中空囊泡状纳米药物的可控合成及其肿瘤可视化治疗的应用研究

发布时间：2020-03-20 07:10

【摘要】：恶性肿瘤是造成我国居民死亡的主要原因之一,早发现、早治疗是提高肿瘤治疗指数、延长患者生存期的关键。纳米技术的快速发展,为肿瘤的早期诊断和有效治疗提供了一种有效的手段。铁凋亡(Ferroptosis)作为一种新型铁依赖的、能够有效杀灭肿瘤细胞的细胞死亡通路,近年来受到了各国科研工作者的广泛关注。当铁基纳米材料被肿瘤细胞摄取后,可以在肿瘤细胞内释放铁离子,导致肿瘤细胞内铁离子浓度升高从而进一步提高细胞内芬顿反应(Fenton reaction)效率,进而提高细胞内活性氧(ROS,Reactive oxygen species)水平和细胞内的脂质氧化水平,最终导致细胞死亡。最新的研究发现,除了铁基纳米材料可以通过提高胞内铁离子浓度而引起铁凋亡之外,通过抑制细胞内谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)的活性,也能够增加细胞内脂质过氧化水平,最终引起细胞铁凋亡。这为设计构建其它非铁基纳米材料作为铁凋亡诱导剂的开发和应用提供了理论基础。本论文中,我们首先设计并合成了精氨酸修饰的硅酸锰纳米囊泡(AMSNs,arginine-rich manganese silicate nanobubbles),通过透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、能量色散X射线光谱仪(EDX)等手段对AMSNs的结构形态以及组成进行表征;通过紫外分光光度计(UV-vis)、红外光谱仪(FTIR)和热重分析仪(TGA)等对AMSNs表面的修饰进行表征;通过动态光散射分析仪和zeta电位分析仪对AMSNs的水力半径和表面电位进行检测。结果显示AMSNs为中空囊泡状,每个单独的纳米泡粒径在6± 1 nm左右,表面为Arg修饰。进一步通过TEM、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等方法对AMSNs的稳定性及其肿瘤微环境降解的特性进行考察。结果表明,AMSNs在正常生理环境条件下具有良好的稳定性,在较低的pH和较高浓度的谷胱甘肽(GSH)条件下,AMSNs可以发生降解,释放锰离子。在细胞水平对AMSNs的肿瘤细胞选择性摄取进行考察,结果显示相比于正常肝细胞L02,肝癌细胞Huh7对AMSNs具有更高的摄取效率。进一步对AMSNs的细胞摄取途径进行考察,结果表明,AMSNs主要通过内涵体/溶酶体途径被细胞内吞。通过磁共振成像扫描仪(MRI)考察AMSNs的体内外磁共振成像效果。结果显示,在体外低pH和高GSH的条件下,AMSNs的弛豫效率(r1)从0.1573 mM-1 s-1(pH 7.4,GSH 0 mM)升高到 4.5865 mM-1 s-1(pH 5.0,GSH 10 mM)。同时,体内实验结果显示,AMSNs具有良好的肿瘤磁共振造影效果,表明AMSNs可以作为良好的肿瘤微环境响应型T1增强磁共振造影剂。通过和实心的氧化锰纳米粒(MnO)进行对比,我们考察了 AMSNs囊泡状结构在消耗GSH方面的优势,并对AMSNs引起铁凋亡的机制进行考察。结果显示,AMSNs比MnO具有更高的GSH消耗效率,同时也展示出更强的细胞毒性。通过加入多种抑制剂对AMSNs引起细胞死亡的机制进行考察,结果显示,AMSNs主要通过铁凋亡的通路引起细胞死亡。AMSNs可以高效消耗细胞内的GSH,从而抑制GPX4的活性,使得细胞内脂质氧化水平增高,最终引起细胞铁凋亡。另外,AMSNs可以通过静电作用和配位作用负载小分子药物阿霉素(DOX)。在肿瘤微环境中,AMSNs的降解会加速DOX的释放,用于抗肿瘤治疗。体外实验表明非载药的AMSNs本身具有良好的抗肿瘤效果,而联合使用DOX,可以进一步抑制肿瘤细胞生长。体内研究结果表明,与空白对照PBS组及DOX小分子药物组相比,尾静脉注射AMSNs和AMSNs/DOX后,能显著抑制肿瘤的生长,肿瘤体积明显减小,同时AMSNs/DOX能够明显降低游离DOX的心脏和肝脏毒性。另外,体内生物安全性考察结果显示,AMSNs可以通过粪便和尿液排出体外,并不会在体内累积产生长期毒性,表明AMSNs具有良好的生物安全性。综上,本论文设计合成的AMSNs可以高效的消耗肿瘤细胞内的GSH,从而抑制GPX4的活性,升高细胞内脂质氧化水平,最终引起肿瘤细胞铁凋亡。AMSNs在肿瘤微环境中降解释放的锰离子可以提高肿瘤部位水分子的弛豫效率(r1),使其具有作为肿瘤的T1磁共振成像造影剂的潜力。同时,肿瘤微环境响应的药物可控性释放可用于肿瘤化疗,从而实现精准可控的可视化治疗效果。另外,通过GSH消耗引起铁凋亡的机制可以为未来设计开发更多的肿瘤可视化治疗药物提供新的理论基础、实验基础和设计思路。
【图文】：

