导致其在递送过程中从ZIF-8中脱落，由于裸露在外，会面临还没有达到靶细胞位置就被体液降解的问题。此外，制备的ZIF-8的形貌均匀性差，会导致其达到靶细胞后，被包裹在其内部的p53质粒DNA释放到细胞内的能力存在差异，使得转染效率不高，人转染稳定性差。
本发明在以水作为溶剂的基础上，加入了PVP-K30，与在有机溶剂中不同，在ZIF-8开始成形后，立刻将温度保持在一定范围内，PVP-K30促进了ZIF-8的形貌规整均匀，且调节了体系中界面表面张力，促进了ZIF-8对于p53质粒DNA的包裹，使得p53质粒DNA完全处于ZIF-8的内部，在PVP-K30作用下ZIF-8实现了对p53质粒DNA的完整封装。
进一步，上述溶液A中六水合硝酸锌、PVP-K30和去离子水的用量比为1g:0.005-0.008g:10mL；
进一步，上述溶液B中2-甲基咪唑、p53基因DNA和去离子水用量比为13.8-16.7g:0.1-1mg:90mL。
进一步，上述溶液A和溶液B中去离子水的体积比问1:9。
进一步，上述剧烈搅拌具体是2000-3000rpm。
最具体的，一种金属骨架ZIF-8负载p53基因的方法，其特征在于，按如下步骤进行：
(1)将九水合硝酸锌和PVP-K30溶于去离子水中形成溶液A，九水合硝酸锌、PVP-K30和去离子水的用量比为1g:0.005-0.008g:10mL；
(2)将2-甲基咪唑、p53质粒DNA溶于去离子水中，形成溶液B，2-甲基咪唑、p53基因DNA和去离子水用量比为13.8-16.7g:0.1-1mg:90mL；
(3)在2000-3000rpm下将溶液A加入溶液B中形成混合液，室温下持续搅拌2-3min，然后将混合液温度控制在37-45℃，持续搅拌5-7min；
(4)反应结束后，在14000rm下离心10min，分离得到的固体样品用去离子水洗涤，冷冻干燥得到ZIF-8负载的p53质粒DNA，记为p53@ZIF-8。本发明具有如下的有益效果：
本发明制备的p53@ZIF-8为形貌规则、尺寸分布均匀的四面体结构，粒径分布在100-120nm，p53质粒DNA被完整封装在ZIF-8中，实现了p53质粒DNA的稳定递送，精准到达靶细胞，并克服了细胞膜障碍，有效将基因运输到细胞内，提高了p53质粒DNA的转染效率和释放率，在HeLa细胞中的转染效率达到90.18％，释放效率达到76.6％。p53@ZIF-8中p53质粒DNA在常温环境下可以储存30天以上不会失活，具有优异的稳定性，实现了核酸的常温保存和运输。
附图说明
图1：本发明制备的p53@ZIF-8的透射电镜(TEM)图和扫描电镜(SEM)图。
图2：p53@ZIF-8的转染效率。
图3：p53@ZIF-8对于HepG2、HeLa、A549和MCF-7细胞存活抑制作用。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
金属骨架ZIF-8的制备，按如下步骤进行：
(1)将九水合硝酸锌溶于去离子水中形成溶液A，九水合硝酸锌和去离子水的用量比为1g:10mL；
(2)将2-甲基咪唑溶于去离子水中，形成溶液B，2-甲基咪唑和去离子水用量比为16.7g:1mg:90mL；
(3)在2500rpm下将溶液A加入溶液B中形成混合液，室温下持续搅拌9min；
(4)反应结束后，在14000rm下离心10min，分离得到的固体样品用去离子水洗涤，冷冻干燥得到ZIF-8。
实施例1
一种金属骨架ZIF-8负载p53基因的方法，按如下步骤进行：
(1)将九水合硝酸锌和PVP-K30溶于去离子水中形成溶液A，九水合硝酸锌、PVP-K30和去离子水的用量比为1g:0.006g:10mL；
(2)将2-甲基咪唑、p53基因DNA溶于去离子水中，形成溶液B，2-甲基咪唑、p53基因DNA和去离子水用量比为16.7g:1mg:90mL；
(3)在2500rpm下降溶液A加入溶液B中形成混合液，是温习持续搅拌3min，然后将混合液温度控制在40℃，持续搅拌6min；
(4)反应结束后，在14000rm下离心10min，分离得到的固体样品用去离子水洗涤，冷冻干燥得到ZIF-8负载的p53质粒DNA，记为p53@ZIF-8。
利用100kv场发射透射电子显微镜(TEM)和场发射扫描电子显微镜(SEM)对负载p53质粒DNA的ZIF-8纳米粒形貌以及尺寸进行表征，具体如图1所示，本发明制备的没有加入p53质粒DNA的ZIF-8呈标准的四面体结构，加入了p53质粒DNA进行负载的ZIF-8形貌没有发生变化，尺寸均匀性保持完好，粒径在100nm左右。
