金属有机框架杂化纳米材料在纳米医学中的应用研究

摘要

肿瘤是导致死亡的主要原因，每年造成数百万的死亡病例。尽管在对抗肿瘤的过程中已经投入很大精力，但效果都不明显，肿瘤已经成为威胁人类健康的主要原因之一。从目前情况来看，将肿瘤诊断和肿瘤治疗有机地整合到同一个平台上的诊断学已经成为肿瘤治疗的研究热点。癌症的治疗也已经从过去单一治疗模式逐渐发展到现在的多模式联合治疗。联合治疗之所以有如此优势，是因为这种基于两种或多种治疗方式能获取他们之间相互协同增强（即1+1＞2）的治疗效果。借助于纳米科技的飞速发展，多模式协同疗法的实现在很大程度上依赖于如何将多种治疗模式整合到单个纳米平台中，而不是简单地进行物理混合获取简单的加和治疗效果。金属有机骨架化合物(MOFs)凭借其孔道尺寸、中心金属离子以及有机配体的可调节性，在生物医学诊断和药物递送方面具有潜在应用。尤其是，基于MOFs的异质杂交可以作为多模式协同治疗的有效方法，因为它融合了不同材料的优点并赋予了杂化材料新的化学和生理学特性的杂化材料。
　　1.在第一项研究中，我们通过简单的一锅法将多巴胺单体原位装载到金属有机框架化合物Mn3[Co(CN)6]2(MnCo)的多孔性骨架中，再通过原位氧化聚合在MOFs的孔道里形成聚多巴胺，制备出MOFs-polydopamine多功能杂化纳米凝胶。相比于使用同种方法合成的纯聚多巴胺或MnCo，该方法制备所得的Mn3[Co(CN)6]2-polydopamine(MCP)多功能杂化纳米凝胶拥有更高的光热转换效率，因此有更优异的光热治疗（Photothermal Therapy,PTT）效果。在Mn3[Co(CN)6]2的多孔性骨架中存在六个氮原子配位的高自旋结构单元Mn-N6(S=5/2)，因此该杂化纳米凝胶MCP拥有T1磁共振成像能力。为了提高MCP杂化纳米凝胶作为光热剂的治疗效率，我们对其做了进一步修饰，首先在其表面修饰上具有生物相容性的高分子聚乙二醇(PEG)，再修饰具有肿瘤靶向能力的硫醇封端的环状精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸三肽(cRGD)。PEG修饰是为了增加杂化纳米凝胶MCP-PEG的体外稳定性，体内生物相容性以及血液循环稳定性。肿瘤靶向小分子cRGD的修饰是为了提供杂化纳米凝胶MCP-PEG-RGD肿瘤靶向能力，增加肿瘤组织处的富集量，进而提高其作为光热剂的治疗效果。细胞实验显示，修饰过靶向剂的MCP-PEG-RGD具有更高的细胞内吞量。活体光热治疗显示修饰过靶向剂的杂化纳米凝胶MCP-PEG-RGD具有更为有效的光热治疗效果。
　　2.尽管研究者已经开发制备出了大量的金属有机骨架化合物，但传统基于MOFs的纳米诊疗平台都局限于单一MOFs的单一功能。因此我们在想，能否通过将两种性能不同的MOFs有机地杂化在一起的手段，去构建一种新型多功能的纳米诊疗系统。在本研究中，通过在表面改性后的金属有机骨架化合物普鲁士蓝(PB)表面通过异质成核方式包覆另外一种金属有机骨架化合物ZIF-8，我们制备出了核壳双金属有机骨架化合物PB@ZIF-8(core-shell dual MOFs，CSD-MOFs)纳米结构。由于普鲁士蓝的存在，制备的CSD-MOFs可以用作磁共振成像(MRI)和荧光光学成像(FOI)造影剂。装载了阿霉素(DOX)的纳米载体可以实现pH和近红外光双重刺激响应的药物释放能力。在酸性的肿瘤微环境中，ZIF-8壳层发生坍塌降解，释放出其中的DOX，实现DOX的化疗。在808nm近红外激光的照射下，内部普鲁士蓝产生热量，实现光热治疗。细胞实验显示，在化疗和光热治疗的结合下，产生的治疗效果要优于单一的化疗以及单一的光热治疗。活体实验显示化疗和光热治疗相结合的的抗肿瘤效果分别是单一化疗和单一热疗的7.16和5.07倍。
　　3.传统化疗药物的长期使用将会导致耐药性的产生，同时会对正常组织乃至整个机体产生严重的毒副作用。双氢青蒿素是一种亚铁离子依赖的抗癌中药，其与亚铁离子发生反应产生活性氧进而发挥其抗癌活性。这种亚铁离子依赖的抗癌方式相比于传统化疗药物如阿霉素能明显减少系统毒性。然而向肿瘤处运输铁离子和疏水性的双氢青蒿素是一个难题。我们制备了一种兼具磁靶向运输能力以及响应性药物释放能力的纳米药物载体。通过在有磁靶向能力的Fe3O4@C纳米粒子表面借助层层自组装方法包覆金属有机框架化合物MIL-100(Fe)壳层制备核壳结构MOFs-磁性材料杂化纳米粒子。由于所制备Fe3O4@C@MIL-100(Fe)(FCM)的中间碳层中含有碳点，所以该杂化纳米粒子可以作为荧光成像剂。在酸性的细胞溶酶体中，外部的MOFs会发生降解实现同步地释放DHA和Fe(Ⅲ)离子，进一步Fe(Ⅲ)离子会被还原酶或其他还原性分子还原成Fe(Ⅱ)。最终，二价Fe与释放的双氢青蒿素发生反应，产生具有细胞毒性的活性氧ROS(reactive oxygen species)，从而破坏肿瘤细胞的蛋白质和核酸并诱导肿瘤细胞死亡。所制备的FCM不仅具有pH响应同步地释放DHA和Fe(Ⅲ)，通过外加磁场诱导还可以实现肿瘤靶向治疗。
　　4.通过简单的共沉淀法制备了多功能Mn3[Co(CN)6]2@SiO2@Ag核壳金属MOFs-贵金属杂化纳米立方块。在乙醇溶液中，通过用硼氢化钠还原硝酸银(AgNO3)，制备平均粒径为12nm的贵金属Ag纳米粒子，再进一步通过Ag-S相互作用在巯基修饰的Mn3[Co(CN)6]2@SiO2表而实现杂化。该Mn3[Co(CN)6]2@SiO2@Ag杂化纳米材料具有T1-T2双模式磁共振成像(MRI)能力。在730nm的双光子激光激发下，内部金属有机框架化合物Mn3[Co(CN)6]2呈现明亮的双光子荧光成像(TPFI)的能力。此外，相比于Mn3[Co(CN)6]2@SiO2，Mn3[Co(CN)6]2@SiO2@Ag杂化纳米材料的TPFI成像能力呈现出1.85倍的增强。此外，该样品还具有在403-，488-和543nm单光子激发下的多色荧光成像能力。所合成的Mn3[Co(CN)6]2@SiO2@Ag杂化纳米材料显示出600mg/g的DOX负载量，并且表现出优异的NIR响应药物释放和光热治疗能力。细胞实验显示，化疗-光热的联合治疗显示出更高的肿瘤细胞杀伤率。这种集多种成像手段以及多种治疗手段于一体的MOFs-贵金属杂化纳米材料在生物医学领域有潜在的应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 肿瘤概述

