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近红外光响应纳米载体的设计、合成及其在生物医学领域的应用

论文编号:lw202003082129331415 所属栏目:医学论文发表 发布日期:2020年03月12日 论文作者:无忧论文网

本文是一篇医学论文发表,笔者认为可控药物释放体系由于具有实时控制药物释放的原因,成为生物医药领域的重要研究方向。其中,光响应的药物释放体系尤其受到关注,首先因为光响应的光源具有洁净,无创,高效等特征,其次光响应主要通过与物体之间的非物理性接触,可以实现时间和空间上的二维可控。然而,目前大部分的光响应基团都是紫外可见光激发,由于其组织穿透深度较低,背景干扰大,对正常组织也会造成一定的损伤。


第一章 绪论


1.1研究背景

纳米医学,作为纳米技术和医学的交叉领域,在临床医学和各种疾病治疗中快速发展并拥有巨大的潜能[1]。然而如何有效的将治疗剂(例如药物,蛋白或基因/siRNA 等)运输到疾病位点和细胞内仍然存在挑战。幸运的是,在过去的几十年,基于功能纳米载体的药物运输体系逐渐发展并表现出很好的应用前景。和传统的化疗方法相比,通过纳米平台运输抗癌药物的方法具有以下几点优势。第一,提升对水溶性较差的药物的输送能力,并且可以提高治疗剂本身在肿瘤位点的浓度;第二,保护药物在运输过程中不被复杂的生理环境(例如胃或细胞溶酶体内的酸性环境,和血液中高水平的蛋白酶或其他酶类)破坏,提高药物在循环过程中的半衰期;第三,将药物靶向运输到细胞或组织,可以最大化的提升治疗效果同时减轻药物对正常组织细胞的副作用;第四,利用刺激响应型的纳米载体可以实现药物的可控释放甚至能够实现按需释放;第五,利用纳米载体可以同时运输多种不同的药物实现高效的协同治疗[2]。

在不同种类的纳米药物载体中,基于聚合物的胶体体系近年来受到广泛关注,因为聚合物的合成方法比较灵活,它们在结构、性质和组成等方面具有多样性,并且较容易被功能化。聚合物纳米载体,包括微乳,囊泡,和纳米凝胶等已经被广泛研究,并发展了大量的多功能纳米载体用于药物运输[2]。使用聚合物纳米药物载体不仅能够减少多种抗药性,避免被网状内皮组织清除,还能够改善药物在活体内的代谢能力和它们的生物分布[3]。通常,治疗药物可以通过物理包覆或包埋的方法被包覆在聚合物纳米载体中形成聚合物纳米药物。另外,治疗剂也可以通过化学键作用连接在聚合物的主链或侧链,形成聚合物-药物偶联物或者聚合物前药[3]。目前已经有越来越多的聚合物纳米载体被用于药物运输,并且在抗癌药物中得到很好的应用。一些商业纳米药物例如用 PEG 化的脂质体包覆的阿霉素和用白蛋白纳米粒子包覆紫杉醇的已经被美国食品和药品监督管理局(FDA)批准用于临床研究,并证明了它们具有很好的治疗效果[4]。

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 1.2聚合物纳米载体的分类

根据制备聚合物纳米载体所用的高分子材料及它们的制备方法不同,可以把其大致分为以下几类:聚合物胶束(Micelles)、聚合物纳米颗粒(Nanoparticle)、聚合物囊泡(polymersome)和纳米胶囊(nanocapsule)等(如图 1.1)[4]。

图 1.1  两亲性嵌段共聚物形成的聚合物纳米药物运输体系及其特征

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第二章 双光子激发可降解纳米聚集体的设计、合成及其光控药物释放


2.1引言

近年来,聚合物纳米载体由于在生物医药领域的潜在应用从而受到广泛关注[69, 70]。然而,由于大多数的聚合物纳米载体不能按需将药物运输到病灶部位,并且很多疾病都需要定时或者慢性的治疗方式,因此,能够在外界环境例如光、pH、温度、酶、还原等条件刺激下能够实现药物控制释放的方法非常有效,它不仅能解决上述问题,还能在实现治疗的同时能够减少对其他正常组织或器官的副作用[71]。在这些外界刺激中,光响应的纳米载体尤为突出,因为它能够实现精确的控制,并且是通过一种不需要接触的模式[72, 73]。大多数光响应的纳米载体都是把光响应的基团连接在聚合物的主链或者侧链,然后自组装成纳米粒子,它们在基因运输[74]、药物释放[75, 76]、人造组织[77]和光动力治疗[78]等领域都有很广泛的应用前景。在各种各样的光降解基团中,邻硝基苄基(ONB)是研究最多的,因为它的合成比较简单,并且在不同的取代位点更容易功能化,这个结构最早是在 1966 年 Schofield 课题组发现的[79-82]。

