一种NIR-II光响应的水凝胶及其制备方法与用于制备抗癌药物中的应用

摘要

本发明属于抗癌纳米复合物水凝胶技术领域，具体为一种在WO2.9纳米片改造下的水凝胶(WB@hydrogel)。此外，本发明还涉及该纳米复合物水凝胶的制备及其在抗癌纳米复合物水凝胶中的应用。本发明研究发现，该种纳米材料具有近红外二区(NIR‑II)光响应活性和重编程促血管生成的肿瘤微环境的能力，能够意外地应用于抗癌领域，即在NIR‑II激光作用下，在肿瘤组织部位产生一氧化氮(NO)，并逆转肿瘤微环境中促血管生成因子和抗血管生成因子的相对表达量，从而解决传统肿瘤血管抑制药物抗癌能力不足，易复发等诸多缺陷。

说明书

技术领域

本发明属于抗癌纳米复合物水凝胶开发技术领域，涉及一种NIR-II光响应的琼脂糖水凝胶，特别涉及一种逆转促血管生成的肿瘤微环境的抗癌纳米复合物水凝胶。

背景技术

癌症，又称恶性肿瘤，具有细胞转移性强、增殖异常，生长不可控制等特点。由于发病初期难以被发现，晚期难以得到有效控制而导致的高致死率，已经使癌症成为威胁人类生命健康的疾病之一。尽管免疫疗法，放射疗法和化学疗法在抗击癌症方面已经取得了重大进展，但是在癌症治疗方面仍然存在巨大挑战。治疗失败的原因之一是由于肿瘤微环境下血管会发生异常扩张，这有利于M2型免疫抑制的巨噬细胞表达和酸性微环境的产生，从而导致肿瘤的恶性进展和对放射疗法与化学疗法的抵抗。基于贝伐珠单抗，索拉非尼，雷珠单抗等血管生成抑制药物的抗血管生成疗法对遏制新血管的形成无疑具有巨大的潜力，可以预防血管扩张，肿瘤复发和转移。然而，初步的临床结果表明，抗血管生成治疗的效果远未达到预期目标。最近的研究表明，正常的组织器官中抗血管生成因子和促血管生成因子是平衡的，而肿瘤微环境的促血管生成因子的表达量远大于抑血管生成因子，故导致肿瘤部位血管异常增殖。通常来说，临床使用的血管生成抑制药物原理是靶向其中一个或多个促血管生成因子，并抑制下游促血管生成信号的继续表达。但其忽略了肿瘤部位抗血管生成因子是持续低表达的。这可能导致替代性的促血管生成信号通路的重新激活和抗血管生成信号通路的钝化。因此，在临床上将促血管生成的肿瘤微环境转变为抗血管生成的肿瘤微环境将更加合理地用于肿瘤抗血管生成疗法并可减少对传统血管生成抑制药物的耐药性和癌症复发等问题。最近，在生物医学领域中，几种具有肿瘤微环境调节能力的气体信使引起了极大的关注。例如，NO被证明可以调节血管状态，血流量和神经传递或防御病原体和抗肿瘤。更新的报导表明NO参与了血管生成的通讯途径，具有根除肿瘤血管的巨大治疗潜力，使用气态信使调节肿瘤微环境的血管生成倾向和调节血管状态是抗血管生成治疗的重要方向。

可注射的光敏水凝胶具有多孔结构，长期保留和精确靶向的内在优势，因此是一种有吸引力的气体输送系统。通过照射时间和光强度可以简单而精确地对气体释放进行时空控制。因此，将光敏水凝胶用于抗血管生成治疗是提高抗肿瘤效率或重塑肿瘤促血管生成微环境的有前途的策略。不幸的是，受光穿透深度和健康组织中非局部热损伤的限制，大多数NIR-1(650–950nm)感光水凝胶药物系统的治疗效果均不理想，从而限制了其进一步应用。NIR-II(1000–1700nm)激光敏感水凝胶被认为是下一代临床水凝胶。据报道，对NIR-II敏感的水凝胶具有较低的光子散射，组织吸收以及更深的光子穿透，从而获得更高的光穿透效率和更好的空间分辨率。因此，开发更具临床应用价值的NIR-II敏感水凝胶非常重要。

