近红外驱动的自供氧复合物及其制备方法与应用与流程

本发明涉及恶性乏氧肿瘤的光动力学治疗，具体地说是涉及一种近红外驱动的自供氧复合物及其制备方法与应用。

背景技术：

光动力学疗法（photodynamictherapy,pdt）是利用激光照射光敏剂产生的光化学反应来诊断或治疗肿瘤的新技术，其基本要素是氧、光敏剂和光。相比于传统的放、化疗，光动力学治疗具有选择性好、毒性低、创伤小、不易产生耐药性等诸多优点。经过20多年来的发展，抗肿瘤的光动力疗法已经日趋成熟。然而，由于光动力学治疗是氧依赖的，肿瘤的乏氧区成为光动力学治疗的盲区，严重限制了光动力学疗法对实体瘤的治疗效果。

临床上会用高压氧疗法（hyperbaricoxygentherapy,hbo）提高肿瘤乏氧组织的氧气的供应，然而，高压氧疗法会产生高氧惊厥和气压伤等毒副作用，严重限制了它的进一步应用。随着纳米技术的广泛发展，近年来一些研究者研发了基于全氟化碳、血红蛋白（hemoglobin，hb）、过氧化氢酶负载的纳米粒子以及mno2纳米粒子的新型产氧纳米材料，或者通过切断肿瘤细胞的氧气消耗途径，借以提高肿瘤乏氧区域的氧气浓度，从而提高光动力学疗法对乏氧肿瘤的治疗效率。

全氟化碳负载氧气的方法效率低，难以大幅度提高光动力学治疗效果，并且它本身具有毒性，高浓度的摄入会破坏心血管系统，对机体造成严重威胁；而由于肿瘤组织的过氧化氢浓度低，负载过氧化氢酶及基于mno2纳米粒子的方法无法充分反应来产生足够的氧气，因此，难以得到理想的光动力学治疗效果。

血红蛋白由于其良好的生物相容性和丰富的来源而成为重要的氧气供体。hb与o2的结合是可逆的，在氧分压较高时与氧气结合，在氧分压较低时又可以与氧气分离。然而，天然的无基质的血红蛋白不能直接作为血液代用品，这是因为血红蛋白在血浆中胶体渗透压高，四聚体在循环中的半衰期仅为2-4h，随后就迅速分解成二聚体和单体并从肾脏滤过。同时由于游离的血红蛋白四聚体分子及其分解产物能渗透血管内皮进入器官及组织间质，会引起严重的副作用。

此外，通过切断肿瘤细胞线粒体呼吸链来试图阻止氧气消耗量的这种方法，其机制复杂，且受药物自身浓度的限制，同样难以为光动力学疗法提供足够的氧气。

因此，光动力学治疗对肿瘤乏氧区无效是当前亟需解决的技术问题之一。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种近红外驱动的自供氧复合物。

本发明的目的之二是提供前述近红外驱动的自供氧复合物的制备方法。

本发明的目的之三是提供前述复合物在制备抗肿瘤药物中的应用。

本发明的目的之一是这样实现的：

近红外驱动的自供氧复合物，包括光敏剂、上转换纳米颗粒及载体蓝藻，所述光敏剂与所述上转换纳米颗粒负载于所述载体蓝藻上。

当施以近红外激发光照射时，所述上转换纳米颗粒会将其转换成若干段具有不同波长的激发光，其中，可见光部分供蓝藻吸收并产生大量的氧气，650~700nm处的激发光使得光敏剂在氧气存在下产生单线态氧。

所述光敏剂包括二氢卟吩e6（ce6）、叶绿素中的至少一种；优选地，所述光敏剂包括二氢卟吩e6（ce6）。

所述上转换纳米颗粒包括nayf4:yb,er、caf2:yb,er中的至少一种，优选地，所述上转换纳米颗粒包括nayf4:yb,er。

所述载体蓝藻呈棒状，长度为3μm左右，无鞭毛，通过蠕动与左右摆动维持其运动性；且蓝藻属于阴性菌；对420nm、630nm和680nm附近的光有较强的吸收。

所述激发光波长为980nm。

所述蓝藻、所述上转换纳米颗粒及所述光敏剂的比例为10⁸cfu:3mg/ml~10mg/ml:3mg/ml~10mg/ml。

所述近红外驱动的自供氧复合物是采用如下方法制得的：在所述上转换纳米颗粒上修饰第一连接基团，得到第一连接基团修饰的上转换纳米颗粒；将第一连接基团修饰的上转换纳米颗粒与活化后的光敏剂相连接，得到上转换纳米颗粒-光敏剂复合物；在上转换纳米颗粒-光敏剂复合物上修饰第二连接基团，并将上转换纳米颗粒-光敏剂复合物负载到载体蓝藻上，即可得到近红外驱动的自供氧复合物。

