CN115887703A - 一种金钆掺杂树状大分子纳米凝胶及其制备和应用 - Google Patents

一种金钆掺杂树状大分子纳米凝胶及其制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金钆掺杂树状大分子纳米凝胶及其制备和应用。该纳米凝胶为:树状大分子纳米凝胶内部包裹金纳米颗粒,表面修饰1,3‑丙烷磺酸内酯1,3‑PS和RGD,并且螯合Gd离子。该制备方法包括:树状大分子纳米凝胶的制备;包裹金纳米颗粒的树状大分子纳米凝胶的制备;Gd@Au‑DNGs水溶液的制备;RGD‑Gd@Au‑DNGs溶液的制备;金钆掺杂树状大分子纳米凝胶的制备。该制备方法工艺简单,制备得到的金钆掺杂树状大分子纳米凝胶具有良好的分散性、生物相容性、CT/MR成像效果和优异的抗非特异性蛋白吸附功能。

Description

一种金钆掺杂树状大分子纳米凝胶及其制备和应用
技术领域
本发明属于功能性杂化纳米材料及其制备和应用领域,特别涉及一种金钆掺杂树状大分子纳米凝胶及其制备和应用。
背景技术
近年来,随着纳米技术与分子影像学的快速发展,出现了多种应用于肿瘤诊断领域的纳米造影剂,尤其是纳米载体的应用使构建多功能、多模态纳米探针进行肿瘤的精准诊断成为可能。计算机断层扫描(CT)成像技术具有较高的空间分辨率,较短的图像采集时间,但是存在对软组织分辨率差、较高的放射性对人体有危害的缺点。磁共振成像(MR)对软组织有极好的分辨率且对人体没有辐射损伤,但是费用昂贵,图像采集时间长。鉴于每种成像技术都有其自身的优势和局限性,单一的成像技术已经不能满足对疾病精准诊断的需要。因此,结合两种或两种以上的成像技术可以克服单一成像的弊端,增强诊断信息的准确性和可靠性。
发展一种多功能的CT/MR双模态造影剂,结合CT和MR两种成像技术各自的优点,从而大大提高诊断的灵敏度和准确度,同时可以克服传统医用造影剂代谢过快的缺陷,在临床应用中将具有极大的价值。双模态造影剂一方面可以减少造影剂对患者的毒副作用,另一方面可以提供更加全面的诊断信息。
纳米凝胶(NGs)载体在生物医学领域,特别是药物传递、肿瘤诊断和组织工程等方面表现出极大的应用潜力。纳米凝胶是由亲水性或两亲性的高分子链通过物理或者化学交联的方式组成的三维网状结构的纳米尺度水凝胶颗粒,表现出软物质特性。纳米凝胶具有良好的胶体稳定性、生物相容性、高负载能力、易于多功能化、易被细胞吞噬、容易进入肿瘤组织等优势,促进了其在生物医学领域中的应用。另外,值得注意的是,树状大分子由于具有高度支化的结构、优异的单分散性和丰富的表面基团等特性,使其在纳米医学领域引起了极大的关注。因此综合考虑,使用第三代树状大分子为原材料制备纳米凝胶,有望结合树状大分子和纳米凝胶的双重优势,使其为构建优异的双模态成像造影剂开辟新的选项。
另外,面对人体复杂的免疫系统,载体材料还需要具备阻抗蛋白质非特异性吸附的能力,从而逃离网状内皮系统(RES)的识别,延长体内血液循环时间,以增大纳米材料到达病灶的几率(Small,2010,5(14),1637-1641)。近期研究表明两性离子修饰的树状大分子可以有效延长其在体内的血液循环时间(ACS Appl.Mater.Interfaces 2019,11,1521-215221)。表面修饰两性离子显著降低了材料的非特异性蛋白吸附,为材料在体内的应用拓宽了道路。
检索国内外有关CT/MR双模态造影剂方面的文献和专利结果表明:目前尚未发现内部包裹了金纳米颗粒,外部螯合钆离子并表面修饰靶向分子RGD和两性离子的树状大分子基纳米凝胶的制备及其在CT/MR成像方面的应用报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种金钆掺杂树状大分子纳米凝胶及其制备和应用,将两种或多种成像元素整合在一个纳米平台中,克服单模态成像的不足及其易于吸附非特异性蛋白而被RES捕获的缺陷。本发明通过反相微乳液法和表面功能化修饰制备的金钆掺杂树状大分子纳米凝胶具备良好的分散性和生物相容性,较高的抗非特异性蛋白吸附能力和良好的靶向CT/MR成像效果,有潜力作为CT/MR双模态造影剂用于肿瘤精准诊断。
本发明提供一种金钆掺杂树状大分子纳米凝胶,树状大分子纳米凝胶内部包裹金纳米颗粒,表面修饰1,3-丙烷磺酸内酯1,3-PS和RGD,并且螯合Gd离子。
优选地,所述树状大分子纳米凝胶是将第三代聚酰胺-胺PAMAM树状大分子G3.NH2在交联剂作用下通过反相微乳液法制备得到,其中交联剂为N,N'-双(丙稀酰)胱胺BAC。
本发明还提供一种金钆掺杂树状大分子纳米凝胶的制备方法,包括:
(1)将第三代PAMAM树状大分子G3.NH2和交联剂溶解于水中,混合搅拌,形成水相,将表面活性剂Span 80和乳化剂Tween 80加入到有机溶剂中,搅拌,形成油相,将水相逐滴加入到油相中,得到W/O聚合物乳液,经超声破碎后,滴加三乙胺后搅拌反应,离心,取得到的下层凝胶用溶剂分散并透析,得到树状大分子纳米凝胶G3-DNGs溶液;
(2)将步骤(1)中G3-DNGs溶液置于冰浴中,边搅拌边加入氯金酸HAuCl4·4H2O溶液,搅拌,加入含硼氢化钠NaBH4的冰水溶液,继续反应,得到包裹金纳米颗粒的树状大分子纳米凝胶,即Au-DNGs溶液;
(3)将螯合剂二亚乙基三胺五乙酸二酐DTPA和硝酸钆分别溶解在超纯水中,搅拌混合,得到DTPA-Gd复合物溶液;然后加入到步骤(2)所得的Au-DNGs溶液中,反应,得到Gd@Au-DNGs水溶液;
(4)将COOH-PEG-RGD溶于溶剂中,加入EDC和NHS活化,得到活化的COOH-PEG-RGD溶液,然后将其逐滴滴加到步骤(3)所得的Gd@Au-DNGs水溶液中,搅拌反应,透析,得到RGD-Gd@Au-DNGs溶液;
