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《重庆大学》 2018年
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智能响应性纳米介孔硅药物递送系统构建与抗肿瘤应用

刘军杰  
【摘要】:恶性肿瘤是致死率最高的疾病之一。目前,恶性肿瘤的临床治疗仍面临巨大挑战。纳米科技的发展为肿瘤抑制提供了新的契机。基于纳米颗粒的抗肿瘤药物递送系统具有明显优势,包括提高药物的稳定性和生物利用度,降低药物对正常组织的副作用。更重要的是,凭借其独特的增强渗透性和滞留性(EPR)效应,纳米颗粒被广泛开发为药物递送载体。随着对肿瘤微环境的不断了解,基于肿瘤微环境的内源性特征(pH,谷胱甘肽,三磷酸腺苷,酶等)或外源性刺激信号(光,磁场,超声等)构建的智能响应药物递送系统相继被开发。这些智能药物递送系统能在宿主体内循环中表现出―零过早释放‖,而在信号刺激下将药物递送到肿瘤部位,并原位释放药物,显著降低药物的系统毒性。在众多纳米材料中,介孔硅纳米颗粒(MSNs)由于其良好的生物相容性、较高的药物负载效率、尺寸可调性以及表面易修饰性等优势引起人们广泛关注。然而,基于纳米颗粒的药物递送系统仍然面临递送效率低的问题。主要原因在于在静脉给药情况下,纳米制剂在体内运输过程中会遭遇一系列生理和病理障碍,包含血液、肿瘤组织和肿瘤细胞三个层面的屏障,如肾清除、非特异性的蛋白吸附和单核吞噬系统的清除、致密的肿瘤基质和较高的瘤内压力、细胞膜屏障、溶酶体捕获以及肿瘤耐药性等,极大地阻碍了纳米药物的有效递送。因此,迫切需要开发具有克服递送障碍的新型纳米体系以切实提高肿瘤抑制效果。基于以上背景,本论文以克服纳米药物递送障碍和提高肿瘤抑制效果为目的,选用介孔硅颗粒作为基础材料,设计并制备了几种智能响应性的纳米药物递送系统,并评价其抗肿瘤相关生物学性能。主要的研究内容和结论如下:(1)级联pH响应性的中空硅药物控释系统的构建及抗肿瘤研究为了克服药物递送过程中血液层面障碍和细胞膜屏障,以中空介孔硅为载体,通过两种酸敏感的化学键(硼酸酯和苯亚胺键)依次将β-环糊精和PEG引入到颗粒表面,其中β-环糊精作为介孔封堵剂防止药物泄漏,PEG赋予纳米颗粒隐身特性。一系列表征证实我们已成功构建了级联pH响应性的纳米药物递送系统(HMSNs-β-CD/Ada-PEG)。药物释放实验证明了该体系具有pH控释特性。蛋白吸附和巨噬细胞吞噬实验结果显示HMSNs-β-CD/Ada-PEG体系能显著抑制非特异性蛋白吸附和细胞摄取,证实了其潜在的血液稳定性。随后我们在体外细胞层面检测纳米体系的细胞摄取以及细胞凋亡情况。实验证明HMSNs-β-CD/Ada-PEG体系在弱酸条件下吞噬效率较高,证实了第一重pH响应可介导PEG脱离并促进肿瘤细胞内吞。激光共聚焦、DNA ladder以及流式分析等凋亡检测实验证实胞内溶酶体酸性条件可介导第二重pH响应,导致β-环糊精的脱离和药物的胞内释放,进而诱导细胞凋亡。最后,体内实验结果表明HMSNs-β-CD/Ada-PEG@DOX具有良好的生物安全性且能显著抑制体内肿瘤的生长。本研究为基于肿瘤微环境刺激响应的新型药物递送系统的开发提供新思路。(2)多级刺激响应性中空硅纳米体系用于肿瘤深层渗透和程序化抗肿瘤研究为了克服药物递送的组织渗透障碍以提高整体疗效,我们制备了多级刺激响应性电荷/尺寸双转换的多功能纳米系统。以中空介孔硅(HMSN)为药物载体,依次引入亲水性的壳寡糖(CS)、二甲基马来酸酐(DMA),其中电负性的DMA赋予中空硅颗粒(HMSN-CS(DMA))电荷反转特性。在装载抗癌药吉西他滨(GEM)后,将预先制备小粒径的顺铂前药偶联的树枝状分子(PAMAM-Pt)通过静电作用整合到颗粒表面来制备纳米体系(HMSN@GEM-CS(DMA)/PAMAM-Pt)。所制备的纳米系统在pH 7.4条件下有稳定的结构和合适的尺寸,有利于肿瘤富集。一旦到达肿瘤组织,该体系可响应肿瘤微环境弱酸性,解体成HMSN@GEM-CS(~120 nm)和PAMAM-Pt树枝状大分子(~5 nm)。然后HMSN@GEM在表面肿瘤组织发挥抗肿瘤作用,而PAMAM-Pt凭借其小尺寸渗透到肿瘤深层,实现正电荷介导的胞吞作用和溶酶体逃逸。最后PAMAM-Pt在胞内还原环境下释放出活性顺铂,杀死位于组织深层的肿瘤细胞。一系列表征实验证实我们已成功构建了HMSN@GEM-CS(DMA)/PAMAM-Pt复合体系。Zeta电位和水动力学直径检测证明HMSN-CS(DMA)/PAMAM-Pt体系具有pH依赖性的电荷/尺寸双重转换特性。释放实验表明HMSN-CS(DMA)/PAMAM-Pt体系可响应弱酸和还原刺激依次释放PAMAM和顺铂。