硅基纳米颗粒的降解特性与肿瘤特异性治疗

发布时间：2020-07-22 05:51

【摘要】：在生物医学和纳米材料迅速发展的时代大背景下,纳米生物技术也得到了长足的发展,多种多样的纳米材料和肿瘤治疗模式被开发出来。其中硅基和碳基纳米材料是最突出的无机纳米材料的代表。硅基纳米材料具有良好的生物安全性,且形貌、尺寸、比表面积、孔径和功能化都比较容易调控,广泛应用在药物输运、生物传感、组织工程和生物成像等领域。然而,硅基纳米材料的生物安全性的研究还很不充分,尤其是对其生物降解性的研究,无机纳米材料的临床推广也很大程度上受限于尚不明确的体内降解性能和代谢研究。与有机材料的快速降解和代谢不同,硅基纳米材料一般在组织中滞留几小时到几周不等,带来潜在的生物安全性威胁,因而研究和调控硅基纳米材料的降解性是一项非常有意义的工作。在调控硅基纳米材料降解性的同时可以一举双得地赋予纳米体系新的性能和生物医学应用。随着对肿瘤微环境的生物研究逐步深入,科学家们发现肿瘤微环境在肿瘤的发生、耐药、耐辐射、转移和复发等过程中都有重要的作用。其独特的生理环境特性同时也可以作为纳米生物医药的作用靶点,一方面提高对肿瘤组织的特异性和选择性,另一方面也起到调控肿瘤微环境的作用。本论文主要从介孔SiO_2本身降解性研究、表面活性剂直接作为抗癌药物、Fe~(III)掺杂的介孔SiO_2降解性和药物输运、Fe~(II)掺杂的介孔SiO_2肿瘤特异性催化治疗、谷胱甘肽响应降解的药物原位包裹四个方面展开研究。1.介孔SiO_2纳米颗粒(MSNs)降解性和CTAC@MSNs纳米抗癌药物的研究介孔SiO_2纳米颗粒(MSNs)作为无机纳米材料中应用最为广泛的材料体系之一,其本身的降解性的研究具有重要的生物安全性意义,但是针对这方面的研究却很少。这个工作中,我们采用不同时间点合成MSNs并对比其降解行为,证明了MSNs骨架结构越规整,降解性越慢。在不同pH的模拟体液中,MSNs表现出随酸性增强降解变慢的趋势。从降解的化学过程来看,MSNs的降解极大地依赖于表面硅羟基含量。之后为了避免传统药物输运体系复杂的表面活性剂萃取、表面改性、药物装载的过程,我们评价了孔道含有表面活性剂CTAC的MSNs(CTAC@MSNs)的抗癌效果。CTAC@MSNs自身由于缺乏靶向和较快的CTAC释放而表现出较高的体内毒性和较低的治疗效果,我们对其表面用RGD和TAT多肽进行肿瘤细胞膜细胞核连续靶向修饰(CTAC@MSNs-RGD/TAT),使其在体内特异性地富集到过表达整合素的肿瘤区域。结果发现CTAC@MSNs-RGD/TAT在正常组织中的吞噬和潜在危害减少,且尾静脉注射的半数致死剂量高达2g/kg。CTAC@MSNs-RGD/TAT在HeLa和A549两种肿瘤模型中表现出较好的肿瘤抑制效果。2.Fe~Ⅲ掺杂HMSNs的药物输运系统及其响应性降解与药物释放我们构建了一种空心的铁掺杂的具有络合降解特性的MSN基材料,并且评价了其生物降解以及药物装载和释放性能。首先通过水热溶解再掺杂的方法成功在空心MSN(HMSNs)的骨架结构中引入了高含量的Fe元素,形成一种Fe-HMSNs的结构。再通过PEG修饰改善其生物相容性,之后在空心结构中负载抗癌药物阿霉素(DOX)用于肿瘤治疗。这种纳米药物的特点在于:一方面,骨架结构中的Fe容易被蛋白络合降解出来从而破坏骨架结构的有序性,造成骨架结构较快的坍塌式降解,减小在体内的滞留;另一方面,Fe的络合降解使得Fe-HMSNs具有降解促进的药物释放行为,具有更高的临床应用价值。3.Fe~Ⅱ掺杂HMSNs实现络合响应降解的药物输运系统及其催化肿瘤治疗我们将以上得到的Fe-HMSNs中的Fe~(III)部分还原,得到Fe ~(II)掺杂的HMSNs,记为rFeO_x-HMSNs。rFeO_x-HMSNs作为一种高效的无机纳米酶,可以模仿过氧化物酶,在肿瘤微酸性环境发生催化分解瘤内高表达的H_2O_2的芬顿反应,原位产生高毒性的·OH来杀死肿瘤细胞。rFeO_x-HMSNs的优点在于:(1)较高的生物安全性。它在pH中性的正常组织中不会发生作用,只有在酸性条件且H_2O_2存在的肿瘤微环境中才会催化产生羟基自由基。(2)高效的催化性能。体外催化性能检测中rFeO_x-HMSNs催化H_2O_2分解很好地符合Michaelis-Menten酶动力学方程。在TMB、ESR、DCFH-DA检测和细胞毒性试验中都显示出高效的自由基产生效率,且在裸鼠药效实验中也表现出高效的肿瘤抑制效果。相比于抗癌药物,无机纳米酶价格低廉,基本无毒副作用,生物安全性高,治疗效果明显,具有很好的应用前景。4.一步法原位合成包裹药物且对谷胱甘肽响应降解的有机硅由第一部分工作可知,MSNs降解速度慢主要归因于其规整的骨架结构,在骨架结构中创造更多的空位和缺陷则会大大促进MSNs的降解。本文第二和第三部分工作即为在骨架结构中掺入具有络合响应特性的Fe元素,破坏了氧化硅骨架的完整性,且Fe的优先络合析出导致了剩余骨架结构中大量的空位,因而降解速率大大提升。基于此,我们在介孔硅水解聚合形成纳米球的过程中将抗癌药物盐酸阿霉素(DOX)原位包裹进氧化硅骨架,并且引入了含有二硫键的有机硅基团,一次反应合成DOX@OSN。相较于传统的MSN合成之后先去除表面活性剂再装载药物的繁琐过程,首先该方法大大简化了合成方法,大幅降低制备成本;其次引入的二硫键有机硅可以使氧化硅纳米颗粒在肿瘤微环境实现谷胱甘肽响应性的降解,DOX@OSN在10 mM的谷胱甘肽的模拟体液中1天就可以显示出明显降解,相较于传统的SiO_2体外降解速率显著提升,再次药物装载和释放效率都很高,DOX原位装载效率高达52.8%,在DOX@OSN中的质量分数达到13.2%,使得纳米药物在低剂量的条件下达到较高抗肿瘤效果。此外采用廉价的大豆磷脂改性取代了昂贵的PEG,并且改性效果明显,在PBS中具有很好的分散性。最后我们将这种原位包裹药物的方法进行了推广,除DOX以外,我们还将疏水性的卟啉和亲水性的过氧化氢酶成功包裹进有机硅骨架,表明用这种方法可将一系列的药物原位装载进纳米颗粒。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ460.4;TB383.1
【图文】：