发明内容

针对现有的抗血管生成疗法可能产生耐药性和NIR-II响应水凝胶匮乏等问题，本发明第一目的在于，提供一种NIR-II响应水凝胶，旨在提供一种可注射的、可以长期保留和精确靶向并可控释放NO气体，具有血管抑制能力与高生物安全性的抗癌纳米复合物水凝胶(以下称为WB@hydrogel)。

本发明的第二目的在于，提供所述的NIR-II响应水凝胶的制备方法。

本发明的第三目的在于，提供所述的NIR-II响应水凝胶在重编程促血管生成的肿瘤微环境上的应用。

一种NIR-II响应水凝胶，为包覆有WO

本发明尝试提供一种包覆有NO前驱体的抗癌水凝胶材料，但研究早期发现，不管是进行光或热处理，均难于使水凝胶中的NO前驱体稳定有效释放出NO气体信号，难于发挥其抗癌效果。针对该技术难点，本发明人经过深入研究，意外地发现，具有缺陷构造的WO

本发明研究发现，所述的WO

作为优选，所述的WO

优选地，所述的WO

本发明中，所述的WO

作为优选，所述的水热温度为160～200℃。水热反应时间为1～5h。

本发明中，所述的还原剂为硼氢化钠。

作为优选，所述的氢化还原过程的温度为450～550℃。

作为优选，氢化还原的时间为4～8h。

本发明优选的制备方法，将HNO

本发明中，所述的NO前驱体为能释放出NO的物质。

作为优选，所述的NO前驱体为BNN6、S-硝基-硫醇、普力诺中的至少一种；优选为BNN6。

本发明中，所述的水凝胶中的成胶物质为琼脂糖、结冷、壳聚糖、琼脂中的至少一种。

本发明中，所述的NIR-II响应水凝胶中，所述的WO

本发明优选的NIR-II响应水凝胶，为分散有WO

本发明所述的材料，是具有NIR-II窗口响应的水凝胶。本发明研究发现，通过对无NIR-II光响应的WO

本发明中，还提供了所述的NIR-II响应水凝胶的制备方法，将WO

本发明还提供了所述的NIR-II响应水凝胶在用于制备抗肿瘤药物中的应用。

本发明所述的应用，将所述的NIR-II响应水凝胶用于制备在重编程促血管生成的肿瘤微环境的抗肿瘤药物。

本发明中，所述NIR-II响应的水凝胶产生的NO，是使其具有重编程肿瘤微环境并逆转促血管生成因子和抗血管生成因子的相对表达量，从而形成抗血管生成的肿瘤微环境并产生抗癌效果的关键。

进一步优选的应用，将所述的NIR-II响应水凝胶用于制备基于NIR-II光响应的抑制肿瘤区域血管增殖的抗肿瘤药物。

本发明中，所述的NIR-II的光响应的波长为1000–1700nm。

有益效果

(1)本发明首次发现所述的WO

(2)本发明创新地发现，将所述的WO

(3)本发明所述的复合凝胶，基于成分的相互作用，能够有效改善其物相特性，例如，改善其流变性、触变性、可逆性，改善其抗癌稳定性以及长效性。

附图说明

图1为WO

图2为WO

图3为WO

图4为XPS图，其中，A为WO

图5为AFM图，其中，A为WO

图6为WO

图7为合成以及NMR图；其中，A为BNN6的合成路线示意图。B为BNN6的分解和NO的产生示意图。C为反应物BPA和产物BNN6的核磁共振氢谱:

图8为琼脂糖水凝胶，BNN6，WO

图9为实施例1水凝胶性能测定图；其中，A为WB@hydrogel 25℃下的剪切速率依赖性粘度。B为在37℃下的应变依赖性模量。C为通过在37℃下交替进行0.1％和100％的应变扫描进行模量的恢复测试。D为25℃至70℃的温度相关模量。

图10为实施例2水凝胶光热以及NO释放图；其中，A为实施例1的步骤制得的WB@hydrogel作为抗癌纳米复合物水凝胶依赖于WO

图11为实施例1不同光强度NO释放图；其中，A为实施例1的步骤制得的WB@hydrogel作为抗癌纳米复合物水凝胶依赖于1064nm激光下的NO释放曲线；B为其可控释放NO的释放曲线。

图12为实施例1的步骤制得的WB@hydrogel作为抗癌纳米复合物水凝胶胞内一氧化氮释放效果图；

图13A为实施例1的步骤制得的WB@hydrogel作为抗癌纳米复合物水凝胶体内光热效果图；B为其体内一氧化氮释放效果图；C为其体内长效药物保留性质测试图。

图14为通过实施例1的步骤制得的WB@hydrogel作为抗癌纳米复合物水凝胶第8天时qPCR测定的促血管生成因子(VEGF和bFGF)和抗血管生成因子(TSP-1和P4HA2)的mRNA和空白对照的mRNA表达量的相对比率图。

图15为通过实施例1的步骤制得的WB@hydrogel作为抗癌纳米复合物水凝胶第8天时肿瘤切片CD31免疫荧光染色图和HIF-1α免疫荧光染色图。

图16为通过实施例1的步骤制得的WB@hydrogel作为抗癌纳米复合物水凝胶肿瘤生长能力测试的小鼠肿瘤曲线图。

图17为通过实施例1的步骤制得的WB@hydrogel作为抗癌纳米复合物水凝胶在治疗后第14天时小鼠肿瘤质量评估图。

图18为通过实施例1的步骤制得的WB@hydrogel作为抗癌纳米复合物水凝胶生物安全性测试的小鼠主要器官——心、肝、脾、肺、肾的苏木精/伊红染色图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述：应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，基于本发明的原理对本发明所做出的各种改动或修改同样落入本发明权利要求书所限定。

第一部分：WB@hydrogel的制备

实施例1

步骤(1)：将5mL 65％硝酸缓慢滴加到25mL去离子水中搅拌10分钟形成溶液A。同时，将0.5g二水合钨酸钠加入10mL去离子水中，形成透明溶液B。然后将溶液B注入溶液A，逐渐出现沉淀，颜色从白色变为黄色。继续搅拌30分钟后，将混合溶液转移至高压反应釜中，并在180℃加热3小时。冷却至室温后，离心收集黄色产物，分别用去离子水和乙醇洗涤3次，并在60℃的真空中干燥12小时形成WO

步骤(2)：将250μL的1mg mL

图1～图9为通过实施例1的步骤制得的NIR-II光响应的水凝胶的各项基础表征图。

由图1可见，通过氢化作用该二维WO

由图2可见，WO

由图3可见，该二维WO

由图4可见，元素组成通过XPS进一步表征。图4A中原始WO

由图5可见，WO

由图6可见，应用紫外-可见光-近红外光分光度计对WO

由图7可见，核磁共振氢谱证实BNN6被成功制备。

由图8可见，傅立叶变换红外(FTIR)光谱法证实WB@hydrogel的成功制备。1014和1405cm

由图9A、图9B、图9C和图9D分别为：(A)25℃下的剪切速率依赖性粘度。(B)在37℃下的应变依赖性模量。(C)37℃下交替进行0.1％和100％的应变扫描进行模量的恢复测试。(D)25℃至70℃的温度相关模量。通过流变仪测量WB@hydrogel的流变学特性。首先，由如图9A可见，通过剪切速率依赖性粘度研究了WB@hydrogel在25℃下的可注射性。当剪切速率从0.01增至10s