然而,目前光响应聚合物纳米载体的一个主要问题就是大部分光响应的聚合物都是紫外或可见光敏感的,紫外可见光对组织的穿透深度较低并且对正常细胞会不可避免的造成损害,从临床应用的角度来看,这些缺陷极大地限制了它们在生物医学领域的应用[83]。为了解决这个问题,有些课题组提出利用光敏基团的双光子激发也就是同时吸收两个低能量的近红外光子[84],这样不仅可以提高穿透深度,还具有较高的时空分辨率[85, 86]。然而,这种方式的光降解效率(光降解的能力)非常低,因为常用的具有双光子吸收性质的光敏基团的双光子吸收截面都比较低,例如 ONB 的吸收截面是 0.01 GM(1GM=10-50 cm4 s-1 photon-1),香豆素的吸收截面大约是 1 GM[86-88]。由于这个原因,Adah 课题组通过增加 ONB 的共轭链长度提升其双光子吸收截面实现近红外光激发可降解的共聚物[89]。但是,这种方法也不容易实现,因为材料的结构设计和合成相对比较复杂。并且,这种方式对双光子吸收截面的提升空间很有限,最高能达到 5.0 GM,这个数值在实际应用中还是不够的。近年来,稀土上转换纳米粒子(UCNPs)由于可以吸收长波长的近红外光发射高能量的紫外可见光,因此被用于作为近红外光的捕获材料进一步通过能量转移过程实现光降解[90-92]。

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2.2实验部分

2.2.1 原料和试剂

2-硝基-1,3-苯二甲酸,硼烷四氢呋喃,4-二甲基氨基吡啶,4-溴苯甲酰氯,2,5-二溴-1,4-二碘苯,3-溴-1-丙醇,三甲基硅基乙炔,四(三苯基膦)钯(0),碘化亚铜,N,N-二环己基碳二亚胺等购买于百灵威或者阿拉丁公司;碳酸钾,二氯甲烷,石油醚,甲醇,乙醇,丙酮,硫酸镁等常用的溶剂和化学试剂购买于中国医药集团化学品试剂公司,这些试剂都是不经过处理直接使用。聚乙二醇(2000 g mol-1)购买于上海西宝生物。二异丙胺和四氢呋喃等有机溶剂在使用前需要干燥并且用氮气除氧。

2.2.2 实验仪器和操作方法 

核磁共振谱(NMR)是在 400 MHz Bruker Ultra Shield Plus(1H:400MHz,13C:100 MHz)核磁共振仪上测试;紫外可见吸收(UV-Vis)光谱是在 Shimadzu UV-3600 UV-VIS-NIR 分光光度计上测试;荧光光谱(PL)是在 RF-5301 PC 荧光分光光度计上测得;所有的紫外和荧光实验数据都是在室温条件下进行的;GC-MS 是在 Shimadzu GC-MS-QP 2010 Plus 质谱仪上测定;聚合物的凝胶渗透色谱分析(GPC)是用 Shim-pack GPC-80X 柱测试,其中四氢呋喃作为洗脱液,聚苯乙烯作为标准;透射电子显微镜(TEM)图像是用 JEOL JEM-2100 透射电子显微镜测试的,其中加速电压 100 Kv,样品滴在聚醋酸甲基乙烯酯-石墨烯包覆的铜网上,并在空气中干燥后用于成像;纳米粒子的水合粒径是用动态光散射(DLS)在 90 Plus 粒径分析仪(Brookhaven 仪器)上测试;单光子紫外可见光是用 380 nm(100 mW cm-2)Xe-900 氙灯激发的;双光子实验是用 Ti:sapphire 激光器(Mai Tai HP)把波长调到 800 nm(80 W cm-2),脉冲宽度 100 fs,重复频率 80 MHz 实现的;荧光寿命是用 Edinburgh FLSP920 瞬态荧光仪上测得,用半导体激光器作为激发光源;双光子吸收截面是用 Z-scan 技术测得[94]。

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第三章  近红外光响应纳米载体的制备及其光控 siRNA 释放与 1O2产生 .......................... 50

3.1  引言 ......................................... 50

3.2  实验部分 ............................................ 51

第四章  近红外光响应纳米载体用于细胞与活体中的协同治疗 ............................... 70

4.1 引言 ................................. 70

4.2 实验部分 ...................................... 71

第五章  近红外光响应纳米载体用于 NO 和 1O2协同释放的光动力治疗 ...................... 89

5.1 引言 .................................. 89

5.2 实验部分 .............................. 90


第五章 近红外光响应纳米载体用于 NO 和 1O2协同释放的光动力治疗


5.1 引言

光控产生毒性的单线态氧用于光动力治疗,由于它本身的较小侵略性,以及较高的时空分辨率近年来在肿瘤治疗中受到广泛关注[148-151]。光动力治疗主要是利用光敏剂在合适的光源激发条件下将能量转移给三线态的氧气分子产生单线态氧,破坏细胞内的器官或血管从而杀死细胞[152]。使用光作为激发源可以克服光敏剂本身定位精度和灵敏度的不足,并且,我们可以通过调节光源的辐照功率和辐照时间