CN115212319B - 一种小尺寸铁掺杂氧化锌纳米复合颗粒的制备及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种易体内清除的小尺寸铁掺杂氧化锌纳米复合颗粒及其制备方法与其在SDT/CDT协同抗肿瘤中的应用。本发明是在碱性条件下以乙酸锌和乙酰丙酮铁为原料，通过控制反应温度与时间，合成超小的铁掺杂氧化锌纳米粒FZO NPs，然后先后利用APTES和PEG‑600对其进行表面改性，从而得到在水中稳定的小尺寸铁掺杂氧化锌纳米复合颗粒FZO‑ASP。该纳米复合颗粒提升了氧化锌纳米材料的声动力治疗效果，并能协同基于铁死亡的CDT，对多种肿瘤细胞产生明显的抑制作用，同时其颗粒小，能通过肾脏进行清除，克服了无机声敏剂会在体内蓄积产生长期毒性的缺点，具有良好的应用前景。

Description

一种小尺寸铁掺杂氧化锌纳米复合颗粒的制备及应用
技术领域
本发明属于生物医药领域，具体涉及一种小尺寸铁掺杂氧化锌纳米复合颗粒及其制备方法和其在SDT/CDT协同抗肿瘤中的应用。
背景技术
癌症是组织细胞生长失去控制、异常增殖和分化并伴随迁移性和侵袭性等生物学特点的疾病。随着人口老龄化加剧和环境逐渐恶化，以及受到不良行为习惯的影响，全球癌症发病率与死亡率高居不下，因患癌症所造成的社会负担急剧增加。光动力治疗（PDT）是一种基于光敏剂的非侵入性治疗策略，由光敏剂、特定波长的激光和氧分子这三种基本成分组成。光敏剂可在肿瘤组织中积聚，并能够被特定波长的光源激活，在内源性分子氧存在的情况下形成ROS，后者可迅速引起明显的细胞毒性，通过诱导凋亡或坏死导致细胞死亡。但由于光较低的穿透力，限制了PDT用于深层组织肿瘤的治疗。
超声（US）是一种非侵入性的治疗手段，它可以穿透到更深的组织层，且能最大限度地减少对周围正常组织的损害。声动力治疗（SDT）是一种基于US的新型肿瘤治疗手段，通过US激活声敏剂产生ROS、空化效应、机械效应和进行热疗等。由于深度组织穿透的优势，SDT比PDT更适合临床上的抗肿瘤应用。此外，US可以精确地聚焦于肿瘤部位实现声敏剂的定向激活，从而在对邻近正常组织造成最小损害的情况下选择性地杀灭肿瘤细胞。SDT效果与声敏剂及肿瘤微环境（TME）密切相关。其中，无机声敏剂可克服有机声敏剂化学稳定性差、暗毒性强的缺陷，但存在体内代谢慢且易蓄积（粒径大于7 nm难以通过肾脏清除）的问题。
化学动力治疗（CDT）是利用肿瘤内源性化学能，通过芬顿或类芬顿反应，在肿瘤原位产生高浓度的ROS，从而引发肿瘤细胞凋亡的一种非侵入性治疗策略。由于CDT是基于芬顿反应的肿瘤治疗方法，依赖于肿瘤微酸以及高过氧化氢（H2O2）的肿瘤TME，而对正常组织无毒性，表现出良好的生物安全性；另外，CD由内源性的化学能引发，能够摆脱光、声、热等外加能量场的限制，同时改善缺氧以及免疫抑制的TME；同时，外加能量场（声、光、热等）还能促进CDT。因此，CDT与其他肿瘤治疗策略能产生协同作用，有着良好的抗肿瘤应用前景。
细胞凋亡被广泛用于抗肿瘤药物的开发，但癌细胞耐药性的产生以及凋亡抑制物的过度表达会降低抗肿瘤治疗的效果。一些细胞程序性死亡（PCD）与细胞凋亡有着不同的机制，可克服它的局限性，为癌症的治疗提供了新的思路。其中，铁死亡是一种独特的PCD形式，其具体特征是铁依赖性的致死脂质过氧化物（LPO）在细胞内的积累。由于为了促进生长，肿瘤细胞需要更高水平的铁和脂质代谢能力，这也使肿瘤细胞更容易发生铁死亡。