第二部分：WB@hydrogel的体外光热响应特性和一氧化氮释放测试

按实施例1的方法，区别只是控制步骤(2)过程的WO

将实施例1所制得的NIR-II光响应的水凝胶作为抗癌水凝胶以供注射用。

体外光热性能测试：使用1064nm激光以1.5W cm

体外光稳定性测试：固定WO

一氧化氮释放能力测试：将0.5mLWB@hydrogel(250μg mL

一氧化氮可控释放测试：将0.5mLWB@hydrogel(250μg mL

一氧化氮胞内释放测试：将4T1细胞以每孔10000个细胞的密度接种在96孔板中24小时。加入RBSP探针(20μM)的DMSO溶液并孵育2小时。随后，用PBS，BNN6(300μg mL

由图10A可见，实施例1所制得的WB@hydrogel在1064nm激光辐照下表现出WO

由图10B可见，实施例1所制得的WB@hydrogel在1064nm激光辐照下，5次交替打开和关闭1064nm激光后，WB@水凝胶的温度升高趋势保持稳定这证实了实施例1所制得的WB@hydrogel具有极高的光稳定性；

由图11A可见，实施例1所制得的WB@hydrogel在1064nm激光辐照下释放NO的能力主要取决于激光的功率。在2W cm

由图11B可见，实施例1所制得的WB@hydrogel通过重复照明3次。其中照明3分钟，然后在黑暗中放置3分钟，三个开-关循环内的温度。WB@hydrogel的温度随辐照的开启而迅速升高，而当辐照关闭时则缓慢降低。同时，辐照下的NO释放速率比未辐照下的NO释放速率高得多，这证明WB@水凝胶可以通过1064nm激光可用作遥控器控制NO释放。这证实了实施例1所制得的WB@hydrogel具有良好可再现性和稳定性。

由图12可见，仅通过加热或通过NIR-II激光照射处理的BNN6(也即是纯BNN6，其中，WO

第三部分：WB@hydrogel作为抗癌纳米复合物水凝胶体内响应能力测试

在中南大学湘雅医学院实验动物中心的批准下，按照道德与伦理学规范进行了动物实验。

以小鼠乳腺癌细胞荷瘤Balb/c小鼠(雄性，4周龄)作为动物模型，当肿瘤大小达到125mm

将实施例1所制得的NIR-II光响应的水凝胶作为抗癌水凝胶以供注射用。

体内光热效果测试：对小鼠注射150μL实施例1所制得的WB@hydrogel，在第一天、第二天、和第三天分别用1064nm近红外光对瘤内部位照射5分钟后，期间每一分钟用红外热成像仪对肿瘤部位进行拍摄；

瘤内一氧化氮释放水平测试：对小鼠注射150μL实施例1所制得的WB@hydrogel，用1064nm近红外光对瘤内部位照射5分钟后，人道地处死小鼠并收集肿瘤组织。通过细胞和组织裂解缓冲液裂解组织，用NO定量检测试剂盒计算出NO在肿瘤中的浓度。

药物保留能力测试：对小鼠注射150μL实施例1所制得的WB@hydrogel，在第一天、第二天、和第三天分别用1064nm近红外光对瘤内部位照射5分钟后，期间每一分钟用红外热成像仪对肿瘤部位温度进行记录；

将在各测试条件下进行的测试标记为WB@hydrogel+NIR组。

参比测试——对比例2

与上述各测试条件相比，体内光热效果测试区别仅在于使用纯琼脂糖水凝胶代替NIR-II光响应的水凝胶，将之标记为hydrogel组。瘤内一氧化氮释放水平测试区别在于(1)使用生理盐水代替WB@hydrogel组，将之标记为control组；(2)使用纯琼脂糖水凝胶代替WB@hydrogel并施加NIR-II光照，将之标记为hydrogel+NIR-II组；(3)使用琼脂糖水凝胶包裹WO