(5)将1,3-PS溶解于去离子水,然后加入到步骤(4)所得的RGD-Gd@Au-DNGs中,搅拌,得到RGD和两性离子修饰的金钆掺杂树状大分子纳米凝胶RGD-Gd@Au-DNGs-PS。
优选地,所述步骤(1)中G3.NH2和交联剂的摩尔比为20:1-3;表面活性剂和乳化剂的质量比为3:1-8:1。
优选地,所述步骤(1)中油相中有机溶剂与水相中水的体积比为10-14:1;水相水和三乙胺的体积比为1:0.5-1。
优选地,所述步骤(1)中交联剂为N,N'-双(丙烯酰)胱胺BAC。
优选地,所述步骤(1)中有机溶剂为正己烷;溶剂为丙酮。
优选地,所述步骤(1)中混合搅拌时间为10-15h;超声破碎时间为5-10min。
优选地,所述步骤(1)中透析采用截留分子量为1000Da的透析袋。
优选地,所述步骤(1)中离心时间为10-15min,离心转速为10000-14000r/min。
优选地,所述步骤(2)中G3-DNGs溶液中的树状大分子和HAuCl4·4H2O的摩尔比为1:12-15;NaBH4与HAuCl4·4H2O摩尔比为3-4:1。
优选地,所述步骤(2)中搅拌时间为15-30min;继续反应时间为3-4h。
优选地,所述步骤(3)中DTPA和硝酸钆的摩尔比为2-2.25:1;Au-DNGs中G3和DTPA-Gd中Gd的摩尔比为1:30-50。
优选地,所述步骤(3)中搅拌混合时间为12-15h;反应时间为12-15h。
优选地,所述步骤(4)中EDC、NHS和COOH-PEG-RGD的摩尔比为10-12:10-12:1;Gd@Au-DNGs中G3与活化的COOH-PEG-RGD的摩尔比为1-2:1。
优选地,所述步骤(4)中溶剂为DMSO;搅拌反应温度为室温,搅拌反应时间为3-4天。
优选地,所述步骤(4)中COOH-PEG-RGD的制备方法包括:
将一端为羧基另一端为马来酰亚胺基团的聚乙二醇分子MAL-PEG-COOH和多肽RGD分别溶于DMSO中,混合均匀后,搅拌反应,透析,冷冻干燥后得到多肽RGD修饰的聚乙二醇分子COOH-PEG-RGD;其中,MAL-PEG-COOH和RGD的摩尔比为1:1.2-1.5。
优选地,所述MAL-PEG-COOH的Mw=2000。
优选地,所述搅拌反应温度为室温,搅拌反应时间为24-30h。
优选地,所述步骤(5)中RGD-Gd@Au-DNGs中树状大分子和1,3-PS的摩尔比为1:60-70。
优选地,所述步骤(5)中搅拌时间为12-15h。
本发明还提供一种金钆掺杂树状大分子纳米凝胶在制备靶向肿瘤CT/MR成像试剂中的应用。
本发明基于第三代聚酰胺-胺树状大分子为原材料,使用BAC为交联剂,形成树状大分子纳米凝胶,再在其内部包裹金纳米颗粒,表面修饰1,3-PS和靶向基团RGD,得到功能化修饰的金钆掺杂树状大分子纳米凝胶复合物。该平台具有特异性靶向整合素αvβ3和抵抗非特异性蛋白吸附的功能。实验结果表明,该功能化修饰的纳米凝胶具有优良的成像效果。
本发明使用Zeta电势及动态光散射分析(DLS)、紫外可见吸收光谱(UV-Vis)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)、磁共振(MR)成像分析等手段表征制备的金钆掺杂树状大分子纳米凝胶(RGD-Gd@Au-DNGs-PS)。然后利用CCK-8法评价纳米凝胶的细胞毒性,采用ICP-OES评价该纳米材料的细胞吞噬能力,体外蛋白吸附实验评价抗非特异性蛋白吸附性能,最后进行小鼠体内肿瘤模型的CT/MR成像,考察RGD-Gd@Au-DNGs-PS的成像效果。此外,通过组织分布和H&E染色实验分别研究了RGD-Gd@Au-DNGs-PS在动物体内的代谢情况及其生物安全性。具体测试结果如下:
1.Zeta电势及水动力学直径测试结果
对实施例1各步骤中制备的DNGs进行表征:分别取1mL实施例1中G3-DNGs、Au-DNGs、Gd@Au-DNGs、RGD-Gd@Au-DNGs、RGD-Gd@Au-DNGs-PS进行水动力学尺寸及Zeta电势测试(如表1所示)。其水合粒径分别为86.4nm、90.6nm、107.9nm、114.9nm、154.3nm,电势分别为19.4mV、23.1mV、18.2mV、13.3mV、9.5mV。根据Zeta电势数据可以看出,经过表面修饰后,纳米凝胶的表面电势从23.1mV降低到9.5mV,这为材料的低细胞毒性提供了保障。从水动力学粒径结果可以看出,金钆掺杂树状大分子纳米凝胶尺寸较小,表面修饰引起材料水合粒径的略微增大,纳米凝胶具有良好的分散性。
2.SEM和TEM测试结果
通过SEM观察Au-DNGs的尺寸和形态(见图3),结果表明制备的Au-DNGs呈均匀的球形形态,平均粒径约为122nm。TEM结果(见图4)显示,包裹的金纳米颗粒在凝胶内部分散均匀,而且RGD-Gd@Au-DNGs-PS凝胶的形态为近球形,平均尺寸约为114nm,由此可以得出SEM和TEM结果基本一致。
3.体外抗蛋白吸附实验测试结果
通过对实施例1中制备的RGD-Gd@Au-DNGs-PS和对比例1中制得的RGD-Gd@Au-DNGs进行蛋白吸附实验测试,从而比较两种材料抗非特异性蛋白吸附的效果。以牛血清白蛋白为模式蛋白,如图5(a)所示,BSA在278nm处有吸收峰。将RGD-Gd@Au-DNGs和RGD-Gd@Au-DNGs-PS分别配置成不同浓度的PBS溶液,测试其与BSA蛋白共孵育前后278nm处的吸光度差值。从图5(b)可以看出,RGD-Gd@Au-DNGs-PS的吸光度差值明显低于RGD-Gd@Au-DNGs组(p<0.001),表明两性离子的修饰可以显著降低凝胶材料的非特异性蛋白吸附。
