黑色素基靶向纳米药物用于乳腺癌的光热治疗

doi:10.7503/cjcu20230044

摘要/Abstract

摘要：

为提高小尺寸黑色素纳米颗粒(MNP)在肿瘤部位的靶向效应, 设计合成了一种在肿瘤微酸性环境下可降解的羟基磷灰石杂化介孔氧化硅(MSN/HAP)对其进行负载, 结合RGD导向肽构建了一种新型靶向纳米药物(MAN/HAP-MNP-RGD)，用于小鼠乳腺癌的多模态成像和光热治疗. 对纳米颗粒进行了理化性能、细胞和活体实验. 结果表明, 颗粒尺寸约为60 nm, MNP的负载量为37.7%, 在微酸性环境中呈现较好的降解性, 且纳米颗粒的光热转化效率(η)高达40.29%. 细胞实验结果也证明了纳米颗粒的高效摄取和对细胞的光热杀伤效果. 此外, 光声成像和磁共振成像结果表明, 纳米颗粒在肿瘤部位表现出更高的累积和更长时间的滞留. 活体实验结果证明, MAN/HAP-MNP-RGD具有最佳的治疗效果且具有很高的生物安全性, 展现出潜在的应用前景.

关键词: 羟基磷灰石杂化介孔氧化硅, 黑色素纳米颗粒, 光声成像, 磁共振成像, 光热治疗

Abstract:

To improve the targeting effect of small-sized melanin nanoparticles（MNP） at tumor sites， a hydroxyapatite hybrid mesoporous silica（MSN/HAP）， which is degradable in tumor micro-acidic environment， was designed and synthesized for loading， and a novel highly targeted nanodrug（MAN/HAP-MNP-RGD） was constructed in combination with RGD-directed peptide for multimodal imaging and photothermal therapy of mouse breast cancer. The physicochemical properties of nanoparticles， cellular and invivo experiments were examined and the results showed that the final particle size was approximately 60 nm， the loading of MNP was 37.7%， the nanoparticles showed good degradability in a slightly acidic environment， and the photothermal conversion efficiency of the nanoparticles was 40.29%. In addition， the results of photoacoustic imaging and magnetic resonance imaging showed that the nano- particles showed higher accumulation and longer retention time at the tumor site. Finally， the in vivo experiments demonstrated that MAN/HAP-MNP-RGD has the best therapeutic effect and high biosafety， showing potential applications.

Key words: Hydroxyapatite hybrid mesoporous silica, Melanin nanoparticle, Photoacoustic imaging, Magnetic resonance imaging, Photothermal therapy

中图分类号:

O613.72

TrendMD:

孙菁华, 郭春燕, 董杰, 张瑞平. 黑色素基靶向纳米药物用于乳腺癌的光热治疗. 高等学校化学学报, 2023, 44(8): 20230044.

SUN Jinghua, GUO Chunyan, DONG Jie, ZHANG Ruiping. Melanin-based Targeted Nanodrugs for Photothermal Therapy of Breast Cancer. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(8): 20230044.

图/表 14

Fig.1 TEM images of calcined MSN/HAP(A) and the final MSN/HAP⁃MNP⁃RGD(B)

Fig.2 UV⁃Vis absorbance spectra (A) and FTIR spectra (B) of MNP⁃PEG, MSN/HAP, MSN/HAP⁃MNP and MSN/HAP⁃MNP⁃RGD

Fig.3 TG curves of MSN/HAP and MSN/HAP⁃MNP

Fig.4 TEM images of MSN/HAP⁃MNP⁃RGD nanoparticles degraded at pH of 7.4(A), 6.5(B) and 5.5(C) for 12 h

Fig.5 Concentration⁃dependent thermal infrared images(A) and temperature variations(B) of MSN/HAP⁃MNP⁃RGD solutions within 5 min under 808 nm laser irradiation(1 W/cm2)