对比例1
与实施例1不同的是，制备过程中不添加PVP-K30，步骤(3)中直接在常温下搅拌至反应结束，其余步骤与实施例1相同。
对比例1制备的p53@ZIF-8均匀性较差，尺寸分布较广，在50-150nm，而作为载体，若尺寸较小容易直接被细胞吞噬，内部p53质粒DNA很难被释放，若尺寸较大，载体很难克服细胞膜的抑制，导致内部p53质粒DNA释放进入细胞内部困难。
对比例2
与实施例1不同的是，步骤(3)直接在常温下搅拌至反应结束，其余步骤与实施例1相同。
对比例2中虽然加入了PVP-K30，粒径均在100nm左右，但是整个反应在常温下进行，PVP-K30对于促进ZIF-8包裹p53质粒DNA的作用效果不明显。
将实施例1、对比例1和度比例2制备的p53@ZIF-8纳米粒分别分散于PH为5.5的PBS溶液中，然后将其置于装有相同PBS溶液的离心管中，在37℃水浴条件下，以100rpm避光振荡，利用紫外光分度计测定p53质粒DNA的浓度，计算其释放率，具体表1所示：
表1：p53@ZIF-8纳米粒中p53质粒DNA释放率
Figure BDA0003649164370000061
从上表可知在24h时，本发明制备的p53@ZIF-8纳米粒的释放率达到76.6％，对比例1为62.4％，对比例2为66.7％。对比例1由于载体尺寸分布广、且包裹完整性较差，导致前期p53质粒DNA释放较快，但是随时间延长，释放明显变缓，而本发明中由于基因被ZIF-8的四面体结构完整包裹、且尺寸均匀性较好，整个释放过程速率均匀，后期速率下降较为缓慢，而对比例2中由于反应全程室温，使得PVP-K30促进包覆效果下降，使得没有被包裹的DNA轻易脱落，前4h时释放率较高。可见PVP-K30对于减小ZIF-8粒径没有促进作用，但是具有促进形貌尺寸均匀性的效果，且在特定的温度环境下，可以促进ZIF-8在成型的同时，将p53包裹，形成完整封装，提高了p53质粒DNA的稳定性，使其能有效达到靶细胞。
将负载了p53@ZIF-8纳米粒与不同细胞进行孵育，采用激光共聚焦显微镜评估其转染效率。具体是将HeLa细胞以1.0×105细胞/孔的密度接种到6孔板中，并在含10％FBS的DMEM培养基、标准细胞培养环境下培养。24h后，将细胞上清液去除并用无菌PBS清洗两次，将p53@ZIF-8纳米粒在不含血清的DMEM培养基中孵育30min，然后添加到细胞培养板中。继续培养6h，把培养基换成新鲜含10％血清的DMEM培养基，转染48h，通过荧光显微镜检测p53质粒DNA的转染及表达情况。结果显示，本发明制备的p53@ZIF-8在HeLa细胞中均展现了良好的转染效率，转染效率为90.18％，对比例1和对比例2的转染效率分别为84.56％和86.87％。
将本发明、对比例1和对比例2制备p53@ZIF-8纳米粒作为一种新制剂(制剂包括冻干制剂)，在25-30℃存放，对比例1和对比例2制备的p53@ZIF-8纳米粒可以保存时间分别为14天和17天，而本发明制备的p53@ZIF-8纳米粒可以保存1个月以上的长期稳定性，解决了基因保存运输需冷链运输的问题。
p53@ZIF-8纳米粒用于肿瘤治疗：
采用MTT法检测转染p53@ZIF-8纳米粒对HepG2、HeLa、A549和MCF-7细胞增殖抑制作用。将细胞以10000个/孔的密度置于96孔板中，并在含10％FBS的DMEM培养基、37℃的5％CO2标准培养环境下孵育过夜。将200μL负载p53@ZIF-8纳米粒加入96孔板中继续培养48h。以上处理完毕后，将20μLMTT溶液(5mg/m L)添加到每个孔中，在37℃下孵育4h。最后，在每个孔中加入150μL二甲基亚砜(DMSO)用于溶解产生的甲瓒晶体，通过酶标仪测量492nm的吸光度值，计算细胞增存活率，以此评价p53@ZIF-8纳米粒可应用于肝癌(HepG2)、宫颈癌(HeLa)、肺癌(A549)和乳腺癌(MCF-7)等的治疗，具体如图2所示，肝癌细胞(HepG2)、宫颈癌细胞(HeLa)、肺癌细胞(A549)和乳腺癌细胞(MCF-7)的存活率分别为68.2％、63.3％、73.7％和69.1％。
实施例2
一种金属骨架ZIF-8负载p53基因的方法，按如下步骤进行：
(1)将九水合硝酸锌和PVP-K30溶于去离子水中形成溶液A，九水合硝酸锌、PVP-K30和去离子水的用量比为1g:0.005g:10mL；