所述第一连接基团可以为本领域技术人员已知的常用连接基团，优选地其为氨基（-nh2）。

所述第二连接基团可以为本领域技术人员已知的常用连接基团，优选地其为二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺dspe。

具体地，将所述上转换纳米颗粒nayf4:yb,er与阿仑膦酸钠进行配体交换，在所述上转换纳米颗粒nayf4:yb,er上修饰第一连接基团-nh2，得到第一连接基团-nh2修饰的上转换纳米颗粒nayf4:yb,er；将其与活化后的光敏剂ce6连接，之后修饰第二连接基团dspe，并利用嵌插的方式将其负载到蓝藻上，得到最终的复合物s-ucnp-ce6。

本发明的目的之二是这样实现的：

一种近红外驱动的自供氧复合物的制备方法，包括如下步骤：

（a）在上转换纳米颗粒上修饰第一连接基团，得到第一连接基团修饰的上转换纳米颗粒；

（b）将第一连接基团修饰的上转换纳米颗粒与活化后的光敏剂相连接，得到上转换纳米颗粒-光敏剂复合物；

（c）在上转换纳米颗粒-光敏剂复合物上修饰第二连接基团，并将上转换纳米颗粒-光敏剂复合物负载到载体蓝藻上，即可得到近红外驱动的自供氧复合物。

步骤（a）中，所述第一连接基团可以为本领域技术人员已知的常用连接基团，优选地其为氨基（-nh2）。

步骤（b）中，所述第一连接基团修饰的上纳米颗粒与活化后的光敏剂的摩尔比为1:4~6，优选1:5。

步骤（c）中，所述第二连接基团可以为本领域技术人员已知的常用连接基团，优选地其为二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺dspe。

所述上转换纳米颗粒-光敏剂复合物与所述载体蓝藻的比例为3mg/ml~10mg/ml：10⁸cfu。

具体地，将所述上转换纳米颗粒nayf4:yb,er与阿仑膦酸钠进行配体交换，在所述上转换纳米颗粒nayf4:yb,er上修饰第一连接基团-nh2，得到第一连接基团-nh2修饰的上转换纳米颗粒nayf4:yb,er；将其与活化后的光敏剂ce6连接，得到上转换纳米颗粒-光敏剂复合物；之后在上转换纳米颗粒-光敏剂复合物上修饰第二连接基团dspe，并利用嵌插的方式将其负载到蓝藻上，得到最终的复合物s-ucnp-ce6。

本发明的目的之三是这样实现的：

近红外驱动的自供氧复合物在制备抗肿瘤药物或治疗肿瘤中的应用。

所述肿瘤包括恶性乏氧肿瘤，其可选自黑色素瘤、mgc-803或mcf-7。

本发明通过在载体蓝藻上负载光敏剂与上转换纳米颗粒，制得了经红外驱动的自供氧复合物。该复合物在循环光照下可以提供氧气。采用该复合物作为抗肿瘤药物用于光动力学治疗乏氧肿瘤，在乏氧条件下，该复合物在受到980nm激发光照射时也会持续有效的产生单线态氧，继而对癌细胞进行杀伤。该复合物对于机体具有较高的生物安全性，对于恶性黑色素瘤小鼠具有明显的光动力治疗效果，解决了光动力学治疗对肿瘤乏氧区无效的难题，为根治肿瘤提供新的科学依据，具有重要的科学意义。

附图说明

图1是蓝藻的tem图。

图2是蓝藻的sem图。

图3是蓝藻的紫外光谱图。

图4是上转换纳米颗粒ucnps的tem图。

图5是上转换纳米颗粒ucnps的荧光光谱图。

图6是复合物s-ucnp-ce6的tem图。

图7是复合物s-ucnp-ce6的荧光光谱图。

图8是复合物s-ucnp-ce6在胞外产生¹o2的效果图，其中，a为乏氧条件下，在980nm激发光照射不同时间后，s-ucnp-ce6溶液中abda的吸光度变化；b为乏氧条件下，在980nm激发光照射不同时间后，ucnp-ce6溶液中abda的吸光度变化；c为abda在401.5nm处的吸光度的变化折线图。

图9是复合物s-ucnp-ce6在胞内产生¹o2的效果图。

图10~13是复合物s-ucnp-ce6体内的光动力学治疗效果图，其中，图10为经过不同处理之后第0天、第7天、第14天时的荷瘤小鼠照片，图11~13分别为21天内各组小鼠的体重变化曲线、存活率曲线和肿瘤体积变化曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的阐述，下述实施例仅作为说明，并不以任何方式限制本发明的保护范围。

在下述实施例中未详细描述的过程和方法是本领域公知的常规方法，实施例中所用试剂均为分析纯或化学纯，且均可市购或通过本领域普通技术人员熟知的方法制备。下述实施例均实现了本发明的目的。

