基于氧化石墨烯载药的光热—双光子光动力疗法抗癌初探

发布时间：2018-03-20 04:23

本文选题：氧化石墨烯　切入点：双光子光动力疗法　出处：《西南大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：癌症是严重威胁人类健康的重大疾病之一,也是现代医学所面临的难题之一。目前临床上治疗癌症的传统方法包括外科治疗、放射治疗、内科治疗等。而光动力疗法(photodynamic therapy,PDT)作为一种无创疗法也越来越多地被应用于癌症的治疗,它通过一定波长的光源激发分布在癌细胞中的光敏剂(photosensitizer,PS),将能量传递给周围的氧分子产生活性氧物种(reactive oxygen species,ROS),进而和肿瘤细胞内的大分子发生氧化反应,杀死癌细胞以达到治疗目的。与外科手术相比,光动力治疗是无创疗法,减轻了患者的痛苦。也不会产生化疗药物的耐药效应。但是,受光敏剂自身理化性质的限制——大多只能被600-700 nm波长的光源激发,这些较短波长的激发光穿透力较弱不足以达到深部肿瘤发挥作用,因此光动力疗法的临床应用目前局限于皮肤疾病或者浅表肿瘤;再者,大部分光敏剂难溶于水且易在体内聚集,影响其在体内的分布及单线态氧的产生,进而影响光动力疗法对癌症的治疗效果。目前,新兴的双光子光动力疗法则利用双光子吸收(two-photon absorption,2PA)化合物吸收长波长光源的能量,通过荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer,FRET)将能量传递给光敏剂然后产生单线态氧等活性氧物种。双光子光动力疗法从理论上来说克服了光动力疗法穿透力弱的缺点。氧化石墨烯(graphene oxide,GO)是石墨烯的衍生物,因为其独一无二的光学性质和热学性质成为了药物递送、疾病诊断、组织工程和基因转染等生物医药领域的研究热点。它的单片层二维结构拥有巨大的比表面积,易于通过π-π堆积作用装载芳香化合物,如具有共轭芳环结构的疏水光敏剂,提高其水溶性。并且GO的表面有很多羟基、羧基、环氧基等含氧基团,可以成为功能化修饰的位点,从而赋予其更大的应用空间。本文以聚乙二醇化的氧化石墨烯(GO-PEG)为药物递送载体,实现了对光敏剂焦脱镁叶绿酸a(pyropheophorbide-a,PPa)和吡啶类的2PA化合物BL4的共同装载(GO-PEG-PPa/BL4),且两者在癌细胞内释放后,在近红外激光(980 nm)激发下通过FRET作用能够产生PDT效应,同时在此波长激发下GO通过光热转化发挥光热治疗的作用。本研究在4T1小鼠乳腺癌细胞及小鼠皮下乳腺癌模型上,从体外体内两方面评价了GO-PEG-PPa/BL4对肿瘤的光热-双光子光动力疗法联合应用的有效性。本论文主要从以下三个部分开展了相关的研究工作。第一部分,构建了基于氧化石墨烯的药物传递系统。首先将GO表面的部分羧基共价键合了PEG得到GO-PEG,并通过原子力显微镜、紫外可见分光光度法、红外分光光度法和表面电位等方式对GO-PEG进行了表征。接着利用π-π堆积作用、疏水效应等非共价作用,制备了载有PPa和BL4的复合物GO-PEG-PPa/BL4,通过紫外可见分光光度法、荧光分光光度法等对PPa和BL4包封率分别进行了测定。并且利用试剂9,10-蒽二丙酸的二钠盐(anthracene-9,10-dipropionic acid disodium salt,ADPA)检测了装载前后PPa在体外溶液中单线态氧的产生情况。然后考察了GO-PEG-PPa/BL4在不同pH缓冲液中的体外释放行为和GO样品在近红外激光(980 nm)照射下溶液的升温行为。结果表明,载体GO-PEG对PPa和BL4实现了共同装载,PPa和BL4的包封率分别是36%和30%。溶液中游离的PPa和BL4可以产生单线态氧,而被GO装载后在未释放时无明显的单线态氧产生。PPa和BL4可以同时被释放且pH对二者的释放无明显影响。氧化石墨烯在近红外激光的照射下,能够吸收光能并将其转换成热能,即具有一定的光热转换能力。第二部分,研究了该载药系统的体外抗癌活性。在4T1小鼠乳腺癌细胞上考察了GO-PEG-PPa/BL4对细胞的光/暗毒性,在细胞上进行了光照强度与光照时间的筛选,并用优化条件进行了细胞的光毒性实验,接着评价了细胞水平光热-双光子光动力疗法的效果,并且通过流式细胞术测定了光热-双光子光动力疗法过程中的癌细胞凋亡率,最后考察了细胞对GO-PEG-PPa/BL4的摄取情况。结果发现GO、GO-PEG和BL4对细胞均无明显暗毒性,而通过GO-PEG装载后,光敏剂PPa暗毒性降低。GO-PEG-PPa/BL4能够在细胞上实现光热-双光子光动力疗法的联合作用,GO-PEG-PPa/BL4能够被细胞摄取且具有一定的时间依赖性。第三部分,建立了小鼠皮下乳腺癌模型并对载药系统的有效性进行了考察。首先通过对Balb/c小鼠皮下注射4T1细胞建立了小鼠的皮下乳腺癌模型,在此动物模型上考察了载体GO-PEG在体内的分布情况,然后对肿瘤小鼠进行了光热-双光子光动力疗法的有效性考察,并对小鼠的心、肝、脾、肺、肾等主要器官进行了组织病理学观察,此外,对小鼠肿瘤组织切片进行了病理学和原位末端转移酶标记(TdT-mediated dUTP nick end labeling,TUNEL)染色。结果显示,随着给药时间的延长,载药系统逐渐在肿瘤部位蓄积,GO-PEG-PPa/BL4给药光照组可以有效地抑制小鼠肿瘤的生长,其次是GO-PEG给药光照组。试验组与对照组对小鼠的主要器官均未造成明显的损伤,表明了基于氧化石墨烯的光热-双光子光动力疗法具有良好的生物相容性。TUNEL染色结果也显示出GO-PEG-PPa/BL4给药光照组的效果最为显著,进一步表明了光热-双光子光动力疗法在小鼠上具有明显的抑制肿瘤生长的作用。综上所述,本研究通过体外体内的一系列实验,初步验证了GO-PEG-PPa/BL4载药系统具有良好的光热-双光子光动力联合应用效果和一定的安全性,有望在未来成为治疗癌症的一种新手段。
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【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O613.71;R943

【参考文献】