壳聚糖基金纳米棒的构建及其在肿瘤治疗中的应用

【摘要】金纳米棒(goldnanorods、GNRs)具有独特的光、电性能,成为材料学家关注的热点,被越来越多地应用于医学成像、生物检测、基因及药物载体和光热治疗等生物医学研究领域,展现出广阔的应用前景。壳聚糖具有良好的生物相容性、低毒性、可降解性、对生物黏膜较强的粘附性及组织相容性,可用于生物医用材料、基因载体及新型药物传递系统的研究中。尤其是壳聚糖作为抗肿瘤药物载体的研究已经非常广泛。本文基于GNRs的光热疗以及抗肿瘤药物的化疗,构建了一种毒性低、生物相容性好、适合生物医学领域运用的壳聚糖基金纳米棒杂化材料,实现光热疗-化疗联合治疗肿瘤的目的。主要研究工作如下：1.合成了不同PEG取代度、不同PEI取代度的壳聚糖衍生物。首先,以聚乙二醇(PEG2000)与丁二酸酐(SA)为原料,合成了双羧基的聚乙二醇化合物(化合物1),通过1HNMR和13CNMR进行结构表征结果显示,合成产物为化合物1且转化完全。同时,由聚乙烯亚胺(PEI)合成了部分巯基化的PEI(化合物2),反应中投料比增加或反应时间延长均会使巯基化程度加深,合成了三种巯基取代度的化合物2,即PEI-SH2、PEI-SH2.4和PEI-SH2.7。以壳聚糖、化合物1和2为原料,通过NHS/EDC催化法分别合成了壳聚糖-PEG衍生物(化合物3)和壳聚糖-PEG-PEI衍生物(化合物4),并通过1HNMR和FT-IR进行结构表征,分别探讨化合物3和化合物4合成过程中投料比对各步产物取代度的影响,随着化合物1和2投料比例的增加取代度增大,但增大到一定程度时不会再出现明显增大,得到了一系列壳聚糖衍生物。2.合成了长径比可控的金纳米棒(GNRs)并进行了表面修饰。通过晶种生长法合成了GNRs,CTAB包裹于GNRs表面,端位相对裸露巯基优先结合于端位。将化合物2与GNRs混合,通过Au-S键2结合于GNRs表面,透射电镜图可见化合物2与GNRs摩尔比较低时,GNRs以端位连接为主,摩尔比较高时出现部分并肩排列情况。化合物4与GNRs混合,混合液被透析处理所得产物(CS-GNRs)结构以并肩排列为主,且化合物4的PEI取代度高、与GNRs摩尔比高时有利于并肩排列组装形式的出现；混合液被静置处理所得CS-GNRs在摩尔比低时,呈现聚合物被包裹于内部,GNRs排列在外的组装结构,摩尔比高时也出现了并肩排列的趋势。综合产物稳定性、生物相容性等方面,静置条件下的并肩结构更适合用于下一步研究。3.考察了CS-GNRs用于药物载体研究的性质。以阿霉素(DOX)与化合物4为原料,在NHS/DCC催化下合成了阿霉素-壳聚糖衍生物(DOX-CS,化合物5),参照DOX的浓度-吸光度标准曲线,计算化合物5中DOX取代度为18.4%。通过UV-vis光谱检测表明CS-GNRs的光学稳定性、温度敏感性和激光的稳定性良好,可用于体内外研究。DOX-CS与GNRs偶联产物DOX-CS-GNRs的UV-vis光谱中纵轴吸收峰的位置发生了红移TEM图观察到产物DOX-CS-GNRs为侧面排列的GNRs团簇。4.体外评价了DOX-CS-GNRs的细胞毒性、细胞摄取以及光热疗-化疗联合抗肿瘤效果。通过细胞毒性实验证明,GNRs在很低浓度便对细胞表现出了很强的毒性作用。CS-GNRs和DOX-CS-GNRs则表现出了较好的生物相容性,细胞毒性很小。DOX-CS-GNRs与肿瘤细胞共同孵育2h后,通过激光共聚焦显微镜在细胞内观察到红色荧光(DOX的荧光)表明,DOX-CS-GNRs已进入了肿瘤细胞。在近红外激光照射条件下,体外评价CS-GNRs对肿瘤细胞的光热疗杀伤作用,DOX-CS-GNRs对肿瘤细胞光热疗-化疗联合治疗作用,结果显示CS-GNRs对肿瘤细胞具有明显的杀伤抑制效果,而DOX-CS-GNRs的杀伤效果更高。以上结果表明,光热疗-化疗的联合治疗作用要比单纯光热疗的治疗作用更强,具有更理想的治疗效果。综上所述,壳聚糖衍生物与金纳米棒通过Au-S键化学键合方式构建具有特定组装结构的壳聚糖基金纳米棒,同时负载抗肿瘤药物阿霉素,其具有良好的生物相容性和肿瘤杀伤作用,通过光热疗-化疗联合治疗方式比单纯的光热疗具有更强的肿瘤杀伤效果。
【作者】段瑞平；
【导师】张其清；
【作者基本信息】北京协和医学院，生物医学工程，2012，博士
【关键词】金纳米棒；壳聚糖；组装；光热疗；化疗；

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