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多烯紫杉醇(DTX)是第二代紫杉烷类抗肿瘤药,其作为原发肺癌治疗的一线或二线临床用药,具有确切的疗效,但对于临床上高发的肺癌骨转移疗效差且毒副作用大,主要原因是多烯紫杉醇对骨上转移的肺癌肿瘤细胞的靶向性差,达不到足够的治疗剂量。为了解决这个瓶颈问题,本研究首先采用了肿瘤血管靶向的二十二碳六烯酸(DHA)偶联的牛血清白蛋白(BSA)作为载体(DHA-BSA)包载药物来增强药物的肿瘤靶向性。其次考虑到DHA-BSA包载的多烯紫杉醇缓释造成的毒性不可耐受,利用氧化还原双敏感的单硫醚键作为化学连接臂设计了多烯紫杉醇前药(DTX-S-DTX),基于肿瘤组织内存在高氧化还原微环境,实现多烯紫杉醇的肿瘤组织的控释给药。最后采用乳化法将前药与载体制备成纳米粒(DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs)。本研究构建了肿瘤微环境响应的多烯紫杉醇前药治疗肺癌骨转移的肿瘤靶向递送系统,并对该体系进行评价,所得研究结果如下:
1.DTX-S-DTX前药的合成:以单硫醚键作为氧化还原敏感的化学连接臂设计了DTX-S-DTX前药,再利用质谱及核磁共振氢谱等手段,确定了DTX-S-DTX合成成功。
2.DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs的制备及优化:首先选择DHA上的羧基和牛血白蛋白的氨基通过混合酸酐法进行酰胺化反应,得到DHA偶联的牛血白蛋白作为肿瘤血管靶向的载体。制备DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs采用单因素实验优化其制备条件,优化结果为偶联蛋白(DHA-BSA)浓度5mg/mL、有机相与水相的体积比1∶16、匀浆转速6000rpm、匀浆时间6min、均质压力800bar、均质次数7次。在此优化条件下,制备的DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs的粒径98.8±11.7nm,电位-20.90±1.24mV,载药量7.86%±1.4%,包封率84.6%±4.3%,DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs中DHA含量为4.04%±1.2%,n=3。
3.DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs的表征:
①扫描电子显微镜形态学观察:DTX-S-DTX呈现不均匀长片状,并且粒径大小为微米级;DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs呈现近似球形,粒径大小在100nm左右。
②X射线衍射检测:DTX-S-DTX在10.71°、12.15°、13.57°、17.14°和19.29°等处出现了大量衍射峰,且峰强度大;DTX-S-DTX与DHA-BSA的物理混合物在19.27°和31.66°处出现两个衍射峰,且峰强度明显变小;DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs在19.28°处出现一个衍射峰,且峰强度明显变小。表明DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs结晶度减小,DTX-S-DTX以无定型形态存在于纳米粒中,所以DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs表现出较好的水溶性。
③热差分析检测:DTX-S-DTX原药在216.07℃时出现一个较强的热吸收峰,表明其是晶体状态,而DTX-S-DTX与DHA-BSA的物理混合物在216.07℃时热吸收峰十分微弱,表明有少量DTX-S-DTX晶体被DHA-BSA的表面吸附,DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs在216.07℃热吸收峰消失,表明在DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs中的DTX-S-DTX以无定形态存在。
4.DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs的复溶稳定性实验:冻干的DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs复溶于去离子水后在0h、1h、2h、4h、8h、12h、24h时间点分别测定其粒径和电位,结果分别为97.4±15.3nm和-20.90±1.63mV、101.0±14.8nm和-21.37±1.83mV、104.2±15.9nm和-21.56±1.36mV、110.3±15.9nm和-20.76±0.92mV、122.0±17.1nm和-19.33±1.88mV、129.1±16.6nm和-19.92±1.43mV、146.0±18.1nm和-19.86±1.47mV,其粒径和电位值在8h内未出现较大变化且均在220nm以下,表明其稳定性较好。
5.DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs的体外释放实验:将含30%乙醇的PBS缓冲液(pH=7.4)作为释放介质,考察了DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs在添加过氧化氢(H2O2)或二硫苏糖醇(DTT)条件下释放DTX的释放情况。结果表明,在不添加过氧化氢(H2O2)或二硫苏糖醇(DTT)的释放介质中,12h内有10.4%±2.4%DTX从纳米粒中释放出来。而添加5mM H2O2、10mM H2O2、5mM DTT、10mM DTT的4种释放介质中,12h内分别有88.1%±8.7%、91.3%±8.1%、34.7%±5.2%、41.6%±3.8%的DTX从DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs中释放出来,这说明设计的DTX-S-DTX前药能在氧化还原环境中快速释放DTX。