ZnO NPs是粒径在1~100 nm之间的一种氧化锌化合物形式，其大多数生物医学应用源于ZnO NPs能够响应光/声刺激产生ROS，当产生ROS的量超过细胞的抗氧化能力，就会导致细胞死亡。ZnO NPs产生ROS的能力与其半导体性质密切相关，它在室温下具有宽带隙能量（3.37 eV）和高激发结合能（60 meV），并具有热稳定性和机械稳定性。另外，ZnO NPs是公认的生物安全材料，对于人体的毒性主要取决于Zn2+在体内的丰度，ZnO NPs在正常pH条件（pH=7.4）下溶解速率较低，对人体正常细胞不具备毒性；但在肿瘤细胞微酸性pH值微环境下能快速溶解成Zn2+，从而导致细胞内的氧化应激和并引发细胞损伤，因此ZnO NPs具备pH响应性细胞毒性的特点。
基于以上背景，本发明设计了一种具有特异性肿瘤细胞毒性的小尺寸铁掺杂氧化锌纳米粒，通过控制铁的掺杂比例，可提升ZnO NPs的SDT性能，并协同基于铁死亡的CDT，具有增强的抗肿瘤疗效；此外，小尺寸的FZO-ASP容易通过肾清除，具有良好的生物相容性。
发明内容
本发明针对无机声敏剂易体内蓄积，产生长期毒性的缺点，及ZnO NPs虽具有良好的生物安全性，但作为无机声敏剂用于SDT效果并不明显的问题，制备了一种小尺寸铁掺杂的氧化锌纳米复合颗粒，其利用铁掺杂增强了ZnO NPs响应US产生ROS的效率，并可在微酸的肿瘤微环境中释放铁元素，诱导肿瘤细胞发生铁死亡，从而实现SDT协同基于铁死亡的CDT的增强抗肿瘤治疗效果。同时，所得纳米复合颗粒超小的粒径使得其能够经过肾清除，解决了无机声敏剂会在体内蓄积的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种小尺寸铁掺杂氧化锌纳米复合颗粒（FZO-ASP），其是先利用醋酸锌与乙酰丙酮铁制备超小的铁掺杂氧化锌纳米粒，然后利用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）对其进行包覆，使其在水相中初步稳定，再利用聚乙二醇600（PEG-600）进行表面修饰，以进一步改善其生物相容性与稳定性；修饰后的FZO-ASP能在水中长期稳定分散，其水合颗粒的粒径为77.97±6.18~103.65±5.65 nm，能通过肾脏代谢出体外。
所述小尺寸铁掺杂氧化锌纳米复合颗粒的制备方法包括以下步骤：
1）将乙酰丙酮铁与醋酸锌按Fe与Zn的摩尔比为1:4~1:16（优选为1:8）混合并溶解在无水乙醇中，然后加热至60 ℃，搅拌直至溶解，并加入16.67 mg/mL的NaOH乙醇溶液，以使所得混合溶液的pH＞7，再将其在冰浴中搅拌7~9小时，使混合溶液由澄清变浑浊，最后将混合溶液加入过量正己烷中，使其析出固体，并经10000 rpm离心5 min收集固体沉淀后，用正己烷洗涤三次，于通风橱中干燥过夜，制得超小的铁掺杂氧化锌纳米粒（FZO NPs）；所得FZO NPs具有氧化锌六方纤锌矿型结构，其粒径为4~6 nm；
2）取0.2 mmol制备的FZO NPs，均匀分散至10 mL无水乙醇中，然后加入600 μLAPTES，室温下搅拌均匀，再加入2 mL氨水，并用无水乙醇定容到30 mL，所得混合溶液在室温下剧烈搅拌1 h后，置于60 ℃水浴锅中静置加热30 min，再迅速冷却至室温，得到APTES包覆的水分散性纳米颗粒（FZO-APTES）；