实施例1

本发明所用的蓝藻购自中科院淡水藻种库（拉丁种名：synechococcus7942，编号fachb-805，下文简称s），将事先准备好的50ml培养瓶灭菌处理，随后加入配置好的培养基（配置方法如下），购得的菌株在超净台中转移至锥形瓶中，用封瓶膜与牛皮纸密封瓶口以确保无菌培养。锥形瓶放置在光照培养箱内进行培养2-3天，培养温度为25℃，光照条件为1000-2000lux，时间设置为12h昼/12h夜。

bg-11培养基的配置方法：将0.15gnano3，0.004gk2hpo4，0.0075gmgso4•7h2o，0.0036gcacl2•7h2o，0.002gna2co3，0.006g柠檬酸，0.006g柠檬酸铁铵，0.0001gedta二钠，溶解至99ml三次水中，随后加入1ml微量元素（0.0286gh3bo4，0.0181gmncl2•4h2o，0.002gznso4，0.0039gna2moo4，0.0008gcuso4•5h2o，0.0005gco(no3)2•6h2o溶解至10ml三次水），最终用1m的naoh调节溶液ph约为7.0。将配置好的培养基于120℃条件下灭菌15分钟，冷却至室温后备用。

蓝藻的传代：经灭菌处理的锥形瓶中加入30ml事先准备好的新鲜的bg-11培养基，随后取5-10ml藻液加入锥形瓶中并分散均匀，在光照培养箱内培养20-30天。

蓝藻的冻存：待蓝藻繁殖一段时间之后，收取大量藻液。4000rpm离心5min进行富集，随后使用bg-11培养基在相同条件下对富集后的蓝藻洗涤三次。洗涤完成后将蓝藻离心浓缩，并按照藻液与80%甘油4：1的比例混合均匀，将混匀后的溶液转移至1.8ml冻存管中，置于-80℃冰箱中保存备用。

将蓝藻接种于新鲜的bg-11培养基中，在光照培养箱中培养7天后，以4000rpm离心5分钟，分离得到蓝藻。于2.5%戊二醛溶液中固定3小时，之后离心弃去上清，用pbs（phosphatebuffersaline）（ph=7）洗涤三次。再将所得蓝藻分散于pbs中，取出铜网滴样，待其干燥后，使用1%的磷钨酸复染3-5分钟，干燥待测，于透射电镜（transmissionelectronmicroscope，tem）下观察其形貌。所得透射电镜图如图1所示。

按上述tem制样方法，使用2.5%戊二醛固定并洗涤之后，将所得蓝藻进行梯度脱水处理。具体操作方法为：经洗涤处理后的蓝藻沉淀加入脱水所需的试剂并静止15分钟，随后进行离心处理收集蓝藻沉淀，重复上一步骤进行第二次脱水，直至所有试剂的脱水处理全部完成。其中，蓝藻脱水所需的试剂依次为30%，50%，70%，90%乙醇脱水各1次，100%乙醇脱水2次，50%叔丁醇+50%乙醇混合溶液脱水1次，100%叔丁醇脱水2次。脱水处理后的蓝藻重新均匀分散在在pbs中，取出硅片滴样，自然风干，于扫描电镜（scanningelectronmicroscope,sem）下观察其形貌。所得sem图如图2所示。

从图1~2的sem与tem图像中可以看出，蓝藻为棒状细菌，无鞭毛，长度大约为3µm。

将10⁸cfu蓝藻分散于4mlpbs中，用紫外-可见分光光度计检测其在300-900nm处的吸光度，所得紫外光谱图如图3所示。从图中可以看出，蓝藻在420nm，630nm和680nm附近有比较强的吸收峰，这与藻胆素和叶绿素的吸收峰相匹配，为其光合产氧提供了基础。

将蓝藻离心分离，并分散至pbs中，滴加1滴于载玻片上，使用63倍油镜，于共聚焦显微镜下观察蓝藻在620nm激发光下的荧光。蓝藻在620nm激发光下具有强烈的红色荧光，这一特点为其实现体内示踪提供了依据。

实施例2

采用下述方法合成近红外驱动的自供氧复合物s-ucnp-ce6。

（1）上转换纳米粒子（upconversionnanoparticles,ucnps）（nayf4:yb,er）的合成

分别称取0.205gycl3，0.056gybcl3，0.005gercl3于100ml三口烧瓶中，加入15ml十八烯和10ml油酸，三口瓶内抽至真空后充入n2。随后将溶液加热至150℃，并持续搅拌30min，反应完成后关闭加热，待温度降至50℃进行下一步操作。称取0.148gnh4f于7.5ml甲醇，0.1gnaoh于2.0ml甲醇，超声约30min，直至全部溶解。将溶解后的溶液混合并迅速投入上述三口烧瓶中，在50℃的条件下持续搅拌30min。随后升温至100℃，待烧瓶中没有气泡冒出时，再次抽真空，并与n2进行三次气体交换，最终使n2充满三口瓶。以10℃/min的速度升温至300℃，并保持1h。待溶液冷却至室温后，加入12ml无水乙醇，以11000rpm/min的转速离心15min，收集沉淀，并用乙醇洗涤三次。洗涤完毕后，将沉淀重新分散于10ml环己烷中备用。

