高荧光碳量子点负载光敏剂的合成及其性能研究

发布时间：2020-04-06 13:12

【摘要】：课题研究背景:随着中国人口的增加以及老龄化问题的加重,恶性肿瘤已经是导致我国国民死亡的主要疾病之一,探索全新技术提高癌症早期诊断、实时监测、有效治疗是亟待解决的重大问题。光动力治疗是肿瘤治疗中的一种新兴的方法,它具有高选择性、低副作用、不损伤周围正常组织细胞,且侵蚀性小不易产生耐药性。但是在应用过程中,光动力治疗存在部分缺陷:(1)光敏剂水溶性差,在水中易团聚而导致荧光猝灭;(2)外部激发光源组织穿透深度有限,无法在深层肿瘤治疗中应用。碳量子点是一族零维的碳纳米材料或者纳米颗粒,具有优异的荧光性能,同时水溶性好,表面易功能化修饰,而且生物相容性好,细胞毒性低,是优良的纳米药物载体,结合自荧光系统作为激发光源,构建自荧光诱导的复合光敏剂体系,有望在改善光敏剂自身缺陷的同时,为深层肿瘤的治疗提供新的研究思路。课题研究目的:利用高荧光碳量子点负载光敏剂,构建复合光敏剂FRET体系,来改善光敏剂的水溶性问题,同时利用FRET作用提升光敏剂的荧光性能;另外,采用内部荧光激发复合光敏剂体系,来解决光源穿透深度有限,光敏剂在生物体内无法有效激发等问题;从而研制出新型的具有低毒性、高荧光量子产率、水溶性优良,体内激发,可用于深层肿瘤治疗的复合光敏剂体系,同时显著提高光动力治疗的效果。课题研究方法:(1)以无水柠檬酸作为碳源,乙二胺作为表面钝化剂,200 ~oC一步水热法制备碳量子点。通过改变反应温度和反应物剂量,制备出不同反应条件下的碳量子点样品,通过荧光光谱,紫外吸收光谱和红外光谱等表征手段对碳量子点样品的性能加以评价,总结出荧光碳量子点的形成规律和荧光机理,确定荧光性能最佳的反应条件;(2)利用EDC/NHS反应,将碳量子点与光敏剂Ce6共价结合,通过Mg/N双杂化进一步提升碳量子点的荧光强度;同时,利用缩减供受体距离;增加光敏剂受体数量三种途径来提高FRET效率。利用660 nm激光诱导复合光敏剂体系,探索复合体系产生单线态氧能力以及体外肿瘤细胞HepG2的抑制效果;(3)以萤火虫荧光素酶诱导的生物荧光作为内部光源,构建碳量子点负载光敏剂原卟啉的复合光敏剂体系,通过红外,紫外,荧光光谱等手段检测复合光敏剂体系的性能;同时,利用碳量子点的荧光上转化作用实现生物荧光激发复合光敏剂体系。最后,对整个体系的单线态氧产率,细胞内活性氧产率,肿瘤细胞抑癌效率等性能加以评价;(4)以1,2,4-三氨基苯二盐酸盐作为碳源,甲酰胺作为溶剂,120 ~oC鼓风干燥箱加热12 h制备黄色荧光碳量子点。利用鲁米诺化学发光来激发碳量子点构建的复合光敏剂体系,通过CRET和CRET-to-FRET双重途径,实现在化学发光强度对细胞无毒性的前提下,完成光敏剂在生物体内的高效激发过程。实验结果:(1)无水柠檬酸与乙二胺水热法制备的碳量子点,具有优异的水溶性和荧光性能,且细胞毒性低,非常适宜作为纳米药物载体。最佳的反应条件为:无水柠檬酸2.1 g,乙二胺2.68 ml,反应温度为200 ~oC,制备的碳量子点荧光量子产率高达79.7%。碳量子点的荧光性能是由碳核和表面状态共同决定的,碳量子点是类似核-壳的纳米结构,其形成过程主要包括裂解、聚合、碳化以及碳核的生长等步骤。(2)利用Mg(OH)_2作为金属添加剂,可进一步提升碳量子点的荧光性能;碳量子点可共价结合光敏剂,制备复合光敏剂体系;通过红外光谱,紫外光谱,荧光光谱分析证明,复合光敏剂已成功制备,且水溶性良好,碳量子点通过FRET作用,使得光敏剂的荧光性能提升了9倍。同时,通过缩短供受体距离,增加受体数量等途径,将FRET效率提升至84%,单线态氧产率提升1倍,肿瘤细胞HepG2抑制效果显著提升。(3)利用生物荧光诱导碳量子点构建的复合光敏剂体系,碳量子点在复合体系中有三大作用:作为光敏剂的载体,提高其水溶性和荧光性能;作为能量供体,通过FRET作用将能量传递给光敏剂,进一步提升光敏剂荧光性能;调谐生物荧光的发射光谱与光敏剂的吸收光谱,使得光敏剂可以被生物荧光所激发。实验表明,萤火虫荧光素酶产生的生物荧光通过碳量子点的荧光上转化作用,可激发复合光敏剂体系产生单线态氧,而且在SMMC-7721肿瘤细胞内,在无外部光源照射下,检测到活性氧的产生。生物荧光对细胞有较弱的致死作用,但是生物荧光诱导的复合光敏剂体系癌细胞抑制率达60%。(4)利用1,2,4-三氨基苯二盐酸盐与甲酰胺,溶剂热法制备出黄色荧光,水溶性良好的碳量子点,激发光谱范围在400-550 nm之间,可以被鲁米诺产生的化学荧光所激发。通过对碳量子点,内部激发光源和光敏剂的精心挑选和有机结合,我们成功构建了一个高效的光动力治疗体系。碳量子点在复合体系中共有两大作用:分别为改善光敏剂的自身缺陷问题,以及调谐化学荧光间接激发光敏剂,并通过FRET作用增强光敏剂的荧光性能。结果表明,光敏剂的Soret band(400 nm)和Q-band(663 nm)通过CRET和CRET-to-FRET过程,可被化学荧光持续激发,且单线态氧产率和细胞内活性氧产率要远远高于化学荧光激发的单一光敏剂体系。且单纯的化学荧光和复合光敏剂对SMMC-7721肝癌细胞并没有致死作用,但是当化学荧光诱导复合光敏剂体系时,就可以实现光动力治疗过程。在细胞内可产生大量的活性氧,SMMC-7721肝瘤细胞抑制率达到92%。实验结论:(1)碳量子点水溶性好,荧光量子产率高,合成过程简单,生物相容性极好,是优良的光敏剂载体;(2)利用碳量子点负载光敏剂,可显著改善光敏剂的水溶性,并通过FRET作用增强光敏剂的荧光性能;通过提高FRET效率可显著提高光动力治疗效果;(3)生物和化学自发光都可以作为内部光源,诱导复合光敏剂产生活性氧,完成光动力治疗过程,利用自荧光激发复合光敏剂体系,有望从根本上解决光源在组织穿透深度有限的问题。
【图文】：