3）取3 mL PEG-600，加入10 mL ddH2O，然后将其与制得的FZO-APTES混合，于室温下剧烈搅拌过夜，得到澄清的分散溶液，用截留分子量为8000-14000的透析袋透析12 h后，将产物转移到水中，经冷冻干燥，得到室温下呈淡黄色油状的小尺寸铁掺杂氧化锌纳米复合颗粒（FZO-ASP）。
本发明FZO-ASP中铁的掺杂提升了ZnO NPs响应超声（US）产生活性氧（ROS）的效率，进而提升了其声动力治疗（SDT）效果，同时，ZnO NPs的pH响应性能使FZO-ASP能在肿瘤微酸环境中响应pH释放铁离子，对肿瘤细胞具有特异性毒性，因而具有SDT协同基于铁死亡的化学动力治疗（CDT）的双重抗肿瘤治疗效果，且其超小的粒径使其能够通过肾清除，具有良好的生物相容性和使用安全性，因此可用于制备SDT/CDT协同抗肿瘤药物。
本发明的效益在于：
（1）本发明通过优化铁掺杂比例，提升了氧化锌纳米粒在SDT中作为声敏剂响应US产生ROS的效率，同时，氧化锌纳米粒的pH响应性能能促进铁离子的释放，诱导基于铁死亡的CDT，对肿瘤细胞产生特异性杀伤效果，从而实现SDT与CDT的协同抗肿瘤治疗效果，且其对多种肿瘤细胞具有良好的抑制作用。
（2）本发明通过对铁掺杂氧化锌纳米粒进行修饰，使其能够在水相中稳定分散，并对正常细胞具有良好的生物相容性。
（3）本发明构建的FZO-ASP具有超小粒径，能够通过肾清除，克服了无机声敏剂易在体内蓄积产生长期毒性的缺陷。
附图说明
图1为实施例1制备的ZnO NPs和实施例2制备的FZO NPs的电镜图。
图2为实施例2制备的FZO NPs 1:8的电镜图和粒径分布图。
图3为实施例2制备的FZO NPs的X射线衍射图。
图4为实施例3中FZO-ASP 1:8在不同溶剂中的分散情况图。
图5为实施例3不同铁掺杂比例制备的FZO-ASP产生单线态氧的效率图。
图6为实施例3不同铁掺杂比例制备的FZO-ASP在不同pH条件下随时间变化释放铁离子的曲线图。
图7为实施例6体外细胞毒性实验的结果图。
图8为实施例7在US条件下的抗肿瘤细胞增殖效果对比图，其中A为ZnO-ASP组、B为FZO-ASP组。
图9为实施例8 FZO-ASP在小鼠体内的代谢情况图。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
称取0.18 g无水醋酸锌，加入20 mL无水乙醇中，然后60 ℃加热搅拌直至溶解。另取50 mg氢氧化钠，70 ℃条件下溶于3 mL无水乙醇中，溶解后在冰浴中降温，然后将其迅速加入到含有醋酸锌的乙醇溶液中，在冰浴中搅拌反应8 h，使溶液逐渐由澄清变浑浊。反应结束后将混合溶液加入过量正己烷中，使ZnO NPs沉淀下来，再经10000 rpm离心5 min收集固体沉淀后，将获得的固体用正己烷洗涤三次，所得ZnO NPs置于通风橱中干燥过夜。
实施例2
按Fe/Zn摩尔比1:4、1:8和1:16分别称取0.087 g、0.043 g、0.022 g乙酰丙酮铁与0.18 g无水醋酸锌，分别加入20 mL无水乙醇中，然后60 ℃加热搅拌直至溶解。另取50 mg氢氧化钠，70 ℃条件下溶于3 mL无水乙醇中，溶解后在冰浴中降温，然后将其迅速加入到含有乙酰丙酮铁和醋酸锌的乙醇溶液中，在冰浴中搅拌反应8 h，使溶液逐渐由澄清变浑浊。反应结束后将混合溶液加入过量正己烷中，使FZO NPs沉淀下来，再经10000 rpm离心5min收集固体沉淀后，将获得的固体用正己烷洗涤三次，产物置于通风橱中干燥过夜，得到不同比例铁掺杂的FZO NPs分别命名为FZO NPs 1:4、FZO NPs 1:8和FZO NPs 1:16。