Fig.6 Laser power densities⁃dependent thermal infrared images(A) and temperature variations(B) of MSN/HAP⁃MNP⁃RGD solutions within 5 min under 808 nm laser irradiation(100 μg/mL)

Fig.7 Photothermal stability of MSN/HAP⁃MNP⁃RGD solution(100 μg/mL) in DI water upon irradiation for five cycles(808 nm, 1 W/cm2)

Fig.8 Heating and cooling curves of MSN/HAP⁃MNP⁃RGD solution(100 μg/mL) measured with irradiation of 808 nm laser(1 W/cm2)/(A) and the linear time data and -lnθ acquired from the cooling period(B)

Fig.9 Cytotoxicity of MNP, MSN/HAP, MSN/HAP⁃MNP and MSN/HAP⁃MNP⁃RGD against 4T1 cells with respect to their concentrationsThe data are shown as mean ± standard deviation（SD）. Error bars represent standard deviation（n=6）； *P<0.05， **P<0.01， ***P<0.001.

Fig.10 Representative flow cytometric analysis of 4T1 cells incubation with FITC⁃labeled MSN/HAP⁃MNP(A—D) and MSN/HAP⁃MNP⁃RGD(E—H) nanoparticles at 100 μg/mL for 0 h(A, E), 1 h(B, F), 3 h(C, G) and 6 h(D, H)

Fig.11 Fluorescence images of Calcein AM/PI⁃stained 4T1 cells incubated with PBS, MNP, MSN/HAP, MSN/HAP⁃MNP and MSN/HAP⁃MNP⁃RGD without laser or with laser treatments

Fig.12 PA and MR imaging invivoPA images（A） and MR images（B） of tumor sites at different time points after intravenous injection of MNP-Mn and MSN/HAP-MNP-Mn-RGD；（C） quantitative results of PA signals at different time points in tumor sites， the data are shown as mean ± standard deviation（SD）， error bars represent standard deviation（n=3）， *P<0.05， **P<0.01， ***P<0.001；（D） quantitative results of MR signals at different time points in tumor sites， the data are shown as mean ± standard deviation（SD）， error bars represent standard deviation（n=3）， *P<0.05， **P<0.01， ***P<0.001.

Fig.13 Photothermal therapy in vivo and anti⁃tumor ability（A） Whole-body photothermal images of tumor-bearing nude mice；（B） temperature variation curves；（C） tumor growth curves；（D） photographs of tumors removed after 14 days of treatment；（E） representative photographs of tumor-bearing mice；（F） body weight curves of mice；（G） H&E stained and TUNEL stained images of tumors（scale bar=100 µm） after treated with PBS， MSN/HAP， MNP， MSN/HAP-MNP or MSN/HAP-MNP-RGD following by an 808 nm laser irradiation within 5 min.

Fig.14 Haematological and histological analysis（A） Tail vein high dose injection of the same volume of nanoprobe and PBS in healthy mice to examine their liver function ALT and AST；（B） kidney function of blood creatinine SCr；（C） blood urea nitrogen BUN， the data are shown as mean±standard deviation（SD）， error bars represent standard deviation（n=3）， *P<0.05， **P<0.01， ***P<0.001；（D） H&E stained images of major organs of mice. （A—C） a. PBS; b. MSN/HAP; c. MSN; d. MSN/HAP⁃MNP; e. MSN/HAP⁃MNP⁃RGD.