4.磁共振(MR)分析结果
取靶向组RGD-Gd@Au-DNGs-PS、非靶向组Gd@Au-DNGs-PS和纳米颗粒组G3@Au-Gd-PS溶于超纯水,配制成不同浓度的纳米凝胶水溶液([Gd]=0.48mM、0.24mM、0.12mM、0.06mM和0.03mM),用磁共振成像仪测定三种材料的T1弛豫时间并且扫描MR成像图片。测试结果如图6所示,制备的RGD-Gd@Au-DNGs-PS的弛豫时间的倒数(1/T1)随Gd浓度的增加而增加,呈现良好的线性关系。通过计算得知RGD-Gd@Au-DNGs-PS的弛豫率为9.16mM-1s-1,对比例1中所得的Gd@Au-DNGs-PS的弛豫率为8.33mM-1s-1,对比例2中所得的G3@Au-Gd-PS的弛豫率为5.03mM-1s-1,表明制备的两种纳米凝胶相比于纳米颗粒均具备更好的T1MR成像效果。
5.细胞活力测试评价
收集对数生长期的胰腺癌Panc-2细胞,按照1×104个/孔的密度接种在96孔细胞板上,置于5%CO2、37℃条件下孵育24h。然后弃掉培养基,每孔更换180μL新鲜培养基,并添加20μL的RGD-Gd@Au-DNGs-PS(最终金浓度为2000、4000、6000、8000nM)或纯PBS(对照组)。之后将细胞培养板放置在5%CO2、37℃培养箱中继续孵育24h。随后弃掉原培养基,加入含10μLCCK-8的新鲜培养基溶液,继续培养2h后,放置在多功能酶标仪中测试450nm处的吸光值。结果如图7(a)所示,与PBS对照组相比,RGD-Gd@Au-DNGs-PS在实验浓度范围内对Panc-2细胞没有明显细胞毒性,细胞活力均在90%以上,说明RGD-Gd@Au-DNGs-PS具有良好的细胞相容性。
6.细胞吞噬及靶向性评价
取RGD-Gd@Au-DNGs-PS用无菌PBS缓冲液配制成Au浓度为4000nM的母液,并用紫外照射过夜杀菌。按照2×105个细胞/孔(1mL/孔)的密度将Panc-2细胞接种于12孔板中孵育过夜。用DMEM培养基分别将母液稀释为[Au]=0、500、1000、2000、4000nM的溶液。将上述稀释后的样品与Panc-2细胞在37℃下共培养4h。之后,将细胞用PBS洗三次,再用胰酶消化并离心,弃上清液,得到的沉淀用1mL王水消化24h,消化完全后加入3mL超纯水,通过ICP-OES检测样品中的Au浓度。以同样的方法测Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS与Panc-2细胞共培养4h后的吞噬情况。细胞内吞测试结果如图8(b)所示,在相同浓度下,RGD-Gd@Au-DNGs-PS的细胞吞噬量高于Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS的吞噬量。在[Au]=4000nM时,G3@Au-Gd-PS、Gd@Au-DNGs-PS和RGD-Gd@Au-DNGs-PS的Au吞噬量分别为:3.1pg/细胞、5.5pg/细胞和9.1pg/细胞。本实验充分证明了RGD具有良好的靶向性能。另外,相比于纳米颗粒组G3@Au-Gd-PS,非靶向纳米凝胶组Gd@Au-DNGs-PS的细胞内吞性能更佳,从而体现了相同成分的纳米凝胶比纳米颗粒具有更好的细胞内吞。
7. 3D细胞球渗透结果
通过3D细胞球渗透实验探究RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS的肿瘤渗透性能。首先将3种材料(称取10mg冻干后的RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS材料,分别分散在5mL的去离子水中)分别与1mL含有2μg的Cy 5.5DMSO溶液搅拌24h,透析3天后得到荧光标记的RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS溶液。然后,利用常规步骤制备Panc-2 3D细胞球,将3D Petri Dish凹槽内部和周围的培养基倒掉,分别加入荧光标记的含有RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS的新鲜培养基,孵育8小时,用PBS清洗三次,用移液枪将细胞球吹打到Confocal皿中,通过激光共聚焦显微镜的Z-stack扫描Cy 5.5的荧光,进行纳米材料渗透检测和分析。如图8(a)所示,与纳米凝胶组相比,纳米颗粒组G3@Au-Gd-PS的荧光均相对较弱。例如,在75μm深度时,纳米颗粒组只能观察到微弱的荧光,而纳米凝胶组RGD-Gd@Au-DNGs-PS和Gd@Au-DNGs-PS可明显观察到Cy5.5的荧光。并且,纳米凝胶的靶向组RGD-Gd@Au-DNGs-PS在达到100μm深度时,仍可观察到Cy5.5的荧光。如图8(b)的定量分析与上述结果一致。实验结果证明和纳米颗粒组G3@Au-Gd-PS相比,纳米凝胶组更容易渗透进入3D细胞球,其原因可能是由于纳米凝胶的高流动性和高细胞内吞能力,从而进一步放大了EPR效应。和非靶向Gd@Au-DNGs-PS组相比,靶向组RGD-Gd@Au-DNGs-PS由于RGD引起的和癌细胞的特异性结合和内吞,进而产生主动靶向,因而其3D细胞球渗透性能最佳。
8.体内CT/MR成像结果