将实施例1制得的ZnO NPs和实施例2制得的FZO NPs分散在无水乙醇中，利用透射电子显微镜（TEM）观察其形貌，结果如图1所示。同时，通过电镜图对FZO NPs 1:8的粒径大小进行测量，结果如图2所示。由图1和图2可见，所合成的FZO NPs大小均匀，呈椭球形，粒径在4~6 nm。
利用XRD图谱测定FZO NPs的晶体结构，结果如图3所示。由图3可见，通过与氧化锌标准卡NO. 79-0205对比，合成的FZO NPs具备氧化锌的六方纤锌矿型结构，且其在标准卡特征峰的位置均有增强。
实施例3
取0.2 mmol实施例2制备的FZO-NPs，加入10 mL无水乙醇中，超声10 min使其分散均匀，然后在分散液中加入600 μL APTES，室温下搅拌均匀；另取2 mL氨水，加无水乙醇定容到15 mL；然后将上述两种溶液混合，并用无水乙醇定容到30 mL，再在室温下剧烈搅拌1h后，将上述混合溶液置于60 ℃水浴锅中静置加热30 min，得到APTES包覆的水分散性纳米颗粒FZO-APTES。
将上述反应后的溶液迅速冷却至室温；另取3 mL PEG-600，加入10 mL ddH2O，然后将上述两种溶液混合，置于室温下剧烈搅拌过夜，得到澄清的FZO-APTES-PEG（FZO-ASP）分散溶液，将其用截留分子量为8000-14000的透析袋透析12 h后，将纳米颗粒转移到水中，最后通过冷冻干燥得到室温下淡黄色油状的FZO-ASP纳米复合颗粒。
利用动态光散射法（DLS）测定了FZO-ASP在水中的水合颗粒粒径，结果显示，FZO-ASP在水中的水合颗粒粒径为77.97±6.18~103.65±5.65 nm。
另外还测定了FZO-ASP（1:8）在不同溶剂中的分散情况，结果如图4所示。由图4可见，FZO-ASP（1:8）在PBS盐离子缓冲液和1640细胞培养基中也具有很好的分散性，未见聚集发生。
将实施例1制备的ZnO NPs按实施例3所述步骤进行表面修饰，制得未经铁掺杂的氧化锌纳米复合颗粒（ZnO-ASP），以进行后续实验。
实施例4
通过单线态氧绿色荧光探针（SOSG）测定了在超声条件下FZO-ASP溶液中单线态氧（1O2）的含量，SOSG与1O2选择性结合后发射绿色荧光，且荧光强度与1O2含量相关。其具体操作为：首先，将SOSG用无水乙醇稀释，配制成终浓度为5 mmol/L的储备液，置于−20 ℃冰箱中保存备用。待使用时取出SOSG储备液，用PBS缓冲液将其稀释成终浓度为10 μM的工作液，另取一定量的FZO-ASP和ZnO-ASP，同样用PBS缓冲液分别稀释至浓度为2 mg/mL。取24孔板，每孔各加500 μL SOSG工作液和500 μL FZO-ASP或ZnO-ASP，然后进行超声（超声功率为0.5W/cm2，时间为1 min），超声完后立即用酶标仪测定溶液荧光强度（激发波长：504 nm；发射波长：525 nm），并以未加入纳米复合颗粒的孔为对照，产生单线态氧的效率如图5所示。由图5可见，与ZnO-ASP相比，FZO-ASP响应US产生单线态氧的效率明显增加，且当掺杂比例为1:8时产生单线态氧的效率最高。
实施例5
测定FZO-ASP在不同pH缓冲液中溶出铁离子的效果。其具体操作为：取适量FZO-ASP 1:8，分别加入pH为5.4及7.4的两种不同缓冲液，配制成终浓度为1 mg/mL的混合溶液，在37 ℃、200 rpm的恒温摇床中振摇3 h，于不同时间点取样离心后取上清液，通过邻二氮菲分光光度法检测其总铁离子浓度，从而得到FZO-ASP在不同pH缓冲液中铁离子的释放曲线，结果如图6所示。由图6可见，FZO-ASP在pH=5.4的微酸环境下，铁离子的释放更迅速。
