具有自身骨靶向能力及多功能潛能的超小光熱納米材料的合成及光熱治療骨腫瘤的研究.pdf

1、一、研究目的：
　　骨腫瘤是嚴(yán)重威脅人類生命與健康的疾病，包括原發(fā)性骨腫瘤和轉(zhuǎn)移性骨腫瘤，其中后者更為常見(jiàn)。骨是惡性腫瘤最常見(jiàn)轉(zhuǎn)移部位之一，約60-80％的惡性腫瘤患者后期會(huì)出現(xiàn)骨轉(zhuǎn)移。骨腫瘤患者常常忍受持續(xù)性疼痛，面臨著病理性骨折、脊髓壓迫所致癱瘓等嚴(yán)重的骨相關(guān)并發(fā)癥，大大降低了生存質(zhì)量，縮短了生存時(shí)間。然而，當(dāng)今針對(duì)于骨腫瘤的主要治療方式尚存在各自的不足:手術(shù)治療創(chuàng)傷大、風(fēng)險(xiǎn)高、術(shù)后并發(fā)癥多，亦不適用于多發(fā)性轉(zhuǎn)移患者。同時(shí)，骨

2、髓“肥沃的”微環(huán)境不僅有利于癌細(xì)胞的生長(zhǎng)，而且對(duì)癌細(xì)胞產(chǎn)生保護(hù)性的屏障作用，大大降低了常規(guī)放、化療的效率。因此，針對(duì)這樣一類常見(jiàn)且嚴(yán)重的疾病，我們迫切需要探索并發(fā)現(xiàn)更加新型而有效的治療方式。
　　基于納米材料的光熱治療因具有針對(duì)腫瘤病灶的特異性殺傷和時(shí)空上的可控性，而被認(rèn)為是一種具有前景的骨腫瘤的治療手段。目前，光熱治療已經(jīng)在動(dòng)物水平上證實(shí)了對(duì)多種腫瘤的可靠療效。但是，其距離臨床應(yīng)用還有些距離。部分原因在于納米材料的尺寸太大且難以

3、簡(jiǎn)單有效地實(shí)現(xiàn)材料的多功能化。研究表明，長(zhǎng)徑超過(guò)40nm的材料難以穿透、到達(dá)深部腫瘤組織，且難以在治療后及時(shí)地被體內(nèi)清除，從而產(chǎn)生毒副作用。另外，如果缺少多功能修飾賦予光熱材料的輔助成像、靶向遞送、協(xié)同化療藥物遞送等功能帶來(lái)的協(xié)同治療作用，光熱治療的療效也顯著降低。而實(shí)現(xiàn)多功能化往往意味著額外的、復(fù)雜的合成步驟，以及材料合成成本的大大提高。
　　再者，由于骨組織滲透性差，通過(guò)傳統(tǒng)的給藥方式，藥物很難抵達(dá)并積聚于骨腫瘤部位，從而降低

4、了治療效率。骨靶向性材料的應(yīng)用可有效地解決治療效率低這一難題。Yadav等研究發(fā)現(xiàn)帶負(fù)電荷的材料具有一定的主動(dòng)靶向骨缺損部位的能力，這為設(shè)計(jì)更加理想的具有自身骨靶向性能的材料提供了新的思路。
　　因此，本課題利用具有可控尺寸及大量的表面功能基團(tuán)的樹(shù)形高分子為模板及穩(wěn)定劑合成具有光熱性能與生物相容性的樹(shù)形高分子-鉑納米顆粒，探索樹(shù)形高分子末端官能團(tuán)種類對(duì)骨靶向能力的影響，并利用該材料對(duì)骨腫瘤進(jìn)行光熱治療。
　　二、研究方法：<

5、br>　　本課題以末端基團(tuán)不同的樹(shù)形高分子作為單分散模板和穩(wěn)定劑，加入適量K2PtCl6，充分反應(yīng)后用NaHB4對(duì)Pt離子進(jìn)行還原，合成末端基團(tuán)分別為羧基（帶負(fù)電荷）、氨基（帶正電荷）和乙酰化氨基（不帶電荷）的樹(shù)形高分子-鉑光熱納米材料:G4.5-COOH-Pt、G5-NH2-Pt和G5-NH2-AC-Pt，分別作為實(shí)驗(yàn)組和兩組對(duì)照組。并通過(guò)透射電鏡(TEM)、動(dòng)態(tài)光散射(DLS)等方式對(duì)三種光熱納米材料進(jìn)行表征。
　　接下來(lái)，本

