线粒体靶向四氧化三铁纳米颗粒的制备及其体外磁热疗效评估

发布时间：2020-08-31 12:01

　　 随着纳米技术在生物医学领域的不断发展,纳米材料的开发以及其生物医学应用受到广泛关注。四氧化三铁纳米颗粒具备良好的生物相容性和独特的磁学性质,在生物医学领域具有广泛的应用,如用作磁共振成像造影剂,磁热疗剂等。然而,当前生物医用磁性氧化铁纳米颗粒存在的低效磁热疗导致以其开发的纳米热疗剂在恶性肿瘤的治疗中不能满足临床需求。本论文设计制备了线粒体靶向的四氧化三铁纳米颗粒,在尺寸可控合成、表面修饰优化以及磁热疗应用方面等展开了研究,为构建高效磁热疗剂提供理论和方法基础。本论文的主要研究内容分为以下几个部分:(1)利用高温有机热分解法合成了单分散的超顺磁性四氧化三铁纳米颗粒,并通过配体交换的策略对纳米颗粒进行表面改性,实现油相四氧化三铁纳米颗粒到水相四氧化三铁纳米颗粒的转换。TEM结果表明合成的颗粒尺寸约为7 nm。XRD结果显示合成的Fe_3O_4纳米颗粒具有良好的结晶性。DLS结果表明水相四氧化三铁纳米颗粒的水动力学直径约为12 nm。VSM结果表明油相四氧化三铁的饱和磁化强度值约为58 emu/g,并且呈现超顺磁性。(2)设计制备了线粒体靶向的四氧化三铁纳米颗粒用于高效肿瘤磁热疗。并且利用FTIR和XPS对线粒体靶向四氧化三铁纳米颗粒的表面修饰进行表征。FTIR结果表明线粒体靶向的四氧化三铁纳米颗粒样品中具有酰胺键(1637和1560 cm~(-1))以及三苯基膦的特征吸收峰。XPS结构表明其样品中含有Fe、O、C、N和P元素,说明三苯基膦与四氧化三铁的结合。磁热升温曲线结果表明:浓度为0.34 mg Fe/mL的颗粒在磁场下作用10 min(300 KHz,30A)温度上升了约13℃,说明线粒体靶向的四氧化三铁纳米颗粒具有良好的磁热转换效率。(3)针对纳米颗粒在生物应用中的潜在毒性问题,本研究探索了线粒体靶向四氧化三铁纳米颗粒的细胞毒性。实验结果表明,在颗粒浓度为100μg Fe/mL时,将其与肝癌细胞HepG2共培养24 h,细胞的存活率仍然能达到80%以上,说明其具有良好的生物相容性。进一步的研究了不同共培养时间对纳米颗粒吞噬量的影响。实验结果表明,随着共培养时间的增大,胞内颗粒的含量也会逐渐上升。在0-10 h的共培养过程中,细胞对Fe_3O_4的吸收量逐渐增大;在10 h之后吸收量缓慢上升并在24 h左右接近最大吸收。并且用生物电镜观察到线粒体靶向四氧化三铁纳米颗粒在细胞中的定位,Bio-TEM结果表明其在线粒体中有大量分布,证实其具备线粒体靶向的功能,为后期体外磁热疗应用打下基础。(4)将线粒体靶向四氧化三铁纳米颗粒应用于磁热研究,并用CCK-8试剂检测细胞的活性,结果表明在磁场作用下线粒体靶向的四氧化三铁纳米颗粒(100μg/mL)能显著杀死癌细胞,在磁场下作用十分钟后细胞存活率降到25%左右。因此,线粒体靶向的四氧化三铁纳米颗粒可以作为高效磁热疗剂应用于肿瘤治疗,并且该策略可为高效磁热疗剂的开发提供新的思路。(5)通过采用一种简单的悬滴方式培养了毫米级肝癌类器官,在悬滴中混合培养3T3细胞和HepG2细胞能形成一种分层结构的三维组织。3T3细胞分布在三维组织外圈,形成一个致密的外壳。这种三维组织能更真实的模拟体内实体肿瘤,并探究了其对四氧化三铁纳米颗粒的吞噬量以及用四氧化三铁纳米颗粒对其进行磁热处理。结果表明,与单层HepG2细胞的吞噬结果相比,四氧化三铁纳米颗粒在肝癌类器官中的内吞量有所减少;并且对比磁热治疗效果,磁热致死率也有所降低。因此,类器官可以模拟肿瘤结构用于磁热疗等生物应用。
【学位单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.1;O614.811;R454
【部分图文】：

他们先通过改变材料的尺寸和组分发现：对于 Fe3O4颗粒，当颗粒尺寸从 9、12 到 15n增大时，其 SLP 值分别变化为 152、349 和 333W/g。同样的对于 MnFe2O4颗粒，在 15时具有最大 SLP 值 411 W/g；对于 CoFe2O4颗粒，在 9nm 时具有最大 SLP 值 443 W通过调节磁性颗粒的尺寸和组分均没有一个大幅度的 SLP 值提高，说明尺寸和组分应已经难以进一步提高 SLP 值。因此设计了一种核-壳结构的纳米颗粒，用硬磁性材作为核（CoFe2O4），软磁性材料为壳（MnFe2O4），通过界面软硬核的交换耦合，实现幅度提高 SLP 值。另外，新型的涡旋磁结构的磁性纳米环也被用作肿瘤磁热疗的高效热疗剂。Fan 课题组报道了一种涡旋磁氧化铁纳米环溶胶作为肿瘤磁热疗介质[28]，如（1-1）所示。Fe3O4纳米环具有独特磁畴结构-磁化闭合分布，并且剩磁和矫顽力都非低，因此可以降低偶极-偶极相互作用并形成稳定磁溶胶。Fe3O4纳米环兼具了超顺磁化铁纳米颗粒的优点，除此之外，相比于超顺磁氧化铁纳米颗粒还具有更高的饱和磁强度值和更大的磁滞回线面积。将其应用于小鼠肿瘤磁热疗中，发现肿瘤完全消除并复发，说明其在生物医学应用展示了良好的应用前景。

西北大学硕士学位论文1.3 超顺磁 Fe3O4纳米颗粒概述1.3.1 超顺磁 Fe3O4纳米颗粒磁学特性体相四氧化三铁是铁磁性材料。当四氧化三铁颗粒的尺寸不断减小到某一临界尺时，其本身的磁晶各向异性能(KV)与环境热扰动(KT)接近，导致其磁距方向随机转动我 们 把 具 有 这 种 特 性 的 纳 米 尺 寸 氧 化 铁 颗 粒 称 为 超 顺 磁 氧 化 铁 纳 米 颗（superparamagneticironoxidenanoparticles，SPIONs）。超顺磁氧化铁纳米颗粒其磁化线没有磁滞现象[29]。如图 1-2 表明，SPIONs 的磁滞回线通常是“S”形，且磁滞回线合的面积趋于零。

绪论思想与研究内容题从开发高效磁热疗角度出发，以四氧化三铁纳米颗粒为磁热疗剂，表面修分子赋予其线粒体靶向功能。在与细胞共培养后，纳米颗粒进入细胞并达到，在外加交变磁场作用下纳米颗粒感应产热并实现对肿瘤细胞的杀伤。并以类器官模拟体内肿瘤，研究了肝癌类器官的结构组成、对纳米颗粒的内吞以对肝癌类器官的磁热疗效果。从以下四个方面开展研究，实验技术路线图如下（图 1-5）：

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本文编号：2808769