实施例6
以人胚肺成纤维细胞Helf细胞与人非小细胞肺癌细胞系PC-9细胞为测试细胞系。细胞培养方法：从液氮罐中取出Helf和PC-9细胞保种管，在37℃水浴锅中快速溶化解冻，然后1000 rpm离心5 min，吸弃上清液，用1 mL培养液将细胞沉淀吹打均匀，转移至培养瓶中，加入4 mL培养基后，置于37℃、5% CO2的培养箱中培养24 h。
利用MTT法测定细胞的存活率。其具体操作为：选取培养的PC-9和Helf细胞，按每孔100 μL细胞悬液（浓度为105个/mL）接种于96孔板，待细胞长至60 %时进行加药，两种细胞按不同的药物浓度梯度进行给药（Helf细胞加入FZO-ASP和ZnO-ASP的药物浓度梯度为5、10、25、50、100 μg/mL，PC-9细胞加药浓度梯度为5、10、20、40、80 μg/mL），加药并孵育24 h后吸弃培养基，每孔加入100 μL MTT溶液，在培养箱继续孵育4 h后弃去，加入150 μL DMSO并充分振摇孔板，使用多功能酶标仪测各孔在570 nm处的吸光值，并通过相关计算方法分析细胞的存活率，结果如图7所示。
由图7可见，在药物浓度为0-50 μg/mL范围内，Helf细胞的存活率始终保持在80%以上，这表明FZO-ASP对于Helf细胞没有明显的细胞毒性；而对于PC-9细胞来说，随着药物浓度的增加，细胞存活率呈现明显的下降趋势，当FZO-ASP的浓度达到80 μg/mL时，细胞存活率下降到50%左右，体现出了对肿瘤细胞明显的特异性毒性。同时还可以观察到，随着铁掺杂比例的增加，FZO-ASP对细胞的毒性逐渐增加，表明铁掺杂使得FZO-ASP可发挥铁参与的CDT作用。
实施例7
以肺癌细胞（PC-9）、乳腺癌细胞（4T1）、黑色素瘤细胞（B16-F10）和肝癌细胞（HepG2）为测试细胞系，按实施例5所示方法进行培养，然后选取增殖状态良好的细胞，消化并加入培养基配制成浓度为1.5 ×105个/mL的细胞悬液，按照每孔1 mL的体积接种于6孔板，置于细胞培养箱中孵育24 h。待6孔板中细胞长至60 %后，加入由培养基稀释的FZO-ASP和ZnO-ASP的药物溶液，其浓度分别为0、10、20、30、40 μg/mL，加药后继续在细胞培养箱中孵育4 h，然后进行超声处理，超声条件为0.3 W/cm2 +0.5 min，超声后采用MTT法对肿瘤细胞增殖效果进行分析，结果如图8所示。
由图8可见，肿瘤细胞的存活率随着给药剂量的增加逐渐降低，ZnO-ASP组肿瘤细胞在最高给药浓度时，仍有75%以上的细胞存活，而FZO-ASP组的细胞存活率则降低到55%左右，体现出了FZO-ASP良好的CDT和SDT协同抑瘤效果。
实施例8
选用ICR小鼠作用代谢实验动物，动物饲养至体重达到20 g左右，并适应动物房环境后开始进行实验。其具体操作为：将15只雌雄小鼠随机分为5组，每组3只（1雄2雌），其中三组小鼠按体重每只通过尾静脉注射150 μL由PBS配制的FZO-ASP溶液，在注射后的第1、7、21天将小鼠处死，解剖后保存其心、肝、脾、肺和肾组织于福尔马林溶液中；另外两组小鼠注射ZnO ASP作为对照（为进行对比，此处所用ZnO ASP是以市售、易聚集的ZnO NPs，其粒径50±10 nm，购自于上海阿拉丁试剂有限公司，按实施例3所述步骤进行表面修饰而制得的未经铁掺杂的ZnO ASP），每只通过尾静脉注射150 μL由PBS配制的ZnO-ASP溶液（控制两种药物注入的锌元素量一致，浓度约44.4 μg/mL），分别于注射后第1和21天将小鼠处死，解剖后保存其心、肝、脾、肺和肾组织于福尔马林溶液中；将各组动物器官取出用滤纸擦干，准确称取0.1g，用剪刀剪碎后置于8 mL王水中过夜。