6、課題通過(guò)體外納米人工骨吸附實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)分布實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證材料的骨靶向性能;體外光照升溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證材料的光熱性能;細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)和血清穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證材料的生物相容性。
　　最后，建立裸鼠脛骨腫瘤的動(dòng)物模型，并分別應(yīng)用三種光熱材料對(duì)裸鼠進(jìn)行光熱治療。整個(gè)療程包括三次光熱納米材料的尾靜脈注射，每次注射后于12小時(shí)和24小時(shí)進(jìn)行兩次10分鐘的近紅外光照射治療。通過(guò)比對(duì)脛骨腫瘤最大周長(zhǎng)、治療前后腫瘤熒光量的變化以及治療后Micro-CT三維重建計(jì)算骨體

7、積、骨表面積、骨小梁數(shù)及骨小梁間距等相關(guān)骨結(jié)構(gòu)參數(shù)從而準(zhǔn)確比較三種光熱納米材料在骨腫瘤中治療的療效差異。
　　三、研究結(jié)果：
　　（一）具有自身骨靶向能力及多功能潛能的超小光熱納米材料合成及表征
　　我們成功合成末端基團(tuán)分別為羧基（帶負(fù)電荷）、氨基（帶正電荷）和乙酰化氨基（不帶電荷）的樹(shù)形高分子-鉑光熱納米材料:G4.5-COOH-Pt、G5-NH2-Pt和G5-NH2-AC-Pt。TEM顯示合成的三種光熱納米材料均有

8、相似的形貌和均一的尺寸，直徑均介于1-2 nm。DLS顯示三種材料的水合直徑均約為10nm，且G4.5-COOH-Pt帶負(fù)電荷，G5-NH2-Pt帶正電荷，G5-NH2-AC-Pt帶少量正電荷。
　　（二）具有自身骨靶向能力及多功能潛能的超小光熱納米材料骨靶向性能、光熱性能、生物相容性研究
　　體外納米人工骨吸附實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)分布實(shí)驗(yàn)均證實(shí)G4.5-COOH-Pt組吸附骨組織的鉑含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（**P

9、＜0.01或***P＜0.001）。體外光照升溫實(shí)驗(yàn)證明三種材料均具有光照轉(zhuǎn)化性能，由于G4.5-COOH-Pt組吸附于納米人工骨的鉑含量較其他兩組高，因此光照時(shí)升溫更快，溫度更高，照射1分鐘后材料溫度即上升至45℃，最高溫度可達(dá)近70℃。細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)證實(shí)G4.5-COOH-Pt和G5-NH2-AC-Pt組在在材料濃度為300μM的培養(yǎng)環(huán)境中培養(yǎng)，細(xì)胞存活率仍高于90％，G5-NH2-Pt細(xì)胞存活率約80％。血清穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)證明了三種材料

10、溶于50％血清50％PBS溶液中72 h后尺寸均無(wú)變化。
　?。ㄈ┚哂凶陨砉前邢蚰芰岸喙δ軡撃艿某」鉄峒{米材料裸鼠體內(nèi)光熱治療脛骨腫瘤的研究
　　光熱治療過(guò)程中，腫瘤部位溫度由高至低依次是G4.5-COOH+NIR組，G5-NH2-AC+NIR組，G5-NH2+NIR組和PBS組。其中G4.5-COOH+NIR組照射后2分鐘即可達(dá)到最高溫度，為45℃（12小時(shí)）、44℃（24小時(shí)）。G5-NH2-AC+NIR組最高溫度

11、為41℃，G5-NH2+NIR組為40℃，PBS組為39℃。
　　治療結(jié)束后，活體熒光成像顯示G4.5-COOH+NIR組治療后的熒光量約為治療前的2.5倍;而其余對(duì)照組治療后熒光量為治療前的12.5-15倍（***P＜0.001）。脛骨腫瘤最大周長(zhǎng)測(cè)量及重量稱量顯示G4.5-COOH+NIR組腫瘤最大周長(zhǎng)和重量均遠(yuǎn)小于其余四組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（***P＜0.001）。Micro-CT三維重建測(cè)定骨參數(shù)表明，G4.5-COOH+

12、NIR組裸鼠治療后平均脛骨體積、平均脛骨表面積、平均骨小梁數(shù)量均明顯大于其余四組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（**P＜0.01或***P＜0.001）;而平均骨小梁間隔明顯小于其余四組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（*P＜0.05或**P＜0.01）。
　　四、結(jié)論：
　　我們應(yīng)用樹(shù)形高分子和鉑納米顆粒成功合成了超小光熱納米材料。其中末端基團(tuán)為羧基（帶負(fù)電荷）的材料: G4.5-COOH-Pt具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能、自身骨靶向性能和生物相容性