近红外光控型智能纳米载药系统在肿瘤诊疗中的应用研究

摘要

小分子光敏剂吲哚菁绿以实现多模态成像引导下的光热及光动力学对癌症的联合治疗。本文分别构建了共同包载吲哚菁绿和相变材料（TD）的CuS@mSiO2(介孔二氧化硅包硫化铜核壳结构)纳米颗粒与吲哚菁绿包载的BSA-钆离子络合物修饰的空心金纳米颗粒两种智能纳米载药系统。并深入探究了两种载体系统的形态结构、粒径大小、电势、药物包载与控释、体内外多模态成像、光热与光动力学对肿瘤的联合治疗效果、生物安全性评价等。通过高效智能的药物控释和精准可视化的光热与光动力学联合治疗，为提高药物的生物利用度和肿瘤的彻底治疗提供了新策略和新方法。 一、构建共同包载吲哚菁绿和相变材料TD的CuS@mSiO2(介孔二氧化硅包硫化铜核壳结构)，并验证其荧光和PA双模态成像指导的光热与光动力学对癌症的联合治疗。 硫化铜作为新兴的纳米材料因其具有较强的近红外吸收和较高的光热转化效率而被广泛关注。但最近不少报道指出,高浓度的硫化铜纳米粒子生物相容性差,且硫化铜表面较难修饰，因此载药能力低。目前的研究通常引入超分子,生物大分子及多孔材料等来修饰或包载硫化铜。其中,介孔二氧化硅以其较高的比表面积、有序的多孔结构，可调控的孔径,易修饰，以及良好的生物相容性和生物可降解性等特征被广泛用于药物传递系统。基于介孔硅以上特点,现在很多研究在硫化铜表面包载介孔硅材料形成核壳结构，以解决硫化铜的生物相容性及载药能力等问题。吲哚菁绿是一类被美国食品和药品监督管理局认证批准过的医学诊断试剂，且越来越多的文献报道其具有光热及光动力学治疗的作用。此外，吲哚菁绿还具有荧光成像和光声成像的特点，可作为成像造影剂用于体内荧光和光声成像对肿瘤部位进行诊断治疗。近年来，介孔材料在药物传输过程中的“零泄露”问题已成为又一研究热点。其中，相变材料，作为一种温度响应型材料可被用作“门控”分子控制药物的释放，实现“零泄露”和药物控释以提高癌症治疗效果。因此，该工作中我们引入了一种温度敏感型相变材料-十四碳醇（Tetradeconol，TD）作为门控分子，以控制药物的释放，实现药物传输过程中的“零泄漏”，提高癌症治疗效果并降低其对正常组织的毒副作用。因此，在这部分的研究中，我们构建了共同包载吲哚菁绿和相变材料的CuS@mSiO2(介孔二氧化硅包硫化铜核壳结构)的纳米颗粒。由于TD的熔点是39℃，略高于体温，所以当载体在体循环时，TD处于固态，可有效阻止吲哚菁绿的提前“泄漏”。而当载体到达肿瘤部位，并给予近红光照射时，肿瘤部位的温度能迅速升高并超过TD相变温度，此时TD变为液态，失去门控作用。此外，该药物载体还具备荧光与光声双模态成像介导的光热与光动力学联合治疗作用，可有效增强肿瘤的治疗效果并降低毒副作。 首先，我们利用一锅法成功制备了介孔二氧化硅包载硫化铜的纳米粒子，由透射电镜和元素分析图可知该粒子具有完整的核壳结构且大小相对均一。其中,硫化铜分布在核中，直径大约为12nm，介孔硅壳均匀地分布在外周，壳层厚度约为35nm。动态光散射实验证明该纳米粒子的平均粒径在85nm，与透射电镜的结果一致。红外图谱实验证明了介孔硅中模板CTAB的成功被去除，且形成的介孔硅的孔径由氮气吸附-解吸附实验测得约为4.6nm。然后，我们将吲哚菁绿和相变材料TD共同包载到该核壳结构中，并测得ICG的载药量与包封率分别为12.3%和65.3%。温度控制的ICG释放实验证实了相变材料TD状态可逆的特征及其门控分子的作用。在体外实验中，我们验证了最终载体的光热升温作用并利用单线态氧捕获剂检测了其光动力学作用，证实了该处方的光热与光动力学双重治疗作用。另外，细胞摄取、MTT和AM/PI双染实验证实了该处方可被肿瘤细胞成功摄取并产生杀伤作用。动物实验中，载体的荧光和光声双模态成像实验说明了该载体可通过被动靶向作用成功聚集到肿瘤部位，且给药24小时后，达到最大聚集量。最后，体内光热升温和抑瘤实验从活体水平，证实了该载体确实能通过光疗作用抑制肿瘤的生长而发挥对癌症治疗作用，且对系统的毒副作较小。 二、构建吲哚菁绿包载的BSA-钆离子络合物修饰的空心金纳米壳智能纳米载药系统，并探究其在荧光，PA，CT和MR四模态成像指导下对癌症的光热与光动力学联合治疗效果。 近年来，金纳米载体由于其等离子体共振光学性质，引起越来越多的研究者的关注。其中，空心金纳米壳由于其可调节的近红外吸收，易修饰，表面多孔和内部的空心结构而被广泛用于光热治疗和药物传递系统中。除此之外，它还具备CT成像和PA成像的特点。蛋白介导的生物矿质法以其温和的反应条件，“绿色”的制备过程及合成得到的纳米粒子良好的稳定性和生物相容性等特点引起了广泛兴趣。其中，牛血清（BSA）蛋白络合的钆离子复合物因具有良好的MR成像作用而被应用癌症诊断中，且能很好地弥补CT和PA成像的不足。在本部分的实验中，我们构建了BSA-钆离子络合物修饰的空心金纳米颗粒作为药物载体，并成功包载了吲哚菁绿。该药物传递系统同时具备荧光/PA/CT/MR四模态成像和光热与光动力学联合治疗作用，可实现对癌症的精准治疗。 首先，我们以介孔二氧化硅为模板制备了空心金纳米壳，由透射电镜，扫描电镜和元素分析可知，该空心金纳米粒子大小均一，粒径约为125nm。接着，我们在所得的空心金纳米壳外修饰了BSA-钆离子络合物，根据透射电镜结果可知，该络合物被均匀地连接在了空心金纳米壳外，且包载络合物后，载体的粒径从125nm增加到了150nm。圆二色谱和红外实验均表明最终载体中有BSA的存在，侧面证明了BSA-钆离子络合物被成功地修饰到空心金纳米壳外。接下来，我们将吲哚菁绿包载到了该纳米结构中，并测得ICG的载药量为36.5%。体外的PA/CT/MR成像，光热升温及单线态氧测定等实验证实了最终载体确实具备多模态成像的功能以及光热与光动力学双重治疗作用。另外，细胞摄取、MTT、AM/PI双染和细胞流式实验证明了该载体可被肿瘤细胞成功摄取，并发挥对肿瘤细胞的杀伤作用。动物实验中，载体的荧光/PA/CT/MR四模态成像实验说明了该载体可通过被动靶向作用成功聚集到肿瘤部位，且给药大约12小时后，达到最大聚集量。最后，动物体内的光热升温、ROS检测和抑瘤实验也表明该载体能通过光热与光动力学联合治疗作用抑制肿瘤的生长，且毒副作用较小。