超大孔,小孔,SEM形貌,降解行为

而超大孔的硅纳米颗粒降解达到 90 %（图1.5）。类似地，随着粒径的增大，降解产物硅酸扩散速率变慢，纳米颗粒与降解介质的接触也更少，因而降解速率会变慢。不同形貌的纳米体系的降解行为也不同。半球形的硅纳米颗粒先从外部壳层开始降解，之后扩散到内部。圆盘状的纳米粒子随降解进行而变得更薄。多孔的纳米针随着生理条件下的降解而逐渐溶解。此外，不同形貌的纳米粒子进入体内后主要分布的位置不同，这也会在很大程度上由于降解介质的不同而影响降解行为。图 1.5 小孔（SP）与超大孔（XLP）硅纳米颗粒降解的 SEM 形貌表征和 ICP-AES 对应的定量降解百分数。Fig 1.5 a) High-magnification SEM images of small pore (SP) and extra-large pore (XLP) pSiparticles at different points during degradation, scale bar 100 nm. b) Degradation rates of pSiparticles with various porosities determined by ICP-AES.

多孔硅,活体,体内分布,纳米颗粒

7图 1.7 （a）德克萨斯红染色标记的多孔硅纳米颗粒注射入体内后不同时间点的活体荧光成像。（b）ROS 导致多孔硅表面氧化和（c）肿瘤部位增强的荧光信号。Fig 1.7 a c) Representative measurements using the in vivo imaging technique on Texas-redlabeled pSi particles injected in mice (a), which leads to surface oxidation of pSi particles and (b)enhanced fluorescence of the dye at the tumor site (c).此外，体内分布研究也是体内安全性评价实验中常用的一种手段。然而体内分布的结果也只能部分提供纳米颗粒体内代谢的信息，一方面体内分布结果是给

示意图,输运,药物,机理

图 1.15 纳米载体输运药物到达肿瘤部位的不同机理示意图。圆圈代表纳米颗粒。纳米颗粒通过肿瘤部位血管渗透性增强和失效的淋巴引流而穿过血管到达肿瘤组织，实现被动靶向。纳米颗粒表面连接功能化基团可以增强肿瘤细胞特异性的识别和结合，进而实现主动靶向。纳米颗粒可以在靠近靶向细胞时释放负载物，或者作为细胞外缓释药物库，或者内化进入细胞内部。Fig 1.15 Schematic representation of different mechanisms by which nanocarriers can deliverdrugs to tumours. Polymeric nanoparticles are shown as representative nanocarriers (circles).Passive tissue targeting is achieved by extravasation of nanoparticles through increasedpermeability of the tumour vasculature and ineffective lymphatic drainage (EPR effect). Activecellular targeting (inset) can be achieved by functionalizing the surface of nanoparticles withligands that promote cell-specific recognition and binding. The nanoparticles can (i) release theircontents in close proximity to the target cells; (ii) attach to the membrane of the cell and act as anextracellular sustained-release drug depot; or (iii) internalize into the cell.1.3.2 肿瘤栓塞疗法

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