6.DTX-S-DTX和DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs的急毒性实验:采用昆明小鼠建立模型,分别以5μmoL/kg、10μmoL/kg、15μmoL/kg、20μmoL/kg和25μmoL/kg剂量的DTX-S-DTX和DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs给药,并观察小鼠的生存状态、记录小鼠体重。实验结果表明,DTX-S-DTX的最大耐药剂量为5moL/kg,DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs的最大耐药剂量为10μmoL/kg。
7.DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs体内抗肿瘤活性研究:采用C57BL/6小鼠建立肺癌骨转移模型,研究DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs的抑制肺癌骨转移活性,空白对照组的平均生存期为19.86±2.96d,5μmoL/kg DTX组的平均生存期为25.43±1.38d,2.5μmoL/kg DTX-S-DTX组的平均生存期为26.71±1.34d(P<0.05),2.5μmoL/kg DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs组的平均生存期为29.29±2.37d(P<0.01),5μmoL/kg DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs组的平均生存期为33.00±2.55d(P<0.01)。抗肺癌骨转移活性研究中,空白对照组的平均体重为26.08±1.67g,5μmoL/kg DTX组的平均体重为24.45±1.89g,2.5μmoL/kg DTX-S-DTX组的平均体重为24.30±1.88g,2.5μmoL/kg DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs组的平均体重为26.39±2.30g,5μmoL/kg DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs组的平均体重为26.98±2.43g。以上数据表明DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs比DTX或DTX-S-DTX对肺癌骨转移具有更强的抑制作用,提高了小鼠的平均生存时间,同时降低了药物的非肿瘤组织毒性。
本文制备的DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs具有较好的的水溶性、复溶稳定性、肿瘤靶向性、肿瘤组织释药可控性和较低的毒副作用,从而也具有了较强的抗肺癌骨转移作用,具有了进一步开发为抗肺癌骨转移药物的潜在价值。本研究将为肺癌骨转移肿瘤靶向输送系统设计提供新思路,为临床上突破肺癌骨转移治疗瓶颈打下坚实理论与实践基础。
1.DTX-S-DTX前药的合成:以单硫醚键作为氧化还原敏感的化学连接臂设计了DTX-S-DTX前药,再利用质谱及核磁共振氢谱等手段,确定了DTX-S-DTX合成成功。
2.DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs的制备及优化:首先选择DHA上的羧基和牛血白蛋白的氨基通过混合酸酐法进行酰胺化反应,得到DHA偶联的牛血白蛋白作为肿瘤血管靶向的载体。制备DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs采用单因素实验优化其制备条件,优化结果为偶联蛋白(DHA-BSA)浓度5mg/mL、有机相与水相的体积比1∶16、匀浆转速6000rpm、匀浆时间6min、均质压力800bar、均质次数7次。在此优化条件下,制备的DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs的粒径98.8±11.7nm,电位-20.90±1.24mV,载药量7.86%±1.4%,包封率84.6%±4.3%,DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs中DHA含量为4.04%±1.2%,n=3。
3.DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs的表征:
①扫描电子显微镜形态学观察:DTX-S-DTX呈现不均匀长片状,并且粒径大小为微米级;DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs呈现近似球形,粒径大小在100nm左右。
②X射线衍射检测:DTX-S-DTX在10.71°、12.15°、13.57°、17.14°和19.29°等处出现了大量衍射峰,且峰强度大;DTX-S-DTX与DHA-BSA的物理混合物在19.27°和31.66°处出现两个衍射峰,且峰强度明显变小;DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs在19.28°处出现一个衍射峰,且峰强度明显变小。表明DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs结晶度减小,DTX-S-DTX以无定型形态存在于纳米粒中,所以DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs表现出较好的水溶性。