取RGD-Gd@Au-DNGs-PS(靶向组)、对照材料Gd@Au-DNGs-PS(非靶向组)和G3@Au-Gd-PS(纳米颗粒组)的PBS悬液,经尾静脉注射到C57BL/6小鼠体内([Au]=0.1M,100μL/只)。在注射前和注射后30、60、90、120min时分别进行CT和MR成像扫描。如图9-10所示,靶向组RGD-Gd@Au-DNGs-PS、非靶向组Gd@Au-DNGs-PS以及G3@Au-Gd-PS纳米颗粒组均在肿瘤部位显示出了MR和CT信号的增强,RGD-Gd@Au-DNGs-PS和Gd@Au-DNGs-PS在90min时肿瘤部位的HU值和MR信噪比(SNR)达到峰值。而G3@Au-Gd-PS是在60min时瘤部位的HU值和MR信噪比(SNR)达到峰值。相比之下,靶向组RGD-Gd@Au-DNGs-PS比非靶向组Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS组具有更显著的CT/MR成像效果,而G3@Au-Gd-PS由于尺寸较小,可能在体内血液半衰期短,在肿瘤部位达到成像信号峰值的时间缩短。这也进一步证明了纳米凝胶组材料具有放大的EPR效应,因而具有最佳的成像效果。
9.体内组织分布结果
随后构建Panc-2C57BL/6小黑鼠肿瘤模型,研究RGD-Gd@Au-DNGs-PS在体内不同组织中的分布和代谢情况。尾静脉注射RGD-Gd@Au-DNGs-PS的PBS溶液([Au]=0.1M,100μL/只),分别在注射1、2、6、12、24h后,处死小鼠,取出其主要器官和肿瘤称重,然后切成小块并加入3mL王水消化1周,用ICP-OES测定各个组织样品中Au的含量。结果如图11所示,在尾静脉注射各组材料6小时之后,各器官(心、肝、脾、肺、肾)中的金元素含量逐渐降低,这些结果证明了所制备材料RGD-Gd@Au-DNGs-PS能够在小鼠体内正常代谢清除。
10.体外生物安全性评价
通过H&E染色评价RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS在小鼠体内的生物安全性。选用5-6周龄的健康雌性C57BL/6小黑鼠,将其随机分为四组:PBS组、RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS组。分别取1mL的PBS、RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS,经尾静脉注射到小鼠体内([Au]=0.1M,100μL/只)。饲养至30天时,将各组小鼠处死,提取心、肝、脾、肺、肾进行H&E染色检测。如图12的H&E染色结果所示,与PBS组相比,RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS组小鼠的心、肝、脾、肺、肾均未观察到明显的形态改变或坏死等病理异常,进一步佐证了靶向组RGD-Gd@Au-DNGs-PS、非靶向组Gd@Au-DNGs-PS以及纳米颗粒组G3@Au-Gd-PS均具有良好的生物安全性。
有益效果
(1)本发明合成工艺简单,反应条件温和可控,易于操作,成本较低,所用均为环境友好材料,制备的金钆掺杂树状大分子纳米凝胶具有良好的生物相容性;
(2)本发明以G3为原材料,通过反相微乳液法制备的金钆掺杂树状大分子纳米凝胶,经表面修饰靶向分子和两性离子后,具有良好的稳定性,尺寸较均一,与G3纳米颗粒相比具有增强的EPR效应,并通过靶向分子进一步增加其在肿瘤部位的有效富集,使其具有良好的CT/MR成像效果;
(3)本发明制备的金钆掺杂树状大分子纳米凝胶在分子影像领域有潜在的应用价值。
附图说明
图1为本发明金钆杂化树状大分子RGD-Gd@Au-DNGs-PS纳米凝胶的合成示意图(a,b)。
图2为树状大分子水溶液和树状大分子纳米凝胶的外观对比图(a)以及实施例1中树状大分子纳米凝胶(b)和对比例3中树状大分子溶液(c)的水动力学直径。
图3为本发明制备的Au-DNGs的扫描电镜图片以及对应的粒径分布图。
图4为本发明制备的RGD-Gd@Au-DNGs-PS的高分辨透射电镜图片以及对应的粒径分布图。
图5为BSA蛋白的UV-Vis光谱图(a)和不同浓度的RGD-Gd@Au-DNGs-PS和RGD-Gd@Au-DNGs与BSA(1mg/mL)孵育2h后的紫外吸收差值(b)。
图6为制备的RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS的T1弛豫时间的倒数随Gd浓度变化的线性关系图,其中(a)为MR成像图,(b)为线性关系图。
图7为本发明制备的Gd@Au-DNGs-PS和RGD-Gd@Au-DNGs-PS经CCK8法测得的Panc-2细胞在不同凝胶浓度(0-8000nM)下处理24h后的细胞活力(a);Panc-2细胞经过不同金浓度(0-4000nM)的RGD-Gd@Au-DNGs-PS、RGD-Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS处理4h后的细胞吞噬量(**p<0.001,***p<0.001)(b)。
图8为本发明制备的RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS孵育Panc-2 3D细胞球8小时的细胞球荧光图(a)和荧光强度分布图(b)。
图9为尾静脉注射RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS([Au]=0.1M,100μL/只)后不同时间点小鼠肿瘤部位的CT成像图(a)和CT值(b)。
图10为尾静脉注射RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS([Gd]=0.01M,100μL/只)后不同时间点小鼠肿瘤部位的MR成像图(a)和MRSNR值(b)。