参考文献 25

1	Jain V.， Kumar H.， Anod H. V.， Chand P.， Gupta N. V.， Dey S.， Kesharwani S. S.， J. Control. Release， 2020， 326， 628—647
2	Chowdhury P.， Ghosh U.， Samanta K.， Jaggi M.， Chauhan S. C.， Yallapu M. M.， Bioact. Mater.， 2021， 6（10）， 3269—3287
3	Lim E. K.， Kim T.， Paik S.， Haam S.， Huh Y. M.， Lee K.， Chem. Rev.， 2015， 115（1）， 327—394
4	Zou Q. L.， Bao J. W.， Yan X. H.， Small Methods， 2022， 6（4）， 2101359
5	Liao W.， Du Y.， Zhang C. H.， Pan F. W.， Yao Y.， Zhang T.， Peng Q.， Acta Biomater.， 2019， 86， 1—14
6	Xing R. R.， Zou Q. L.， Yuan C. Q.， Zhao L. Y.， Chang R.， Yan X. H.， Adv. Mater.， 2019， 31（16）， 1900822
7	Liu H.， Yang Y. Y.， Liu Y.， Pan J. J.， Wang J. Q.， Man F. Y.， Zhang W. G.， Liu G.， Adv. Sci.， 2020， 7（7）， 1903129
8	Marcovici I.， Coricovac D.， Pinzaru I.， Macasoi I. G.， Popescu R.， Chioibas R.， Zupko I.， Dehelean C. A.， Cancers， 2022， 14（7）， 1838
9	Xu W.， Sun J. H.， Li L. P.， Peng X. Y.， Zhang R. P.， Wang B. Q.， Biomater. Sci.， 2017， 6（1）， 207—215
10	Sun J. H.， Li X. Y.， Chen A. Q.， Cai W. W.， Peng X. Y.， Li L. P.， Fan B.， Wang L. J.， Zhang H. H.， Zhang R. P.， Int. J. Nanomed.， 2019， 14， 9893—9904
11	Chen A. Q.， Sun J. H.， Liu S. J.， Li L. P.， Peng X. Y.， Ma L. X.， Zhang R. P.， Biomater. Sci.， 2020， 8（1）， 379—390
12	Sun J. H.， Li L. P.， Cai W. W.， Chen A. Q.， Zhang R. P.， ACS Appl. Bio. Mater.， 2021， 4（6）， 5312—5323
13	Zhang P. J.， Yue Y. Y.， Pan D. H.， Yang R. L.， Xu Y. P.， Wang L. Z.， Yan J. J.， Li X. T.， Yang M.， Nucl. Med. Biol.， 2016， 43（9）， 529—533
14	Xia L.， Meng X. X.， Wen L.， Zhou N. N.， Liu T. L.， Xu X. X.， Wang F.， Cheng Z.， Yang Z.， Zhu H.， Small， 2021， 17（21）， 2100378
15	Fan B.， Yang X.， Li X. Y.， Lv S. X.， Zhang H. H.， Sun J. H.， Li L. P.， Wang L. J.， Qu B. T.， Peng X. Y.， Zhang R. P.， Nanoscale， 2019， 11（13）， 6285—6296
16	Sun J. H.， Xu W.， Li L. P.， Fan B.， Peng X. Y.， Qu B. T.， Wang L. J.， Li T. T.， Li S. J.， Zhang R. P.， Nanoscale， 2018， 10（22）， 10584—10595
17	Sun Q. H.， Zhou Z. X.， Qiu N. S.， Shen Y. Q.， Adv. Mater.， 2017， 29（14）， 1606628
18	Dolai J.， Mandal K.， Jana N. R.， ACS Appl. Nano Mater.， 2021， 4（7）， 6471—6496
19	Singh R. K.， Patel K. D.， Leong K. W.， Kim H. W.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2017， 9（12）， 10309—10337
20	Shao D.， Zhang F.， Chen F. M.， Zheng X.， Hu H. Z.， Yang C.， Tu Z. X.， Wang Z.， Chang Z. M.， Lu J. N.， Li T. Y.， Zhang Y.， Chen L.， Leong K. W.， Dong W. F.， Adv. Mater.， 2020， 32（50）， 2004385
21	Hao X. H.， Hu X. X.， Zhang C. M.， Chen S. Z.， Li Z. H.， Yang X. J.， Liu H. F.， Jia G.， Liu D. D.， Ge K.， Liang X. J.， Zhang J. C.， ACS Nano， 2015， 9（10）， 9614—9625
22	Gajbhiye K. R.， Gajbhiye V.， Siddiqui I. A.， Gajbhiye J. M.， J. Drug Target.， 2019， 27（2）， 111—124
23	Xu L. H.， Tong G. H.， Song Q. L.， Zhu C. Y.， Zhang H. L.， Shi J. J.， Zhang Z. Z.， ACS Nano， 2018， 12（7）， 6806—6818
24	Zheng P.， Ding B. B.， Shi R.， Jiang Z. Y.， Xu W. G.， Li G.， Ding J. X.， Chen X. S.， Adv. Mater.， 2021， 33（15）， 2007426
25	Jiang Y. P.， Meng W.， Wu L. J.， Shao K.， Wang L. L.， Ding M. C.， Shi J. S.， Kong X. Y.， Adv. Healthc. Mater.， 2021， 10（19）， 2100789