光动力治疗,基本过程

实现光热转化，达到肿瘤治疗的目的。2.3 光动力治疗光动力治疗（photodynamic therapy，PDT）是通过光动力学反应选择性破坏病变组织的一项全新技术，目前在肿瘤治疗领域应用广泛。光动力治疗的核心物质就是光敏剂（Photosensitizer，PS），PS 吸收光能发生能级跃迁，从基态变为不稳定的激发态，在回到低能级的过程中会将这部分能量释放到周围的空气中，氧气可以吸收这部分能量变为活性氧（主要以单线态氧形式存在）特异性的富集在病灶处，通过氧化作用将肿瘤细胞氧化致死，实现肿瘤的治疗（如图 1-1）。光动力治疗在肿瘤治疗中具有诸多的优势：（1）具有选择性，光敏剂可以特异性的识别病变组织，不可逆的破坏肿瘤细胞同时并不损伤正常细胞；（2）具有普适性，光动力治疗过程属于光物理反应，因而理论上可以对所有的肿瘤细胞都有治疗效果；（3）可重复使用，光动力治疗不会产生创面，不会使细胞产生耐药性；（4）治疗的过程中可以协同其他治疗方式，来提高治疗的效果。

紫杉醇,碳纳米管,体系,纳米材料

粒子复合改性加以改善[15]；关于光源穿透深度不足的问题，许激发[16]或者荧光上转化纳米颗粒[17]等方式，而在双光子激发中双子吸收截面很大，可以更加高效的利用光源；关于内部氧气采用其他基团来代替氧自由基，而这一过程也会需要纳米材料米材料在肿瘤治疗中的已经有了多方面的应用，而碳纳米材料纳米材料中的一员，由于碳元素是生物体的重要组成元素之一命体通常有良好的生物相容性，，此外碳原子具有多种电子轨道不同碳原子之间有多种结合方式，因而可以形成多种结构和性碳材料，例如碳纳米管、石墨烯量子点、纳米金刚石、碳量子点在纳米肿瘤医学发展中掀起了一个研究热潮。与纳米肿瘤医学
【学位授予单位】：军事科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R73-36;TQ421.7

【参考文献】