图11为经尾静脉注射RGD-Gd@Au-DNGs-PS不同时间后,材料在小鼠心、肝、脾、肺、肾以及肿瘤中的分布情况。
图12为PBS、RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS处理30天后健康小鼠心、肝、脾、肺、肾的H&E染色结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)取20mg第三代PAMAM树状大分子G3.NH2和2mg N,N'-双(丙烯酰)胱胺(BAC)溶解于1mL去离子水中混合搅拌15min,然后逐滴加入到12mL含Span80和Tween80(Span 80和Tween80按照质量比5:1,Span 80和Tween80总质量为280mg)的正己烷溶液中,1000rpm搅拌5min,初步形成W/O乳液,然后将该W/O乳液置于超声破碎仪中超声5min,随后滴加1mL三乙胺并继续搅拌过夜(3000rpm)。之后,将W/O乳液在12000rpm离心15min,去除上清,取沉淀用10mL丙酮重新分散后置于截留分子量为1000Da的透析袋中透析3天后冻干,即得到树状大分子纳米凝胶(G3-DNGs);
(2)取上述制得的29mg G3-DNGs溶于5mL去离子水中,在冰浴条件下逐滴加入370μL氯金酸水溶液(30mg/mL),搅拌混合30min。称取5mg硼氢化钠溶于1mL预冷的去离子水中,然后将其快速加入到上述混合溶液中,在冰浴条件下继续搅拌反应3h。待反应结束后,将反应液转移至截留分子量为1000Da的透析袋中,用超纯水透析3天,最后得到Au-DNGs的水溶液;
(3)将DTPA-Gd复合物溶液(101mg硝酸钆和40mg DTPA分别溶于3ml去离子水中混合搅拌12h制得)加入到步骤(2)中的Au-DNGs溶液中,反应12h。得到Gd@Au-DNGs;
(4)称取13.34mg MAL-PEG-COOH(Mw=2000)和4.61mg RGD分别溶解于3mL DMSO中,完全溶解后,于室温下混合搅拌反应24h。反应结束后,将上述混合溶液转移至截留分子量为1000Da的透析袋中,在超纯水中透析3天,最后经冷冻干燥得到固体产物COOH-PEG-RGD。称取12mg COOH-PEG-RGD,溶解于3mL DMSO中,在匀速搅拌的情况下,先加入12.79mgEDC(溶于3mL的DMSO中)活化30min,再加入7.68mg NHS(溶于3mL的DMSO中)活化3h,得到活化的COOH-PEG-RGD溶液。随后将活化的COOH-PEG-RGD溶液逐滴滴加到上述步骤(3)所得的Gd@Au-DNGs水溶液中,于室温条件下搅拌反应3天。待反应结束后,将反应液转移至截留分子量为1000Da的透析袋中,用超纯水透析3天,得到RGD-Gd@Au-DNGs;
(5)取20mg的1,3-PS溶于5mL去离子水中,加入步骤(4)所得到的RGD-Gd@Au-DNGs溶液中搅拌12h,然后用截留分子量为1000Da的透析袋透析3天,得到RGD-Gd@Au-DNGs-PS溶液,经冷冻干燥后,于-20℃储存备用。
对比例1
(1)称取10mg mPEG-COOH(Mw=2000),溶解于3mL DMSO中,在匀速搅拌条件下,先加入9.59mg EDC(溶于3mL的DMSO中)反应30min,再加入5.75mg NHS(溶于3mL的DMSO中)活化3h,然后将活化的mPEG-COOH溶液加入到实施例1中所述步骤(3)得到的Gd@Au-DNGs溶液,于室温条件下搅拌反应3-4天。待反应结束后,用截留分子量为1000Da的透析袋透析3天,得到修饰了mPEG的Gd@Au-DNGs溶液,经冷冻干燥后,于-20℃储存备用。
(2)取20mg的1,3-丙烷磺酸内酯(1,3-PS)溶于5mL去离子水中,将其加入到上述mPEG修饰的Gd@Au-DNGs溶液中进行搅拌12h,然后用截留分子量为1000Da的透析袋透析3天,得到非靶向组对比材料Gd@Au-DNGs-PS溶液,经冷冻干燥后,于-20℃储存备用。
对比例2
(1)取20mg PAMAM G3.NH2溶于5mL去离子水,在冰浴条件下逐滴加入230μL氯金酸水溶液(30mg/mL),搅拌混合30min。称取5mg硼氢化钠溶于1mL预冷的去离子水中,然后将其快速加入到上述混合溶液中,在冰浴条件下继续搅拌反应3h。待反应结束后,将反应液转移至截留分子量为1000Da的透析袋中,用超纯水透析3天,最后得到G3@Au的水溶液;
(2)将DTPA-Gd复合物溶液(101mg硝酸钆和40mg DTPA分别溶于3ml水中混合搅拌12h制得)加入到上述步骤(1)所得的的G3@Au溶液中,反应12h,得到G3@Au-Gd溶液。
(3)取20mg的1,3-PS溶于5mL水中,加入到上述步骤(2)所得到的G3@Au-Gd溶液中搅拌12h。待反应结束后,将反应液转移至截留分子量为1000Da的透析袋中,用超纯水透析3天,得到G3@Au-Gd-PS溶液,经冷冻干燥后,于-20℃储存备用。
对比例3
实施例1步骤(1)中不添加Tween 80,只添加Span80,其余均与实施例1步骤(1)相同,得到的产物为澄清透明的液体,与纳米凝胶为乳白色液体不符,可以直观判断没有形成纳米凝胶(如图2)。且如图2(c)通过纳米粒度仪测得未添加乳化剂得到的产物尺寸为419nm,且粒径分布为尖锐分布较窄的峰,与图2(b)纳米凝胶的宽的粒径分布峰不符。
而纳米凝胶相对于纳米颗粒具有良好的纳米凝胶具有良好的高负载能力、易于多功能化、易被细胞吞噬等优点。
实施例2