图13A为小鼠肿瘤部位的热成像图，肿瘤部位亮度反应肿瘤部位的温度情况。其中实验组为所述的测试条件，而hydrogel组区别仅在于使用纯琼脂糖水凝胶代替NIR-II光响应的水凝胶；

图13B为小鼠肿瘤部位一氧化氮的释放情况，其中实验组为所述的测试条件，而对照组组(1)使用生理盐水代替WB@hydrogel组，将之标记为Control组；(2)使用纯琼脂糖水凝胶代替WB@hydrogel并施加NIR-II光照，将之标记为hydrogel+NIR-II组；(3)使用琼脂糖水凝胶包裹WO

图13C小鼠肿瘤部位的药物保留能力情况，其中WB@hydrogel组为所述的测试条件，而WB组测试区别仅在于不使用琼脂糖水凝胶包裹WO

由图13A可见WB@hydrogel组注射了上述实施例1所制得的WB@hydrogel并施加NIR-II光照的小鼠肿瘤部位在5分钟内温度明显升高，而注射纯hydrogel并施加NIR-II光照时，小鼠肿瘤部位5分钟内温度仅有轻微升高。这证实WB@hydrogel在体内能表现出敏感的NIR-II光响应特性。

由图13B可见，实施例1所制得的WB@hydrogel施加NIR-II光照后能够在肿瘤内产生大量一氧化氮。而其余对照组的小鼠肿瘤只有极少量一氧化氮被检测到。这证实了实施例1所制得的WB@hydrogel能够在体内响应NIR-II光照并产生大量一氧化氮，进而调控肿瘤微环境。

由图13C可见，在注射实施例1所制得的WB@hydrogel后三天施加NIR-II光照后，温度基本维持稳定，而不包裹琼脂糖水凝胶的WB温度明显降低，说明代谢使得WO

第四部分：WB@hydrogel作为抗癌纳米复合物水凝胶抗血管生成能力和抑制肿瘤生长能力测试

在中南大学湘雅医学院实验动物中心的批准下，按照道德与伦理学规范进行了动物实验。

以小鼠乳腺癌细胞荷瘤Balb/c小鼠(雄性，4周龄)作为动物模型，当肿瘤大小达到125mm

将实施例1所制得的WB@hydrogel作为抗癌水凝胶以供注射用。

抗血管生成能力测试：自开始实验后持续共计8天。在第1天时由小鼠肿瘤内注射150μL实施例1所制得的WB@hydrogel，且在第1天至第8天每隔两天进行一次5分钟1064nm激光照射。并在第1天至第14天每两天记录一次小鼠肿瘤体积与小鼠体重；在第8天时处死小鼠并切除肿瘤，进行mRNA测试和CD31免疫荧光染色以及HIF-1α免疫荧光染色。

抑制肿瘤生长能力测试：自开始实验后持续共计14天。在第1天时由小鼠肿瘤内注射150μL实施例1所制得的WB@hydrogel，且在第1天至第8天每隔两天进行一次5分钟1064nm激光照射。并在第1天至第14天每两天记录一次小鼠肿瘤体积与小鼠体重；在第14天时处死小鼠并切除肿瘤，称量肿瘤质量并对肿瘤情况进行评估。

生物安全性测试：自开始实验后持续共计14天。在第1天时由小鼠肿瘤内注射150μL实施例1所制得的WB@hydrogel，且在第1天至第8天每隔两天进行一次5分钟1064nm激光照射，并在第14天时处死小鼠，切除小鼠主要器官(心、肝、脾、肺、肾)进行苏木精/伊红染色，对生物安全性进行评估。

将在各测试条件下进行的测试标记为WB@hydrogel+NIR组。

参比测试——对比例3

与上述各测试条件相比，区别仅在于(1)使用生理盐水代替WB@hydrogel组，将之标记为Control组；(2)使用纯琼脂糖水凝胶代替WB@hydrogel并施加NIR-II光照，将之标记为hydrogel+NIR-II组；(3)使用琼脂糖水凝胶包裹WO