[1]	徐若韬, 王强, 鲍庆嘉, 王伟宇, 张志, 刘朝阳, 徐君, 邓风. γ -Al₂O₃颗粒溶液浸润过程的原位磁共振成像[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(4): 20220587.
[2]	刘树威, 晋皓, 尹万忠, 张皓. 用于卵巢癌化疗-光热联合治疗的吉西他滨/聚吡咯复合纳米粒子[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220345.
[3]	王雪丽, 宋相伟, 解颜宁, 杜妮阳, 王振新. 部分还原氧化石墨烯的制备、表征及对人宫颈癌HeLa细胞的体外杀伤作用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210595.
[4]	姚善昆, 丁伟忠, 吴延平, 陈韵聪, 郭子建. 硫代部花菁类染料生物成像及诊疗的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220568.
[5]	李奥, 李凌轩, 左翠翠, 陈传凯, 樊一凡, 步逸凡, 林泓域, 高锦豪. 基于硼酸酯的¹⁹F磁共振分子探针的设计合成及活体深组织活性氧物种的激活响应成像[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220545.
[6]	陈尚钰, 沈清明, 孙鹏飞, 范曲立. 小分子基温敏聚合物纳米粒子的制备及在近红外二区荧光成像与光热治疗中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220392.
[7]	陆峰, 贡祎, 赵婷, 赵宁, 琚雯雯, 范曲立, 黄维. 二元混合表面活性剂用于窄吸收金纳米棒的无种子合成[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 700.
[8]	邬丰任,刘永佳,陆学民,朱邦尚. 聚多巴胺修饰金纳米花的可控制备及在光热治疗中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(3): 465.
[9]	邵伟, LEE Jiyoung, 李方园, 凌代舜. 有机小分子纳米粒子的光学诊疗应用[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(11): 2356.
[10]	张书鹏, 程友星, 任磊, 文凯, 吕晓林, 叶社房, 周樨. 不同形貌普鲁士蓝纳米粒子的合成及光热性能[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(2): 359.
[11]	宋文植, 李慧, 张艳, 何丹, 李英姿, 黄臻臻, 刘新, 尹万忠. 具有近红外光热转换性能的双层氧化硅包覆金纳米花复合材料的制备及体内代谢研究[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(12): 2644.
[12]	王娟, 周兵, 王欣欣, 吴秀娟, 厉婷, 张文科, 刘亢丁. Fe₃O₄纳米粒子与慢病毒载体共同感染内皮祖细胞的促血管新生和MRI示踪的应用[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(6): 1148.
[13]	孔祥权, 严刚, 邝淼, 容建华. 还原氧化石墨烯-硫化铜纳米复合材料的制备及在癌症热疗中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(1): 1.
[14]	刘瑞清, 梁爽, 江存, 徐祖顺, 徐海波. 温度和pH敏感高分子含钆核磁共振成像造影剂的合成及性能[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(1): 155.
[15]	刘宇炜, 郭卓. 聚多巴胺-阿霉素纳米颗粒对癌细胞的化疗-光热治疗协同作用[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(7): 1389.