基于金纳米棒的药物输送系统的构建及抗肿瘤研究

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恶性肿瘤严重威胁人类的健康和生命,其中在女性患者中,乳腺癌的致死率排名第一。临床上化疗药物(如阿霉素(Doxorubicin,DOX))治疗乳腺癌的效果常常由于肿瘤多药耐药(Multidrug resistance,MDR)的发生而不理想,最终导致治疗失败和癌症病人死亡。金纳米棒(Au nanorods,AuNRs)由于其独特的表面等离子体光学性质,使其在近红外(Near-infrared,NIR)生物窗口区域(700-900 nm)的激光照射下能够吸收光产生局部热,因此在肿瘤的诊断和治疗方面得到了广泛的应用。肿瘤的光热治疗(Photothermal therapy,PTT)和光动力治疗(Photodynamic therapy,PDT)是一类有效的、非侵入性的,基于光治疗剂和外部激发光的肿瘤治疗模式。但是,光治疗剂由于光不稳定性和无肿瘤靶向性,大大降低了其肿瘤治疗效果。因此,本论文研究了三种基于AuNRs的纳米药物输送系统(Drug delivery systems,DDSs):(1)pH敏感性释药的AuB@D-DOX/PND纳米复合物的构建及抗多药耐药肿瘤研究,(2)GSH触发崩解pH敏感释药的AuNR Cluster的构建及抗多药耐药肿瘤研究,(3)具有光热-光动力作用的(ICG/AuNR)@SL纳米系统的构建及抗肿瘤研究。首先,构建了一种化疗药物DOX和增敏剂咯萘啶(Pyronaridine,PND)共输送的pH、氧化还原和光热三重响应性AuNR复合物(AuNR-SSPEI-PEG-Biotin@dsDNA-DOX/PND),简称为AuB@D-DOX/PND,用于高效地抗MDR肿瘤细胞(MCF-7/ADR细胞)。DOX和PND首次被共嵌入在pH响应性的双链DNA(Double strands DNA,dsDNA)中,制备得到表面带有负电荷的dsDNA-DOX/PND。dsDNA-DOX/PND与带正电荷的生物素聚乙二醇化硫交联聚乙烯亚胺修饰的AuNRs(AuNR-SSPEI-PEG-Biotin)通过静电作用复合,制备得到DOX和PND共输送的纳米复合物AuB@D-DOX/PND。稳定性、溶血和细胞聚集实验结果表明该纳米复合物具有很好的稳定性和血液相容性。在肿瘤细胞内酸性pH环境(pH 5.0)、高浓度GSH以及外部808 nm NIR激光照射下,该纳米复合物可响应性地、快速地释放其包载的药物。流式细胞术实验结果表明,纳米复合物组具有比游离DOX组增加的细胞内药物摄取、抑制的细胞外药物排出,并且NIR光照可作为远程触发以促进细胞内药物释放。与游离DOX相比,该纳米复合物对MDR肿瘤细胞MCF-7/ADR细胞具有明显增加的细胞毒性,半数抑制浓度(Half maximal inhibitory concentration,IC50)值分别是70.68和6.21μg/mL。当结合NIR激光照射时,可进一步促进DOX的释放,并增强纳米复合物的抗肿瘤效果,IC50值为2.88μg/mL。该三重响应性的纳米复合物抗MDR肿瘤细胞的作用是游离DOX的20倍,可作为一种有效的策略用以抗MDR肿瘤。接下来,以化学接枝了化疗药物DOX和增敏剂聚姜黄素(Polycurcumin,PCDA)的小尺寸AuNRs为基础,构建了GSH可崩解pH响应性纳米簇用于抗MDR的MCF-7/ADR肿瘤细胞。将pH敏感含腙键DOX(Hydrazone ofα-lipoyl hydrazine and doxorubicin,LA-Hyd-DOX)和生物素PEG化的聚姜黄素(Poly(curcumin-co-dithiodipropionicacid)-b-poly(ethyleneglycol)-biotin,PCDA-PEG-Biotin)通过金硫(Au-S)键接枝到AuNRs表面,得到载DOX和PCDA的两亲性的单体DOX-AuNR-PCDA-PEG-Biotin,简称为AuNR。然后采用乳化溶剂挥发法将单体AuNR组装成纳米簇,简称为AuNR Cluster。AuNR Cluster具有高的载药量,载DOX的量为31.5%。与单体AuNR相比,AuNR Cluster在生理pH下具有更好的水溶性和稳定性,在NIR光照下具有更高的光热转化效率。在细胞内GSH浓度下(5 mM),AuNR Cluster可以崩解为对应的单体AuNR,在酸性pH(pH 6.8或者5.0)下,AuNR Cluster可以触发性地释放DOX。流式细胞术实验结果表明,与游离DOX组相比,AuNR Cluster具有增加的细胞内摄取和抑制的细胞外排。与单体AuNR相比,AuNR Cluster具有增加的细胞摄取,12h时,单体AuNR组和AuNR Cluster组细胞内荧光强度分别为607 a.u.和356 a.u.。MTT实验中,AuNR Cluster组对MCF-7/ADR细胞的IC50值为4.15μg/mL,明显低于游离DOX组的90.97μg/mL。并且,在808 nm NIR光照下,AuNR Cluster的抗肿瘤作用进一步加强,IC50值为2.61μg/mL。该AuNR Cluster可为构建新型纳米药物输送系统起到启发作用。最后,将AuNR作为光热转化剂同光敏剂吲哚菁绿(Indocyanine green,ICG)通过乳化溶剂挥发法同时载到槐糖脂(Sophorolipid,SL)纳米胶束中,得到ICG和AuNR共输送的SL纳米系统,简称为(ICG/AuNR)@SL,用于NIR触发的协同的PTT-PDT抗4T1肿瘤细胞。与游离ICG相比,该纳米系统具有增加的稳定性和光热作用,因此有利于其被细胞摄取(在3 h时,细胞摄取量是游离ICG的2.6倍),并有利于其在细胞内产生活性氧(Reactive oxygen species,ROS),纳米系统组与游离ICG组细胞内ROS荧光强度分别为71.2 a.u.和33.0 a.u.。体外光诱导的细胞毒性实验中,NIR激光照射下,在相同浓度下,纳米系统组的细胞存活率均低于游离ICG组;而非光照下,则纳米系统组与游离ICG组对细胞均无明显毒性。上述结果表明,该纳米系统是一种有效的光治疗剂,可用于NIR激光介导的协同的光热-光动力抗肿瘤细胞。综上所述,本论文首先构建了一种pH、氧化还原和NIR光热三重响应性的AuNR药物输送系统,用于细胞内专一性的输送DOX和PND以杀死MDR肿瘤细胞。然后设计了一种化学接枝化疗药物和增敏剂的AuNR,并将其组装得到GSH可崩解pH响应性地AuNR Cluster,该AuNR Cluster比单体AuNR具有更好的抗MDR肿瘤细胞的作用,是一种有潜力的抗肿瘤纳米系统。最后拓展AuNR的应用作为光热转化剂,构建了一种ICG和AuNR共输送的纳米系统用于协同地PTT-PDT抗4T1肿瘤细胞。这些基于AuNR的纳米药物输送系统在NIR激光可控的化学治疗或者NIR激光介导的光治疗肿瘤中具有潜在的应用价值。
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