酶响应/激光响应性介孔硅纳米药物控制释放系统的构建及生物学评价

摘要

随着纳米技术与生命科学、材料学、药学和临床医学等学科间的交叉融合，纳米生物医学得到了长足的发展。一些功能性纳米材料在疾病诊断、预警、药物递送等方面展示出巨大的应用前景。尤其在肿瘤治疗领域，通过对纳米材料进行表面修饰，赋予其肿瘤靶向的智能响应性药物控释，有效地递送化疗药物到达肿瘤病灶组织，在提高肿瘤治疗效果的同时，减轻化疗药物对正常细胞/组织的毒副作用。
　　介孔硅纳米颗粒因其具有比表面积和孔容积大、孔径尺寸可调、结构高度有序，表面富含活性羟基（-OH）基团等特点而受到广泛关注。目前已在生物成像与诊断、生物传感、生物催化和药物递送等方面被广泛研究。就肿瘤治疗药物递送系统而言，亟需解决如下问题：1.如何在介孔硅纳米颗粒表面构建刺激响应性药物控释开关，使其靶向递送到肿瘤病灶部位并实现智能按需释药；2.如何评价介孔硅纳米药物载体在动物肿瘤模型中的治疗效果及生物安全性，从而为其潜在的临床应用提供科学依据。
　　基于上述问题，本文以介孔硅和中空介孔硅纳米颗粒为基材，构建了具有金属基质蛋白酶刺激响应性介孔硅纳米药物控释系统和近红外激光刺激响应性中空介孔硅纳米药物控释系统。并对上述两种纳米药物控释系统进行了一系列材料表征、药物控释以及体内/外的生物学评价，为介孔硅和中空介孔硅纳米颗粒药物控释系统临床应用提供科学依据。主要研究内容如下：
　　①介孔硅和中空介孔硅纳米颗粒的合成与表征
　　以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模板，通过正硅酸四乙酯的水解合成MCM-41型介孔硅纳米颗粒（MSNs）。以实心SiO2和CTAB为原料合成了具有核/壳结构的SiO2@CTAB-SiO2纳米颗粒，并采用Na2CO3腐蚀法制备出中空介孔硅纳米颗粒(HMSNs)。透射电镜和扫描电镜检测发现，介孔硅纳米颗粒粒径均匀约100 nm、孔径规则并呈单分散状态；中空介孔硅纳米颗粒中空结构明显，粒径为160 nm左右，孔径规则且分散性良好。小角度XRD衍射检测显示，介孔硅和中空介孔硅纳米颗粒在2θ为2.2度左右都有一个衍生峰，说明两种纳米颗粒都具有典型的介孔结构。比表面积和孔隙度分析结果显示：介孔硅纳米颗粒的比表面积和孔隙容积为959.47 m2/g和0.962 cm3/g，而中空介孔硅则更高达1396.60 m2/g和1.32 cm3/g。
　　②金属基质蛋白酶响应性介孔硅纳米药物控释系统构建及生物学评价
　　在本章研究中，我们设计并构建了一种以牛血清白蛋白分子为纳米封堵塞，金属基质蛋白酶响应性多肽为联接纽带，乳糖酸为靶向分子，介孔硅为药物贮存器的响应性纳米药物控释系统（MSNs-Peptide-BSA-LA）。透射电镜、红外光谱分析、Zeta电位检测、荧光胺检测、比表面及孔隙度分析和热重分析的结果显示介孔硅纳米颗粒表面先后成功接枝氨基、多肽、牛血清白蛋白分子和乳糖酸分子，即MSNs-Peptide-BSA-LA控释系统制备成功。
　　药物释放实验表明：MSNs-Peptide-BSA-LA@DOX系统具有金属基质蛋白酶刺激响应性释药特性。细胞毒性和激光共聚焦表征结果显示：MSNs-Peptide-BSA-LA@DOX系统能有效抑制肝癌HepG2细胞的增殖。利用流式细胞仪、透射电镜和激光共聚焦表征HepG2细胞与控释系统纳米颗粒的互作情况。实验结果表明：MSNs-Peptide-BSA-LA控释系统对肝癌HepG2细胞具有很好的识别能力，能被肝癌细胞靶向吞噬，并存在于细胞胞质中，不会渗入细胞核内。最后，动物体内实验表明：MSNs-Peptide-BSA-LA@DOX系统能促使肿瘤细胞发生凋亡，从而有效地抑制裸鼠体内肿瘤生长；裸鼠体重变化和主要器官H&E染色结果表明，MSNs-Peptide-BSA-LA@DOX系统对正常器官的毒副作用很低。
　　③近红外激光响应性中空介孔硅纳米药物控释系统在光热疗联合化疗治疗肝癌中的应用
　　在本章中，我们设计并构建了一种基于中空介孔硅负载相变材料十四烷醇（PCM）并由近红外激光触发的光热疗联合化疗的药物控释系统。将阿霉素、吲哚菁绿和十四烷醇组成的共混物加载到中空介孔硅中，利用十四烷醇对阿霉素和吲哚菁绿的“固化”作用，实现递送过程中的“零释放”；并利用近红外激光对吲哚菁绿的光热效应，实现药物的有效控释和对肿瘤的联合治疗。透射电镜、热重分析和元素分析表明：DOX、ICG与十四烷醇的共混物已经成功加载到中空介孔硅内部，即HMSNs@DOX-ICG@PCM控释系统构建成功。
　　药物释放实验表明：HMSNs@DOX-ICG@PCM系统能在近红外激光的照射下释放阿霉素，并产生大量热能，具有实现光热疗联合化疗治疗肿瘤的潜能。细胞毒性和激光共聚焦表征显示：HMSNs@DOX-ICG@PCM系统能有效抑制 HepG2细胞的增殖。透射电镜观察 HepG2细胞对纳米颗粒的吞噬情况显示，HMSNs@ICG@PCM纳米颗粒能被HepG2细胞有效吞噬，并聚集在细胞质的内涵体中，不会进入细胞核。最后，动物体内实验表明：HMSNs@DOX-ICG@PCM的联合治疗可以更有效地抑制裸鼠体内肿瘤的生长，促使肿瘤织细胞发生凋亡，并能提升肿瘤裸鼠的长期存活率。裸鼠体重变化和主要器官H&E染色实验结果表明，单纯的阿霉素化疗能导致裸鼠体重下降和心脏毒性；而HMSNs@DOX-ICG@PCM的联合治疗不会造成裸鼠主要器官的损伤。

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1 绪 论

1.1 问题的提出及研究现状

1.2 介孔硅纳米颗粒在智能药物控制系统中的应用

1.3 研究思路和主要研究内容

1.4 本文的创新点

2介孔硅和中空介孔硅纳米颗粒的合成与表征

2.1 前言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4小结

3 金属基质蛋白酶响应性介孔硅纳米药物控释系统的构建与生物学评价

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3结果与讨论

3.4 小结

4 近红外激光响应性中空介孔硅纳米药物控释系统在光热疗联合化疗治疗肝癌中的应用

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3结果与讨论

4.4 小结

5主要结论与后续建议

5.1 主要结论

5.2 后续工作建议

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读博士学位期间发表论文的目录

B 作者在攻读学位期间参加的科研项目