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《郑州大学》 2017年
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物理调控型抗肿瘤药物精准递送系统研究

张慧娟  
【摘要】:基于肿瘤靶细胞或靶器官的特异性药物递送系统是实现肿瘤精准治疗的物质基础。抗肿瘤药物精准递送系统,如同精确制导的“智能炸弹”,最大程度杀死肿瘤靶标的同时可最大限度避免损害非靶器官,以其高效、低毒的巨大优势成为新型抗癌药物研究的热点。纳米技术的发展为肿瘤精准递药提供了新的研究机遇,而基于纳米材料的某些物理或化学特性所发展起来的肿瘤新兴治疗模式(如光热治疗、光动力学治疗、磁热治疗及声动力学治疗等)亦为肿瘤的综合治疗提供了新的策略。本课题分别合成了新型的近红外光响应型多壁碳纳米管-二氧化钛纳米复合材料(TiO_2@MWCNTs)、交变磁场响应型的介孔四氧化三铁纳米粒(mFe_3O_4)、超声响应型的隐形纳米粒(RBC-HPBs),并以上述物理响应型纳米材料为基础设计并构建了3种肿瘤精准递药系统,用于抗肿瘤药物的靶向递送、智能控释及多机制治疗。主要内容如下:1.近红外光触发的原位杂化水凝胶系统用于肿瘤的协同治疗研究作为最常用的化疗药物之一,阿霉素(DOX)在临床应用中出现全身给药后特异性差、具有严重的剂量依赖性毒性等缺点,从而降低了其治疗指数。本研究制备了一种可注射的近红外光引发的原位光敏杂化水凝胶,作为局部递药系统来实现DOX在肿瘤部位的长效控释及肿瘤的多机制治疗。首先,合成了新型的多壁碳纳米管-二氧化钛纳米复合材料(TiO_2@MWCNTs),将TiO_2的光催化响应特性由紫外区扩展到近红外区。将其作为光引发剂和光热-光敏剂,然后负载DOX,以聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)为聚合物基质,通过自由基引发的光交联反应制备近红外光响应凝胶。体外释药结果表明DOX可从DOX/TiO_2@MWCNTs/PEGDA水凝胶中缓慢释放长达10天以上,即DOX/TiO_2@MWCNTs/PEGDA水凝胶可作为药物贮库实现药物长效控释。同时,实验证明TiO_2@MWCNTs可高效吸收近红外光,并可将光能转化为局部热能,同时激发活性氧(ROS)生成。在808nm激光照射下,该DOX/TiO_2@MWCNTs/PEGDA水凝胶系统在体外表现出了显著的抗肿瘤增殖活性。体内药效学实验表明,单次瘤内给药后,凝胶联合近红外激光组抑瘤效率最高。由组织分布实验可知,与DOX溶液组相比,该凝胶递药系统可显著增强DOX在肿瘤靶部位的长时间蓄积,降低DOX在正常组织中的分布。总之,本课题制备的新型光敏杂化水凝胶可实现DOX对肿瘤的高效精准递送、长效缓慢释放、单次给药后近红外激光诱导的多次反复光疗以及肿瘤的化疗-光热-光动力多机制治疗。2.一种智能肿瘤响应型Fe~(2+)供体和Fe~(2+)依赖性药物共转运系统的构建及评价;Fe~(2+)是青蒿素(ART)类药物(Fe~(2+)依赖性药物)发挥抗肿瘤效应的关键,因而,二者共转运系统的构建对于提高该类药物的抗肿瘤效果起着至关重要的作用。本课题首先制备了介孔四氧化三铁纳米粒(mFe_3O_4)用于负载并递送ART,体外研究发现mFe_3O_4对交变磁场(AMF)和肿瘤微环境均有较强响应性。然后,采用天然高分子多糖透明质酸(HA)通过pH敏感的腙键修饰mFe_3O_4,一方面HA作为智能门控分子,另一方面作为肿瘤靶向配体。体外研究表明HA-mFe_3O_4可高效负载ART,载药率和包封率分别为52.7%和56.0%。体外释药结果表明在酸性及HAase存在条件下,HA可从mFe_3O_4表面脱去或降解,释放药物,实现门控效应。