(2)将2-甲基咪唑、p53基因DNA溶于去离子水中，形成溶液B，2-甲基咪唑、p53基因DNA和去离子水用量比为13.8g:0.8mg:90mL；
(3)在2000rpm下降溶液A加入溶液B中形成混合液，是温习持续搅拌2min，然后将混合液温度控制在45℃，持续搅拌5min；
(4)反应结束后，在14000rm下离心10min，分离得到的固体样品用去离子水洗涤，冷冻干燥得到ZIF-8负载的p53质粒DNA，记为p53@ZIF-8。
本实施例制备的p53@ZIF-8纳米粒形貌为规整的四面体结构，尺寸均匀，在120nm左右，p53@ZIF-8纳米粒中p53质粒DNA释放率达到76.6％，转染本实施例制备的p53@ZIF-8纳米粒，肝癌细胞(HepG2)、宫颈癌细胞(HeLa)、肺癌细胞(A549)和乳腺癌细胞(MCF-7)的存活率分别为66.4％、61.3％、72.5％和67.7％。
实施例3
一种金属骨架ZIF-8负载p53基因的方法，其特征在于，按如下步骤进行：
(1)将九水合硝酸锌和PVP-K30溶于去离子水中形成溶液A，九水合硝酸锌、PVP-K30和去离子水的用量比为1g:0.008g:10mL；
(2)将2-甲基咪唑、p53基因DNA溶于去离子水中，形成溶液B，2-甲基咪唑、p53基因DNA和去离子水用量比为15.4g:0.1mg:90mL；
(3)在3000rpm下降溶液A加入溶液B中形成混合液，是温习持续搅拌3min，然后将混合液温度控制在37℃，持续搅拌7min；
(4)反应结束后，在14000rm下离心10min，分离得到的固体样品用去离子水洗涤，冷冻干燥得到ZIF-8负载的p53质粒DNA，记为p53@ZIF-8。
本实施例制备的p53@ZIF-8纳米粒形貌为规整的四面体结构，尺寸均匀，在115nm左右，p53@ZIF-8纳米粒中p53质粒DNA释放率达到76.6％，转染本实施例制备的p53@ZIF-8纳米粒，肝癌细胞(HepG2)、宫颈癌细胞(HeLa)、肺癌细胞(A549)和乳腺癌细胞(MCF-7)的存活率分别为65.9％、61.8％、72.1％和66.2％。

Claims (6)

1.一种金属有机骨架ZIF-8负载p53基因的方法，其特征在于：是以六水合硝酸锌和PVP-K30溶于去离子水中形成溶液A，以2-甲基咪唑和p53质粒DNA溶于去离子水中形成溶液B，将溶液A加入溶液B中形成混合液，剧烈搅拌2-3min后，将混合液温度控制在37-45℃下反应5-7min，反应结束后离心洗涤，冻干。
2.如权利要求1所述的一种金属有机骨架ZIF-8负载p53基因的方法，其特征在于：所述溶液A中六水合硝酸锌、PVP-K30和去离子水的用量比为1g:0.005-0.008g:10mL。
3.如权利要求1或2所述的一种金属有机骨架ZIF-8负载p53基因的方法，其特征在于：所述溶液B中2-甲基咪唑、p53基因DNA和去离子水用量比为13.8-16.7g:0.1-1mg:90mL。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种金属有机骨架ZIF-8负载p53基因的方法，其特征在于：所述溶液A和溶液B中去离子水的体积比问1:9。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种金属有机骨架ZIF-8负载p53基因的方法，其特征在于：所述剧烈搅拌具体是2000-3000rpm。
6.一种金属骨架ZIF-8负载p53基因的方法，其特征在于，按如下步骤进行：
（1）将九水合硝酸锌和PVP-K30溶于去离子水中形成溶液A，九水合硝酸锌、PVP-K30和去离子水的用量比为1g:0.005-0.008g:10mL；
（2）将2-甲基咪唑、p53质粒DNA溶于去离子水中，形成溶液B，2-甲基咪唑、p53基因DNA和去离子水用量比为13.8-16.7g:0.1-1mg:90mL；
（3）在2000-3000rpm下将溶液A加入溶液B中形成混合液，室温下持续搅拌2-3min，然后将混合液温度控制在37-45℃，持续搅拌5-7min；
（4）反应结束后，在14000rm下离心10min，分离得到的固体样品用去离子水洗涤，冷冻干燥得到ZIF-8负载的p53质粒DNA，记为p53@ZIF-8。
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