图14为WB@hydrogel+NIR组相比于Control组四种血管生长相关因子的倍数。其中VEGF、bFGF为促血管生成因子；TSP-1、P4HA2为抗血管生成因子；其中WB@hydrogel+NIR为所述的测试条件，而Control组区别仅在于使用生理盐水代替WB@hydrogel+NIR；

图15为小鼠肿瘤的CD31免疫荧光染色图，能直接反映8天内肿瘤处血管的表达量；HIF-1α免疫荧光染色图，能间接反映8天内肿瘤血管的缺氧程度；

图16为小鼠肿瘤曲线，记录了14天内小鼠肿瘤体积变化过程。其中(1)使用生理盐水代替WB@hydrogel组，将之标记为Control组；(2)使用纯琼脂糖水凝胶代替WB@hydrogel并施加NIR-II光照，将之标记为hydrogel+NIR-II组；(3)使用琼脂糖水凝胶包裹WO

图17为第14天时小鼠肿瘤评估图，代表了14天内消融肿瘤的最终程度。(1)使用生理盐水代替WB@hydrogel组，将之标记为Control组；(2)使用纯琼脂糖水凝胶代替WB@hydrogel并施加NIR-II光照，将之标记为hydrogel+NIR-II组；(3)使用琼脂糖水凝胶包裹WO

图18为小鼠主要器官——心、肝、脾、肺、肾的苏木精/伊红染色图，能直接反映小鼠各主要器官的受损程度。(1)使用生理盐水代替WB@hydrogel组，将之标记为Blank组；(2)WB@hydrogel+NIR-II组，将之标记为Experimental组。

由图14可见，注射了上述实施例1所制得的WB@hydrogel并施加NIR-II光照的小鼠的促血管生成因子(例如VEGF和bFGF)mRNA的表达量相比于未注射WB@hydrogel并未施加NIR-II光照时少于1倍，注射了上述实施例1所制得的WB@hydrogel并施加NIR-II光照的小鼠的抗血管生成因子(例如TSP-1和P4HA2)mRNA的表达量相比于未注射WB@hydrogel并未施加NIR-II光照时大于1倍。这说明实施例1所制得的WB@hydrogel在NIR-II光照下明显逆转了肿瘤微环境中促血管生成因子和抗血管生成因子的相对表达量。

由图15可见，注射了上述实施例1所制得的WB@hydrogel并施加NIR-II区光照的小鼠的血管生长明显受到抑制，肿瘤部位并因此表现出明显缺氧；而注射WO

由图16可见，注射了上述实施例1所制得的WB@hydrogel并施加NIR-II光照的小鼠肿瘤生长明显受到抑制，而注射WO

由图17可见，注射了上述实施例1所制得的WB@hydrogel并施加NIR-II光照的小鼠肿瘤质量最终明显小于注射WO

由图18可见，注射了上述实施例1所制得的WB@hydrogel并施加NIR-II光照的小鼠肿瘤主要器官与未注射WB@hydrogel并未施加NIR-II光照的小鼠肿瘤主要器官的苏木精/伊红染色图近似。这证实了注射了上述实施例1所制得WB@hydrogel并施加NIR-II光照的小鼠主要器官并未受到破坏，说明WB@hydrogel用于制备抗癌纳米复合物水凝胶并进行瘤内注射和治疗并不会引起主要器官损伤，具有较好的生物安全性。

通过以上实施例，申请人以举例的方式证明了NIR-II光响应的水凝胶的制备及其在用于重编程促血管生成的肿瘤微环境上的应用。以上所述仅为本发明的较佳实施例,本发明的保护范围不限于上述的实施案例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化和修饰，皆应属本发明的涵盖范围，本申请所要求的保护范围如本申请权利要求书所示。