而且,在酸性及GSH存在下,HA-mFe_3O_4还可有效生成并释放Fe~(2+)。细胞实验表明,HA-mFe_3O_4/ART可被MCF-7细胞通过CD44受体介导的内吞途径摄取,并定位于溶酶体,HA脱去后可同步释放ART和Fe~(2+),继而通过非酶促反应生成大量活性氧自由基。而且,在AMF照射下,HA-mFe_3O_4可将磁能转换为局部热效应,同时通过芬顿反应激发ROS生成,增强了抗肿瘤效果。体内药效学实验表明,HA-mFe_3O_4/ART可将ART的抗肿瘤能力提高3.7倍,联合AMF后,抗肿瘤增殖能力进一步增强3.9倍,治疗后HA-mFe_3O_4/ART+AMF组的相对肿瘤体积V/V0仅为0.11。以上结果说明HA-mFe_3O_4/ART可实现Fe~(2+)和Fe~(2+)依赖性药物在肿瘤靶组织的共转运,并显著提高ART的抗肿瘤效应,而且HA-mFe_3O_4/ART联合AMF可实现实体瘤的多机制综合治疗。3.超声响应型递药系统用于肿瘤精准递送及自供氧声动力学治疗研究中空介孔材料因其超高的比表面积和孔容,在载药性能方面具有巨大的优势。本课题制备了中空介孔普鲁士蓝纳米粒(HPBs)作为药物载体,荷载声敏剂血卟啉单甲醚(HMME)及携氧超声相变材料全氟己烷(PFH),然后用红细胞膜(RBC)包封(RBC-HPBs/HMME/PFH),用于肿瘤成像及自供氧声动力学治疗研究。结果证明,HPBs可有效负载HMME,载药率及包封率可达到63.9%和88.7%。HPBs/HMME/PFH包覆RBC后,由于壳层介孔被封堵,24h只释放了16.0%,有效降低了药物递送过程中HMME的泄漏。施加超声刺激后,PFH相变导致RBC破裂,打开门控开关,24h累积释药百分率达到了88.9%,可实现制剂在体内循环过程中少释药或零释药,而在肿瘤靶部位经由体外超声远程调控实现药物的有效释放。选用4T1细胞作为肿瘤模型,结果表明与HPBs/HMME/PFH相比,RBC的包封可促进细胞对纳米粒的吞噬。进入细胞后,在超声照射下,可实现HMME和O_2同步释放,产生大量的ROS。这些ROS物质可以引发细胞内氧化还原系统失衡,过量积聚的自由基可诱发DNA断裂,改变线粒体膜通透性,并通过释放促凋亡蛋白诱导肿瘤细胞凋亡,最终达到有效抑制肿瘤增殖的目的。活体成像及冰冻切片结果表明,RBC-HPBs/HMME/PFH可显著增加药物在肿瘤部位的分布,减少其在非靶器官中的分布。药动学结果表明RBC-HPBs/HMME/PFH可显著降低HMME在体内的清除速度,实现体内长循环。超声成像结果证明RBC-HPBs/HMME/PFH可作为超声造影剂用于体内递药体系追踪及肿瘤诊断。药效学实验表明,该自携氧递药系统可以缓解肿瘤内的乏氧环境,下调HIF-1α的表达,降低VEGF的表达量,抑制肿瘤血管生成。其次,超声诱导PFH相变(气态)破裂可作为一种纳米炸弹机械破坏已存在的肿瘤血管,二者联合共同导致RBC-HPBs/HMME/PFH组肿瘤内部血管密度的降低。另外,肿瘤部位ROS冰冻切片结果证明,O_2含量的增大可很大程度提高SDT治疗中ROS的产率,显著增强声敏剂对肿瘤细胞的直接杀伤作用。
【关键词】:多壁碳纳米管-二氧化钛纳米复合材料 光敏凝胶 多机制治疗 青蒿素和Fe~(2+)共转运 介孔四氧化三铁 交变磁场 超声响应 自供氧声动力学治疗 精准递送 智能释药
【学位授予单位】:郑州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:R943
【目录】:
  • 摘要4-7
  • Abstract7-25
  • 第一章 引言25-42
  • 1 基于纳米技术的抗肿瘤药物精准递送系统的研究进展25-32
  • 1.1 原位注射的环境敏感性智能水凝胶27-29
  • 1.2 生物膜包裹的隐形纳米粒29-30
  • 1.3 受体介导的肿瘤主动识别纳米递药系统30-32