对实施例1各步骤中制备的DNGs进行表征:分别取1mL的浓度为2mg/mL的G3-DNGs、Au-DNGs、Gd@Au-DNGs、RGD-Gd@Au-DNGs、RGD-Gd@Au-DNGs-PS进行水动力学尺寸及Zeta电势测试(如表1所示)。其水合粒径依次序分别为86.4nm、90.6nm、107.9nm、114.9nm、154.3nm,Zeta电势依次序分别为19.4mV、23.1mV、18.2mV、13.3mV、9.5mV。根据Zeta电势数据可以看出,经过表面修饰后,凝胶的表面电势从23.1mV降低到9.5mV,这为材料的低细胞毒性提供了保障。从水动力学粒径结果可以看出,金钆掺杂树状大分子纳米凝胶尺寸较小,表面修饰引起材料水合粒径的略微增大,纳米凝胶具有良好的分散性。
表1RGD-Gd@Au-DNGs-PS的Zeta电势及水动力学直径
样品 水合粒径(nm) 表面电势(mV) 多分散系数(PDI)
DNGs 86.4 19.4 0.23
Au-DNGs 90.6 23.1 0.20
Gd@Au-DNGs 107.9 18.2 0.35
RGD-Gd@Au-DNGs 114.9 13.3 0.25
RGD-Gd@Au-DNGs-PS 154.3 9.5 0.32
实施例3
取1mL浓度为0.5mg/mL的实施例1中Au-DNGs水溶液,滴加在硅片上进行SEM测试。如图3所示,制备的Au-DNGs形状接近球形,粒径为122nm,由此可以进一步证明树状大分子纳米凝胶的成功制备。
实施例4
取1mL浓度为0.5mg/mL的实施例1中的RGD-Gd@Au-DNGs-PS进行TEM测试。如图4所示,RGD-Gd@Au-DNGs中的金核粒径约为5.3nm,在凝胶内均匀分布,而金钆掺杂及功能化修饰的凝胶RGD-Gd@Au-DNGs平均粒径约为114nm,分散均匀,形态接近球形。
实施例5
对实施例1中制备的RGD-Gd@Au-DNGs-PS和对比例1中制得的RGD-Gd@Au-DNGs进行蛋白吸附实验测试,以比较两种材料抗非特异性蛋白吸附的效果。以牛血清白蛋白为模式蛋白,如图5(a)所示,BSA在278nm处有吸收峰。将RGD-Gd@Au-DNGs和RGD-Gd@Au-DNGs-PS分别配置成不同浓度的PBS溶液(浓度分别为0.07、0.125、0.25、0.5mg/mL),测试其与BSA蛋白共孵育前后278nm处的吸光度差值。从图5(b)可以看出,RGD-Gd@Au-DNGs-PS的吸光度差值明显低于RGD-Gd@Au-DNGs组(p<0.001),表明两性离子的修饰可以显著降低凝胶材料的非特异性蛋白吸附。
实施例6
取实施例1制备的RGD-Gd@Au-DNGs-PS、对比例1制备的Gd@Au-DNGs-PS和对比例2制备的G3@Au-Gd-PS溶于超纯水,配制成不同浓度的纳米凝胶水溶液([Gd]=0.48mM、0.24mM、0.12mM、0.06mM和0.03mM),用磁共振成像仪测定三种材料的T1弛豫时间并且扫描MR成像图片。测试结果如图6所示,制备的RGD-Gd@Au-DNGs-PS的弛豫时间的倒数(1/T1)随Gd浓度的增加而增加,呈现良好的线性关系。通过计算得知RGD-Gd@Au-DNGs-PS的弛豫率为9.16mM-1s-1,对比例1中所得的Gd@Au-DNGs-PS的弛豫率为8.33mM-1s-1,对比例2中所得的G3@Au-Gd-PS的弛豫率为5.03mM-1s-1,表明制备的两种纳米凝胶相比于纳米颗粒均具备更好的T1MR成像效果。
实施例7
收集对数生长期的胰腺癌Panc-2细胞,按照1×104个/孔的密度接种在96孔板中,置于5%CO2、37℃条件下孵育24h。然后弃掉培养基,每孔更换180μL新鲜培养基,并添加20μL的RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS(最终金浓度为2000、4000、6000、8000nM)或纯PBS(对照组)。之后将细胞培养板放置在5%CO2、37℃培养箱中继续孵育24h。随后弃掉原培养基,加入含10μLCCK-8的新鲜培养基溶液,继续培养2h后,放置在多功能酶标仪中测试450nm处的吸光值。结果如图7(a)所示,与PBS对照组相比,RGD-Gd@Au-DNGs-PS和Gd@Au-DNGs-PS在实验浓度范围内对Panc-2细胞没有明显的细胞毒性,细胞活力均在90%以上,说明RGD-Gd@Au-DNGs-PS和Gd@Au-DNGs-PS均具有良好的细胞相容性。
实施例8
取RGD-Gd@Au-DNGs-PS用无菌PBS缓冲液配制成Au浓度为4000nM的母液,并用紫外照射过夜杀菌。按照2×105个细胞/孔(1mL/孔)的密度将Panc-2细胞接种于12孔板中孵育过夜。用DMEM培养基分别将母液稀释为[Au]=0、500、1000、2000、4000nM的溶液。将上述稀释后的样品与Panc-2细胞在37℃下共培养4h。之后,将细胞用PBS洗三次,再用胰酶消化并离心,弃上清液,得到的沉淀用1mL王水消化24h,消化完全后加入3mL超纯水,通过ICP-OES检测样品中的Au浓度。以同样的方法测定对比例Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS与Panc-2细胞共培养4h后的吞噬情况。细胞内吞测试结果如图7(b)所示,在相同浓度下,RGD-Gd@Au-DNGs-PS的细胞吞噬量高于Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS的吞噬量。在[Au]=4000nM时,G3@Au-Gd-PS、Gd@Au-DNGs-PS和RGD-Gd@Au-DNGs-PS的吞噬量分别为:3.1pg/细胞、5.5pg/细胞和9.1pg/细胞。本实验充分证明了RGD具有良好的靶向性能。另外,相比于纳米颗粒组G3@Au-Gd-PS,非靶向纳米凝胶组Gd@Au-DNGs-PS的细胞内吞性能更佳,从而体现了相同成分的纳米凝胶比纳米颗粒具有更好的细胞内吞。
