基于2-羟丙基甲基丙烯酰胺共聚物的拓扑结构调控及生物功能研究

摘要

化学疗法是目前治疗癌症最有效的手段之一。用于化疗的小分子抗癌药物在体内循环时间短，非特异性富集现象严重，因此需要反复给药，且常常伴随着严重的毒副作用。纳米药物递送系统一直是科学家们研究的热点问题。PHPMA是一类常用于药物载体的水溶性聚合物，具有良好的生物相容性和无毒无免疫原性等特点。本论文主要研究基于2-羟丙基甲基丙烯酰胺（HPMA）的聚合物的合成、拓扑结构和化学组成调控，以及所制备的聚合物的生物学性能与结构和组成的关系。
　　本论文的第一部分工作是基于HPMA的星型三嵌段聚合物的合成及生物功能研究。通过结合阴离子开环聚合(ROP)和可逆加成断裂链转移(RAFT)聚合技术，以季戊四醇和三季戊四醇为核，分别合成了一系列结构明确、组成可控的四臂和八臂星型三嵌段聚合物PEG-b-PBHMAGG(DOX)-b-PHPMA。聚合物——药物偶联物在水溶液中自组装形成纳米胶束。DLS和TEM研究表明，星型聚合物的胶束在水溶液存在二次聚集现象，且胶束聚集程度与聚合物拓扑结构及化学组成有关。通过细胞实验研究了不同拓扑结构的星型聚合物与细胞的相互作用，结果表明，随着聚合物臂数的增加，细胞对胶束的摄取量减少，并对细胞毒性、细胞周期和细胞凋亡等行为造成不同程度的影响。动物实验结果表明，增加星型聚合物的臂数能延长胶束的血液循环半衰期和提高胶束在肿瘤组织中的富集量，且八臂三嵌段聚合物的抑瘤效率最优。所有星型聚合物均可通过“肾脏——尿液”途径清除出体内，保证了高剂量治疗时的生物安全性。
　　本论文的第二部分工作是梳状PHPMA的合成及生物功能研究。梳状聚合物可大幅度提高聚合物的支化度，从而改善载体的血液循环时间等生物学性能，但梳状PHPMA的合成及生物性能研究鲜有报道。本部分工作中，首次系统地研究了ARTP法合成梳状PHPMA。首先，通过动力学研究探索了以Me4Cyclam为配体，ATRP法合成梳状PHPMA的可能性，并确定了最佳反应条件以及后处理方式。其次，成功合成了一系列结构明确、组成可控和分子量分布窄的具有不同拓扑结构（梳子数目、长度及密度）的梳状PHPMA。细胞学评价表明，负载了DOX的梳状PHPMA由于分子量过大，不易被细胞摄取，导致整体毒性较低。通过动物学实验研究了梳状PHPMA的药代动力学和生物分布与拓扑结构与分子量组成的关系，并确定了最佳化学组成，旨在为后续聚合物设计和合成提供指导。
　　纳米药物的理化性质（如粒径及表面电荷等）决定着其生物学性能，其中，胶束的表面电荷对胶束的血液循环半衰期和脏器非特异性富集现象影响明显。目前关于胶束表面电荷的研究主要是针对宏观上不同电荷种类（正、负电荷及电中性）的纳米粒子的生物学性能评价，而相同电荷种类、不同电荷来源的带电胶束的生物学性能研究却鲜有报道。本论文的第三部分工作为不同种类的阳离子胶束的制备及生物功能研究。本工作以PEG-PSN38为模型聚合物，合成了具有不同正电荷官能团嵌段的三嵌段聚合物PEG-b-P(CFG)-b-PSN38，并制备了一系列粒径相同、正电荷种类不同的阳离子胶束。细胞学实验研究表明正电荷有助于细胞的对阳离子胶束摄取。阳离子胶束进入细胞后，能与线粒体结合，导致线粒体损伤，协同药物共同促进细胞的凋亡和死亡，且正电荷官能团为季铵的阳离子胶束协同效应更优。阳离子胶束较非阳离子胶束具有更强的肿瘤穿透能力，且不同正电荷官能团的阳离子胶束穿透能力不同。动物学实验研究表明，阳离子胶束在肝脏富集明显，但因为药物(SN38)无法有效释放不会对肝脏造成明显损伤。正电荷官能团为伯胺和季铵的阳离子胶束在肿瘤部位中富集量较高，对肿瘤血管表现出良好的靶向性并能穿透至肿瘤内部，因此对实体肿瘤的抑瘤效果更佳。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 癌症及其现状