分布情况,肿瘤发生,饼状图,病例

达８１０万人次。在新增癌症病人中，亚洲地区占全球的４８．４％，而死亡病例占比却逡逑高达５７．３％。另外，在新增和死亡病例中，中国的癌症病人数量几乎占到了整个亚逡逑洲总数的一半（图１．１）邋［１］。逡逑Ｂｏｔｈ邋ｓｅｘｅｓ逡逑Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ逦Ｍｏｒｔａｌｉｔｙ逡逑＂＇ａ％逦＾逦Ａｍｅｒｉｃａｓ逡逑Ｅｏｓｔｏｒｎ逦Ｍｉｄｄｌｅ邋Ｅａｓ！？ｍ逦１４邋４％逡逑ｆ逦一二逡逑—邋２１．０％邋▲逡逑Ｗｅｙｅ，ｎ邋１．４％逡逑１８．１邋ｍｉｌｌｉｏｎ逦９．６邋ｍｉｌｌｉｏｎ逡逑ｎｅｗ邋ｃａｓｅｓ逦ｄｅａｔｈｓ逡逑图１．１邋２０１８年世界各地男女肿瘤发生病例和死亡人数分布情况饼状图［１］。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｐｉｅ邋ｃｈａｒｔｓ邋ｐｒｅｓｅｎｔ邋ｔｈｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｃａｓｅｓ邋ａｎｄ邋ｄｅａｔｈｓ邋ｂｙ邋ｗｏｒｌｄ邋ａｒｅａ邋ｉｎ邋２０１８逡逑ｆｏｒ邋ｂｏｔｈ邋ｓｅｘｅｓ［ｌ］．逡逑２０１８年２月，国家癌症中心发布了我国最新的癌症统计数据［２］。数据显示，逡逑１逡逑

示意图,铁基,凋亡,肿瘤治疗

护细胞膜的结构及功能使其不受脂质过氧化物的干扰而损害。因此，当细胞内的逡逑ＧＳＨ被消耗以后，ＧＰＸ４的活性则会被抑制，细胞内脂质氧化水平会随之升高从逡逑而引起铁凋亡（图１．３）邋［４２４４］。目前基于这条新的铁凋亡通路，通过设计抑制ＧＰＸ４逡逑酶活性从而引起铁凋亡的策略得到了广大科研工作者的关注，主要包括一些小分逡逑子药物（如ｅｒａｓｔｉｎ，ｓｏｒａｆｅｎｉｂ，，邋ＲＳＬ３等）、基因转染技术以及基因敲除技术等［４２＇４５４７］。逡逑５逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R914;R96

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