实施例9
利用3D细胞球来模拟实体瘤探究RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS在肿瘤中的的渗透情况。首先用无菌水清洗Microtissue模板(购自Sigma-Aldrich),对模板进行杀菌消毒;称取1g琼脂糖粉,使用高压灭菌锅对其进行高温高压灭菌,在生物安全柜中加入50mL无菌生理盐水,加热使琼脂糖完全溶解;待琼脂糖冷却到60-70℃后,用移液枪吸取550μL的琼脂糖溶液,缓缓打在模板上,如果产生气泡则用移液枪将气泡缓慢刮除;待琼脂糖在模板中冷却凝固后,缓慢将凝固的3D Petri Dish从模板上取出置于12孔板中;取2.5mL培养基加入到放有3D Petri Dish的12孔板中;浸泡15min,吸出培养基后再重复操作一次。吸除3D Petri Dish凹槽内部和周围的培养基,将190μL含有5×105个Panc-2细胞的细胞悬浮液缓慢滴在3D Petri Dish琼脂块的内部凹槽中。静置10min后,将2.5mL培养基缓慢加入各孔中,然后将12孔板置于37℃、5%CO2培养箱中培养3天,形成3D细胞球。
通过3D细胞球渗透实验探究RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS的肿瘤渗透性能。首先将3种材料(称取10mg冻干后的RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS材料,分别分散在5mL的去离子水中)分别与1mL含有2μg的Cy 5.5DMSO溶液搅拌24h,透析3天后得到荧光标记的RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS溶液。然后,利用常规步骤制备Panc-2 3D细胞球,将3D Petri Dish凹槽内部和周围的培养基倒掉,分别加入荧光标记的含有RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS的新鲜培养基,孵育8小时,用PBS清洗三次,用移液枪将细胞球吹打到Confocal皿中,通过激光共聚焦显微镜的Z-stack扫描Cy 5.5的荧光,进行纳米材料渗透检测和分析。如图8(a)所示,与纳米凝胶组相比,纳米颗粒组G3@Au-Gd-PS的荧光均相对较弱。例如,在75μm深度时,纳米颗粒组只能观察到微弱的荧光,而纳米凝胶组RGD-Gd@Au-DNGs-PS和Gd@Au-DNGs-PS可明显观察到Cy5.5的荧光。并且,纳米凝胶的靶向组RGD-Gd@Au-DNGs-PS在达到100μm深度时,仍可观察到Cy5.5的荧光。如图8(b)的定量分析与上述结果一致。实验结果证明和纳米颗粒组G3@Au-Gd-PS相比,纳米凝胶组更容易渗透进入3D细胞球,其原因可能是由于纳米凝胶的高流动性和高细胞内吞能力,从而进一步放大了EPR效应。和非靶向Gd@Au-DNGs-PS组相比,靶向组RGD-Gd@Au-DNGs-PS由于RGD引起的和癌细胞的特异性结合和内吞,进而产生主动靶向,因而其3D细胞球渗透性能最佳。
实施例10
在C57BL/6小黑鼠体内构建Panc-2皮下瘤模型,以评价RGD-Gd@Au-DNGs-PS(靶向组)、Gd@Au-DNGs-PS(非靶向组)和G3@Au-Gd-PS(纳米颗粒组)在小鼠肿瘤部位的CT和MR成像效果。将小鼠经腹腔注射戊巴比妥钠(40mg/kg)麻醉后,通过尾静脉注射RGD-Gd@Au-DNGs-PS(靶向组)、Gd@Au-DNGs-PS(非靶向组)和G3@Au-Gd-PS(纳米颗粒组)的PBS溶液([Au]=0.1M,100μL/只或[Gd]=0.01M,100μL/只)。在注射前和注射后30、60、90、120min时分别进行CT和MR成像扫描。如图9-10所示,靶向组RGD-Gd@Au-DNGs-PS、非靶向组Gd@Au-DNGs-PS以及G3@Au-Gd-PS纳米颗粒组均在肿瘤部位显示出了MR和CT信号的增强,RGD-Gd@Au-DNGs-PS和Gd@Au-DNGs-PS在90min时肿瘤部位的HU值和MR信噪比(SNR)达到峰值。而G3@Au-Gd-PS是在60min时瘤部位的HU值和MR信噪比(SNR)达到峰值。相比之下,靶向组RGD-Gd@Au-DNGs-PS比非靶向组Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS组具有更显著的CT/MR成像效果,而G3@Au-Gd-PS由于尺寸较小,可能在体内血液半衰期短,在肿瘤部位达到成像信号峰值的时间缩短。这也进一步证明了纳米凝胶组材料具有放大的EPR效应,因而具有最佳的成像效果。
实施例11
通过构建Panc-2C57BL/6小黑鼠肿瘤模型,以研究RGD-Gd@Au-DNGs-PS在体内不同组织器官的分布代谢情况。将RGD-Gd@Au-DNGs-PS配置成一定浓度的PBS溶液([Au]=0.1M),经尾静脉注射到小鼠体内([Au]=0.1M,100μL/只),分别在注射前(0h)和注射后1、2、6、12、24h处死小鼠,取其主要器官和肿瘤并称重,然后切成小块并加入3mL王水消化1周,用ICP-OES测定各个组织样品中Au的含量。每个时间点平行做三只老鼠。结果如图11所示,在尾静脉注射各组材料6小时后,各器官(心、肝、脾、肺、肾)中的金元素含量逐渐降低,这些结果证明了所制备材料RGD-Gd@Au-DNGs-PS能够在小鼠体内正常代谢清除。