后续将组织混合液经过微波消解仪进一步消解，赶酸后转移至离心管中，加入适量ddH2O定容至10 mL，并用0.22 μm的微孔滤膜过滤，通过ICP-OES检测各样品中锌元素的含量，结果如图9所示。
由图9可见，注射1天后，ZnO ASP主要分布在心脏中，而FZO-ASP主要分布在肝脏中，两者在肾中都有一定的分布，但在脾和肺中分布量较少且不随代谢时间变化；对比ZnOASP的锌元素分布情况可见，在注射FZO-ASP的7、21天，随着代谢时间延长，锌元素在心、肝和肾中的分布迅速降低，特别是在肾中锌元素的含量由3.4 ppm降低至1.7 ppm左右，而ZnOASP在注射21天后肾中仍然含有2.88 ppm的锌元素，以上结果体现了小尺寸粒径FZO-ASP在体内具有良好的清除效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种小尺寸铁掺杂氧化锌纳米复合颗粒的制备方法，其特征在于：先利用醋酸锌与乙酰丙酮铁制备超小的铁掺杂氧化锌纳米粒，然后利用APTES对其进行包覆，再利用PEG-600进行表面修饰，制得所述小尺寸铁掺杂氧化锌纳米复合颗粒；
具体包括以下步骤：
1）将乙酰丙酮铁与醋酸锌按Fe与Zn的摩尔比为1:4~1:16混合并溶解在无水乙醇中，然后加热至60 ℃，搅拌直至溶解，并加入16.67 mg/mL的NaOH乙醇溶液，以使所得混合溶液的pH＞7，再将其在冰浴中搅拌7~9小时，使混合溶液由澄清变浑浊，最后将混合溶液加入过量正己烷中，使其析出固体，经10000 rpm离心5 min收集固体沉淀后，用正己烷洗涤三次，并经干燥过夜，制得超小的铁掺杂氧化锌纳米粒FZO NPs；
2）取0.2 mmol制备的FZO NPs，均匀分散至10 mL无水乙醇中，然后加入600 μL APTES，室温下搅拌均匀，再加入2 mL氨水，并用无水乙醇定容到30 mL，所得混合溶液在室温下剧烈搅拌1 h后，置于60 ℃水浴锅中静置加热30 min，再迅速冷却至室温，得到APTES包覆的水分散性纳米颗粒FZO-APTES；
3）取3 mL PEG-600，加入10 mL ddH2O，然后将其与制得的FZO-APTES混合，于室温下剧烈搅拌过夜，得到澄清的分散溶液，用截留分子量为8000-14000的透析袋透析12 h后，经冷冻干燥，得到室温下呈淡黄色油状的小尺寸铁掺杂氧化锌纳米复合颗粒FZO-ASP。
2. 根据权利要求1所述的小尺寸铁掺杂氧化锌纳米复合颗粒的制备方法，其特征在于：所述小尺寸铁掺杂氧化锌纳米粒的粒径为4~6 nm。
3. 根据权利要求1所述的小尺寸铁掺杂氧化锌纳米复合颗粒的制备方法，其特征在于：所得小尺寸铁掺杂氧化锌纳米复合颗粒能在水中长期稳定分散，其水合颗粒的粒径为77.97±6.18~103.65±5.65 nm。
4.一种如权利要求1所述方法制备的小尺寸铁掺杂氧化锌纳米复合颗粒。
5.一种如权利要求4所述小尺寸铁掺杂氧化锌纳米复合颗粒在制备声动力协同化学动力治疗抗肿瘤药物中的应用。
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