1．2 抗肿瘤纳米载药体系研究现状

1．2．1 EPR效应

1．2．2 抗肿瘤纳米载药体系的分类及简介

1．2．3 抗肿瘤纳米载药体系的前景

1．3 基于PHPMA纳米载药体系的研究进展

1．4 聚合纳米载药体系的设计

1．4．1 聚合物拓扑结构设计

1．4．2 聚合物纳米粒子的粒径

1．4．3 聚合物纳米粒子的表面电荷

1．5 本论文的研究内容和意义

第二章 基于HPMA的星型三嵌段聚合物的合成及生物功能研究

2．1 引言

2．2 实验材料

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．3 实验方法

2．3．1 单体的合成

2．3．2 星型三嵌段聚合物的合成

2．3．3 胶束的制备与表征

2．3．4 药物释放行为研究

2．3．5 细胞系及细胞培养

2．3．6 星型聚合物-药物偶联体的细胞学评价

2．3．7 星型聚合物-药物偶联体的生物分布研究

2．3．8 抑瘤实验

2．3．10 安全性评价

2．4 结果与讨论

2．4．1 单体的合成

2．4．2 星型三嵌段聚合物的合成

2．4．3 胶束的表征

2．4．4 药物的pH响应型释放行为

2．4．5 星型聚合物-药物偶联体的细胞学评价

2．4．6 星型聚合物-DOX偶联体的生物分布研究

2．4．7 抑瘤实验

2．4．8 安全性评价

2．4．9 肾脏清除能力及小鼠DOX高剂量耐受性评价

2．4．10 高剂量抑瘤实验

2．5 本章小结

第三章 基于HPMA的梳状聚合物的合成及生物功能研究

3．1 引言

3．2 实验材料

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．3 实验方法

3．3．1 单体及小分子链转移剂CPAD的合成

3．3．2 梳状PHPMA的合成

3．3．3 反相分级沉淀分离纯化梳状PHPMA

3．3．4 碱降解梳状PHPMA

3．3．5 抗肿瘤药物DOX的键合和聚合物的荧光标记

3．3．6 聚合物胶束的制备及表征

3．3．7 细胞系及细胞培养

3．3．8 梳状PHPMA与细胞的相互作用

3．3．9 梳状PHPMA的生物分布研究

3．4 结果与讨论

3．4．1 单体及小分子引发剂的合成

3．4．2 梳状PHPMA的动力学研究

3．4．3 不同拓扑结构的梳状PHPMA的合成及表征

3．4．4 梳状PHPMA与细胞的相互作用

3．4．5 梳状PHPMA的药代动力学及生物分布研究

3．5 本章小结

第四章 不同种类的阳离子胶束的制备及生物功能研究

4．1 引言

4．2 实验材料

4．2．1 实验试剂

4．2．2 实验仪器

4．3 实验方法

4．3．2 三嵌段聚合物PEG-b-P(CFG)-b-PSN38的合成

4．3．3 阳离子胶束的制备与表征

4．3．4 细胞系及细胞培养

4．3．5 阳离子胶束与4T1细胞的相互作用

4．3．6 阳离子胶束对4T1细胞的杀伤行为研究

4．3．7 阳离子胶束对BxPC-3肿瘤球的体外穿透实验

4．3．8 阳离子胶束的生物分布研究

4．3．9 抑瘤实验

4．3．10 组织学评价

4．3．11 安全性评价

4．4 结果与讨论

4．4．1 单体及三嵌段聚合物PEG-b-P(CFG)-b-PSN38的合成

4．4．2 阳离子胶束的制备与表征

4．4．3 阳离子胶束与4T1细胞的相互作用研究

4．4．4 阳离子胶束的体外抗肿瘤行为研究

4．4．5 阳离子胶束的体内生物分布研究

4．4．6 阳离子胶束的肿瘤穿透行为研究

4．4．7 阳离子胶束的体内抗肿瘤行为研究

4．4．8 安全性评价

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师简介