实施例12
通过H&E染色评价RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS在小鼠体内的生物安全性。选用5-6周龄的健康雌性C57BL/6小黑鼠,将其随机分为四组:PBS组、RGD-Gd@Au-DNGs-PS组、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS组。分别取1mL的PBS、RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS,经尾静脉注射到小鼠体内([Au]=0.1M,100μL/只)。饲养至30天时,将各组小鼠处死,提取心、肝、脾、肺、肾进行H&E染色检测。如图12的H&E染色结果所示,与PBS组相比,RGD-Gd@Au-DNGs-PS、Gd@Au-DNGs-PS和G3@Au-Gd-PS组小鼠的心、肝、脾、肺、肾均未观察到明显的形态改变或坏死等病理异常,进一步佐证了靶向组RGD-Gd@Au-DNGs-PS、非靶向组Gd@Au-DNGs-PS以及纳米颗粒材料均具有良好的生物安全性。

Claims (10)

1.一种金钆掺杂树状大分子纳米凝胶,其特征在于,树状大分子纳米凝胶内部包裹金纳米颗粒,表面修饰1,3-丙烷磺酸内酯1,3-PS和RGD,并且螯合Gd离子。
2.根据权利要求1所述的金钆掺杂树状大分子纳米凝胶,其特征在于,所述树状大分子纳米凝胶是将第三代聚酰胺-胺PAMAM树状大分子G3.NH2在交联剂作用下通过反相微乳液法制备得到,其中交联剂为N,N'-双(丙稀酰)胱胺BAC。
3.一种如权利要求1所述的金钆掺杂树状大分子纳米凝胶的制备方法,包括:
(1)将第三代PAMAM树状大分子G3.NH2和交联剂溶解于水中,混合搅拌,形成水相,将表面活性剂Span 80和乳化剂Tween 80加入到有机溶剂中,搅拌,形成油相,将水相逐滴加入到油相中,得到W/O聚合物乳液,经超声破碎后,滴加三乙胺后搅拌,离心,取得到的下层凝胶用溶剂分散并透析,得到树状大分子纳米凝胶G3-DNGs溶液;
(2)将步骤(1)中G3-DNGs溶液置于冰浴中,边搅拌边加入氯金酸HAuCl4·4H2O溶液,搅拌,加入含硼氢化钠NaBH4的冰水溶液,继续反应,得到包裹金纳米颗粒的树状大分子纳米凝胶,即Au-DNGs溶液;
(3)将螯合剂二亚乙基三胺五乙酸二酐DTPA和硝酸钆分别溶解在超纯水中,搅拌混合,得到DTPA-Gd复合物溶液;然后加入到步骤(2)所得的Au-DNGs溶液中,反应,得到Gd@Au-DNGs水溶液;
(4)将COOH-PEG-RGD溶于溶剂中,加入EDC和NHS活化,得到活化的COOH-PEG-RGD溶液,然后逐滴滴加到步骤(3)所得的Gd@Au-DNGs水溶液中,搅拌反应,透析,得到RGD-Gd@Au-DNGs溶液;
(5)将1,3-PS溶解于去离子,然后加入到步骤(4)所得的RGD-Gd@Au-DNGs中,搅拌,得到RGD和两性离子修饰的金钆掺杂树状大分子纳米凝胶RGD-Gd@Au-DNGs-PS。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中G3.NH2和交联剂的摩尔比为20:1-3;表面活性剂和乳化剂的质量比为3:1-8:1;油相中有机溶剂与水相中水的体积比为10-14:1;水相水和三乙胺的体积比为1:0.5-1。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中交联剂为N,N'-双(丙烯酰)胱胺BAC;有机溶剂为正己烷;溶剂为丙酮;混合搅拌时间为10-15h;超声破碎时间为5-10min。
6.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中G3-DNGs溶液中的树状大分子和HAuCl4·4H2O的摩尔比为1:12-15;NaBH4与HAuCl4·4H2O摩尔比为3-4:1;搅拌时间为15-30min;继续反应时间为3-4h。
7.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中DTPA和硝酸钆的摩尔比为2-2.25:1;Au-DNGs中G3和DTPA-Gd中Gd的摩尔比为1:30-50;搅拌混合时间为12-15h;反应时间为12-15h。
8.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中EDC、NHS和COOH-PEG-RGD的摩尔比为10-12:10-12:1;Gd@Au-DNGs中G3与活化的COOH-PEG-RGD的摩尔比为1-2:1;溶剂为DMSO;搅拌反应温度为室温,搅拌反应时间为3-4天。
9.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(5)中RGD-Gd@Au-DNGs中树状大分子和1,3-PS的摩尔比为1:60-70;搅拌时间为12-15h。
10.一种如权利要求1所述的金钆掺杂树状大分子纳米凝胶在制备靶向肿瘤CT/MR成像试剂中的应用。
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CN115887703B (zh) 2024-09-20

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