③热差分析检测:DTX-S-DTX原药在216.07℃时出现一个较强的热吸收峰,表明其是晶体状态,而DTX-S-DTX与DHA-BSA的物理混合物在216.07℃时热吸收峰十分微弱,表明有少量DTX-S-DTX晶体被DHA-BSA的表面吸附,DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs在216.07℃热吸收峰消失,表明在DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs中的DTX-S-DTX以无定形态存在。
4.DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs的复溶稳定性实验:冻干的DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs复溶于去离子水后在0h、1h、2h、4h、8h、12h、24h时间点分别测定其粒径和电位,结果分别为97.4±15.3nm和-20.90±1.63mV、101.0±14.8nm和-21.37±1.83mV、104.2±15.9nm和-21.56±1.36mV、110.3±15.9nm和-20.76±0.92mV、122.0±17.1nm和-19.33±1.88mV、129.1±16.6nm和-19.92±1.43mV、146.0±18.1nm和-19.86±1.47mV,其粒径和电位值在8h内未出现较大变化且均在220nm以下,表明其稳定性较好。
5.DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs的体外释放实验:将含30%乙醇的PBS缓冲液(pH=7.4)作为释放介质,考察了DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs在添加过氧化氢(H2O2)或二硫苏糖醇(DTT)条件下释放DTX的释放情况。结果表明,在不添加过氧化氢(H2O2)或二硫苏糖醇(DTT)的释放介质中,12h内有10.4%±2.4%DTX从纳米粒中释放出来。而添加5mM H2O2、10mM H2O2、5mM DTT、10mM DTT的4种释放介质中,12h内分别有88.1%±8.7%、91.3%±8.1%、34.7%±5.2%、41.6%±3.8%的DTX从DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs中释放出来,这说明设计的DTX-S-DTX前药能在氧化还原环境中快速释放DTX。
6.DTX-S-DTX和DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs的急毒性实验:采用昆明小鼠建立模型,分别以5μmoL/kg、10μmoL/kg、15μmoL/kg、20μmoL/kg和25μmoL/kg剂量的DTX-S-DTX和DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs给药,并观察小鼠的生存状态、记录小鼠体重。实验结果表明,DTX-S-DTX的最大耐药剂量为5moL/kg,DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs的最大耐药剂量为10μmoL/kg。
7.DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs体内抗肿瘤活性研究:采用C57BL/6小鼠建立肺癌骨转移模型,研究DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs的抑制肺癌骨转移活性,空白对照组的平均生存期为19.86±2.96d,5μmoL/kg DTX组的平均生存期为25.43±1.38d,2.5μmoL/kg DTX-S-DTX组的平均生存期为26.71±1.34d(P<0.05),2.5μmoL/kg DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs组的平均生存期为29.29±2.37d(P<0.01),5μmoL/kg DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs组的平均生存期为33.00±2.55d(P<0.01)。抗肺癌骨转移活性研究中,空白对照组的平均体重为26.08±1.67g,5μmoL/kg DTX组的平均体重为24.45±1.89g,2.5μmoL/kg DTX-S-DTX组的平均体重为24.30±1.88g,2.5μmoL/kg DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs组的平均体重为26.39±2.30g,5μmoL/kg DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs组的平均体重为26.98±2.43g。以上数据表明DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs比DTX或DTX-S-DTX对肺癌骨转移具有更强的抑制作用,提高了小鼠的平均生存时间,同时降低了药物的非肿瘤组织毒性。
本文制备的DTX-S-DTX-DHA-BSA-NPs具有较好的的水溶性、复溶稳定性、肿瘤靶向性、肿瘤组织释药可控性和较低的毒副作用,从而也具有了较强的抗肺癌骨转移作用,具有了进一步开发为抗肺癌骨转移药物的潜在价值。本研究将为肺癌骨转移肿瘤靶向输送系统设计提供新思路,为临床上突破肺癌骨转移治疗瓶颈打下坚实理论与实践基础。