  • 2 智能响应型递药系统用于肿瘤释药及治疗的研究进展32-37
  • 2.1 体外物理调控型递药系统32-35
  • 2.2 肿瘤微环境响应型递药系统35-37
  • 3 物理调控型纳米材料用于肿瘤递药及治疗的研究进展37-41
  • 3.1 碳纳米管用于肿瘤递药及光热治疗的研究进展37-38
  • 3.2 二氧化钛用于肿瘤光动力学治疗的研究进展38-39
  • 3.3 四氧化三铁用于肿瘤递药及磁热治疗的研究进展39-41
  • 4 本课题的研究内容41-42
  • 第二章 近红外光触发的原位杂化水凝胶系统用于肿瘤的协同治疗研究42-76
  • 1 实验材料44-46
  • 1.1 仪器与设备44
  • 1.2 药品与试剂44-45
  • 1.3 细胞与动物45-46
  • 2 DOX/TiO_2@MWCNTs/PEGDA的制备与表征46-55
  • 2.1 实验方法46-48
  • 2.2 实验结果48-54
  • 2.3 讨论54-55
  • 3 DOX/TiO_2@MWCNTs/PEGDA的体外抗肿瘤活性研究55-66
  • 3.1 实验方法55-58
  • 3.2 实验结果58-65
  • 3.3 讨论65-66
  • 4 DOX/TiO_2@MWCNTs/PEGDA的体内抗肿瘤活性66-75
  • 4.1 实验方法66-68
  • 4.2 实验结果68-74
  • 4.3 讨论74-75
  • 5 本章小结75-76
  • 第三章 一种智能肿瘤响应型Fe~(2+)供体和Fe~(2+)依赖性药物共转运系统的构建及评价76-118
  • 1 实验材料79-81
  • 1.1 仪器与设备79-80
  • 1.2 药品与试剂80-81
  • 1.3 细胞与动物81
  • 2 HA-mFe_3O_4/ART的制备与表征81-97
  • 2.1 实验方法81-86
  • 2.2 实验结果86-96
  • 2.3 讨论96-97
  • 3 HA-mFe_3O_4/ART的体外抗肿瘤活性研究97-108
  • 3.1 实验方法97-100
  • 3.2 实验结果100-107
  • 3.3 讨论107-108
  • 4 HA-mFe_3O_4/ART的体内抗肿瘤活性108-117
  • 4.1 实验方法108-110
  • 4.2 实验结果110-116
  • 4.3 讨论116-117
  • 5 本章小结117-118
  • 第四章 超声响应型递药系统用于肿瘤精准递送及自供氧声动力学治疗研究118-168
  • 1 实验材料120-122
  • 1.1 仪器与设备120-121
  • 1.2 药品与试剂121-122
  • 1.3 细胞与动物122
  • 2 RBC-HPBs/HMME/PFH的制备与表征122-136
  • 2.1 实验方法122-125
  • 2.2 实验结果125-135
  • 2.3 讨论135-136
  • 3 RBC-HPBs/HMME/PFH的体外抗肿瘤活性研究136-148
  • 3.1 实验方法136-139
  • 3.2 实验结果139-147
  • 3.3 讨论147-148
  • 4 RBC-HPBs/HMME/PFH的体内抗肿瘤活性及超声成像研究148-166
  • 4.1 实验方法148-152
  • 4.2 实验结果152-164
  • 4.3 讨论164-166
  • 5 本章小结166-168
  • 全文总结与展望168-171
  • 参考文献171-186
  • 个人简介186-190
  • 致谢190

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