多细胞球模型体外实验证明HMSN-CS(DMA)/PAMAM-Pt体系可在弱酸条件下获得有效的细胞球渗透和肿瘤细胞摄取,有效地诱导细胞凋亡。最后,体内实验结果表明HMSN@GEM-CS(DMA)/PAMAM-Pt具有良好的生物安全性且能显著抑制体内肿瘤的生长。(3)近红外光响应性的介孔硅药物控释系统的构建与生物学评价为了克服溶酶体屏障以及增加纳米药物体系的临床可用性,我们构建了一种光响应性的MSN-ZOL@t LB-IR780药物控释系统。以介孔硅颗粒作为基底材料,通过超支化聚乙烯亚胺(PEI)缓冲层将脂质双层稳定的偶联到颗粒表面,其中抗癌药物ZOL和光敏剂IR780分别被装载到介孔硅和脂质双层内。相关表征手段证明我们已成功制备了MSN-PEI@t LB体系。释放实验表明MSN-calcein@tLB-IR780体系具有近红外光响应性的药物控释特征。随后,细胞层面的激光共聚焦和流式分析等检测结果证明MSN-calcein@tLB-IR780体系可被肿瘤细胞高效内吞,并在近红外照射情况下在胞内产生活性氧,进而通过光化学内化作用介导药物释放以及溶酶体的逃逸。细胞活性检测、细胞核形态观察以及凋亡双染实验结果证明与单一疗法相比,MSN-ZOL@t LB-IR780体系介导的化疗和光动力联合疗法在抑制肿瘤细胞生长和诱导细胞凋亡方面具有更加显著的效果,该生物相容性良好的多功能纳米体系具有潜在的临床应用前景。(4)肿瘤弱酸性活化的多功能硅包金纳米系统的构建及抗肿瘤研究为了克服药物递送的血液障碍,细胞膜屏障以及规避耐药性,我们制备了兼具电荷反转、线粒体靶向以及多重增强的光动力和光热联合疗法的多功能纳米系统。在介孔硅涂层金纳米棒(AuNR@MSN)装载光敏剂ICG后,引入β-环糊精、功能肽RLA、PEG聚合物,制备复合纳米系统(AuNR@MSN-ICG-RLA/CS(DMA)-PEG)。一系列表征实验证实我们已成功制备了AuNR@MSN-ICG-RLA/CS(DMA)-PEG复合纳米。活性氧检测证实了所构建的复合体系具备多重活性氧产生机制。细胞实验证明AuNR@MSN-ICG-RLA/CS(DMA)-PEG体系具有pH依赖性的肿瘤细胞内吞、线粒体靶向以及在近红外光照下诱导肿瘤细胞凋亡的特性。体内实验证明AuNR@MSN-ICG-RLA/CS(DMA)-PEG体系可以凭借其表面的CS(DMA)-PEG聚合物实现肿瘤的靶向富集,进而在近红外照射下显著抑制体内肿瘤生长且不损伤正常的组织。该体系为基于光疗的新型多功能纳米系统的开发提供新思路。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:R96;R943

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 ;Overcoming drug efflux-based multidrug resistance in cancer with nanotechnology[J];癌症;2012年02期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 曹建中;鲍柏军;;晚期进展期胃癌患者外周血多药耐药基因1的表达[J];江苏医药;2015年01期
2 张建新;鲍柏军;;CYP1B1及MDR1在两种人胃癌细胞中的差异表达[J];临床与病理杂志;2014年06期
3 王琴;李茹恬;王立峰;;高分子纳米粒子对于肿瘤耐药的逆转作用[J];现代肿瘤医学;2014年03期
4 缪小建;鲍柏军;;外周血多药耐药基因1检测对晚期进展期胃癌31例疗效预判价值[J];交通医学;2013年04期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 王英泽;黄奔;吕娟;梁兴杰;;纳米技术在生物医学领域的研究现状[J];生物物理学报;2009年03期
2 赖斌斌;陈宝安;程坚;高峰;许文林;丁家华;高冲;孙新臣;李国宏;陈文姬;刘莉洁;李小毛;王雪梅;;载有柔红霉素的磁性纳米Fe_3O_4提高裸鼠异种移植模型中多药耐药K562白血病细胞对化疗效果(英文)[J];中国实验血液学杂志;2009年02期
3 ;Use of arrays to investigate the contribution of ATP-binding cassette transporters to drug resistance in cancer chemotherapy and prediction of chemosensitivity[J];Cell Research;2007年04期
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