1．2 纳米技术在肿瘤诊疗中的应用

1．2．1 肿瘤的诊疗

1．2．2 肿瘤化疗

1．2．3 肿瘤光动力治疗

1．2．4 肿瘤光热治疗

1．2．5 肿瘤联合治疗

1．3 金属有机框架化合物

1．3．1 金属有机框架化合物简介

1．3．2 金属有机框架化合物的表面修饰

1．3．3 金属有机框架化合物在MRI成像中的应用

1．3．4 金属有机框架化合物在荧光成像中的应用

1．3．5 金属有机框架化合物在CT成像中的应用

1．3．6 金属有机框架化合物在化疗中的应用

1．3．7 金属有机框架化合物在光动力治疗中的应用

1．3．8 金属有机框架化合物在光热治疗中的应用

1．4 本论文的选题背景和研究内容

1．4．1 选题背景

1．4．2 研究内容

参考文献

第二章 一锅法制备MOFs-polydopamine杂化纳米凝胶用于磁共振成像指导下的靶向光热治疗

2．1 研究背景

2．2 实验部分

2．2．1 试剂和材料

2．2．2 实验步骤

2．2．3 样品表征

2．3 实验结果和讨论

2．4 本章小结

参考文献

第三章 普鲁士蓝@ZIF-8核壳双金属有机框架复合物用于化疗及光热联合治疗

3．1 研究背景

3．2 实验部分

3．2．1 试剂和材料

3．2．2 实验步骤

3．2．3 样品表征

3．3 实验结果和讨论

3．4 本章小结

参考文献

第四章 Fe3O4@C@MIL-100(Fe)核壳MOFs-磁性材料复合物用于双氢青蒿素的磁靶向递送

4．1 研究背景

4．2 实验部分

4．2．1 试剂和材料

4．2．2 实验步骤

4．2．3 样品表征

4．3 实验结果和讨论

4．4 本章小结

参考文献

第五章 Mn3[Co(CN)6]2@SiO2@Ag核壳纳米颗粒用于成像指导下的化疗-光热联合治疗

5．1 研究背景

5．2 实验部分

5．2．1 试剂和材料

5．2．2 实验步骤

5．2．3 样品表征

5．3 实验结果和讨论

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

攻读博士学位期间发表的论文与取得的其他研究成果

致谢