目录

声明

Chapter 1 Introduction

1.1 Photothmal therapy

1.1.1Introduction of the photothermal therapy

1.1.2 Common photothermal agents

1.2 Photodynamic therapy

1.2.1 Introduction of photodynamic therapy

1.2.2 The mechanism of photodynamic therapy

1.2.3 The photosensitizers of photodynamic therapy

1.2.4 The functional nanomaterials of photodynamic therapy

1.3 Different model imaging technologies of cancer therapy

1.3.1Conventional single-modality imaging

1.3.2 Multi-modality imaging

1.4 Project design

Chapter 2 TD-controlled and ICG-loaded CuS@mSiO2 for fluorescence/PA dual-imaging guided synergistic PTT/PDT cancer therapy

2.1 Brief introduction

2.2Materials and methods

2.2.1Experimentalmaterials and equipments

2.2.2Preparation and characterization of CuS@mSiO2

2.2.3 Preparation and characterization of CuS@mSiO2-TD/ICG

2.2.4 Cell culture and cellular studies

2.2.5In vivo animal experiments

2.3 Results and discussion

2.3.1Preparation and characterization of CuS@mSiO2

2.3.2 Drug loadingand characterization of CuS@mSiO2-TD/ICG

2.3.3 Cellular studies

2.3.4In vivo animal studies

2.4Brief summary

Chapter 3 BSA-bioinspired gadolinium hybrid-functionalized hollow gold nanoshells for fluorescence/PA/CT/MR quad-modal imaging guided PTT/PDT cancer therapy

3.1 Brief introduction

3.2 Materials and methods

3.2.1Experimentalmaterials and equipments

3.2.2Preparation and characterization of Au@BSA-Gd

3.2.3ICG loading and characterization of ICG-Au@BSA-Gd

3.2.4 Cell culture and cellular studies

3.2.5In vivo animal experiments

3.3 Results and discussion

3.3.1Preparation and Characterization of HAuNs

3.3.2 Preparation and Characterization of Au@BSA-Gd

3.3.3 Preparation and Characterization of ICG-Au@BSA-Gd

3.3.4 Cell culture and cellular studies

3.3.5In vivo animal studies

3.4 Brief summary

Chapter 4 Conclusion and prospect

4.1 Conclusion

4.2 Prospect

参考文献

Notes on publications and participation in scientific research

致谢