（2）ucnps表面修饰-nh2

将50mg油酸包裹的ucnps分散到20ml氯仿中，再加入40ml含200mg阿仑膦酸钠的水溶液，超声2h，剧烈搅拌过夜。取上层水溶液离心，并用去离子水洗涤三次。

（3）ucnp-nh2表面负载二氢卟吩e6（chlorine6，ce6）

在二甲基亚砜（dimethylsulfoxide，dmso）中依次加入100μl20mm的ce6溶液、1mg1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（1-(3-dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimidehydro，edc）和0.6mgn-hydroxysuccinimide，nhs，避光搅拌1h，从而使ce6表面的羧基活化。随后在ucnp-nh2溶液中加入40μl活化后的ce6溶液，室温搅拌孵育过夜，使ce6负载在ucnps表面，即得ucnp-ce6。以11000rpm/min的转速离心15min收集沉淀，同时保留上清液，以最终确定ce6的负载量。收集的沉淀用pbs反复清洗后备用。

（4）ucnp-ce6表面修饰二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺（dspe）

称取2mgdspe-peg-nhs溶于1mlpbs中，随后将200μldspe-peg-nhs溶液加入ucnp-ce6溶液中，室温下搅拌过夜，即可得到dspe-ucnp-ce6溶液，冷冻干燥后备用。

（5）s-ucnp-ce6的合成

取100mg的dspe-ucnp-ce6分散到10mlpbs中，随后与10⁸cfu蓝藻藻液混匀，室温孵育过夜，即可得到s-ucnp-ce6溶液。4000rpm离心5min收集沉淀并反复洗涤3次.洗涤完成后收集沉淀并重新分散到pbs中留存备用。

对所合成的材料进行表征：

将合成的ucnps与s-ucnp-ce6均匀分散在pbs中，取出铜网滴样，同时使用1%的磷钨酸对s-ucnp-ce6进行复染。干燥后，在透射电子显微镜下观察其形貌。

将纯蓝藻分散于pbs中，合成的ucnp-ce6和s-ucnp-ce6分散于环己烷中，用荧光光谱仪检测它们在980nm激发下的发射光谱。

图4是所合成的上转换纳米颗粒ucnps的透射电镜图，从图中可以看出，上转换纳米颗粒ucnps为正方体或菱形结构。图5为上转换纳米颗粒ucnps的荧光光谱图，在980nm光激发下，ucnps在420nm有较微弱的发射荧光，在500-600nm及650-700nm有较强的发射荧光。420nm与500-600nm波长处的可见光可供蓝藻光合作用原位产生氧气，而650-700nm处的发射光可用于激发连接的光敏剂ce6产生单线态氧实现肿瘤的光动力学治疗。

图6~7为s-ucnp-ce6透射电镜图和荧光光谱图，证明所合成的ucnp-ce6成功负载于蓝藻上。

实施例3

近红外光照下s-ucnp-ce6胞外产生¹o2

将s-ucnp-ce6置入含25mlpbs溶液的50ml三口瓶中，使用双排管抽真空，并充入n2与co2的混合气体。以9,10-anthracenediyl-bis(methylene)-dimalonicacid（abda）为¹o2检测探针，在980nm激发器光照0min，2min，5min，10min，15min，20min时依次用长针头注射器抽取溶液，用紫外-可见分光光度计检测abda在300nm-450nm范围内其特征吸收峰的变化趋势，并与ucnp-ce6组作对比。

如图8所示，即使是在乏氧环境中，s-ucnp-ce6受到近红外光照之后也明显的产生了¹o2，然而ucnp-ce6中¹o2的浓度并无明显变化，证明蓝藻可产生氧气，并且在光敏剂作用下具有明显的产生¹o2的能力。

实施例4

近红外光照下s-ucnp-ce6胞内产生¹o2

吸取生长状态良好并且大小适中的多细胞肿瘤球（multicellulartumorspheroids,mctss）至5个15mm共聚焦培养皿中，每个培养皿中3-5个mctss。在上述培养皿中分别加入100µlpbs，10⁹cfu/ml蓝藻，ucnp-ce6和2份s-ucnp-ce6溶液，并依次命名为pbs、s-ucnp+l、ucnp-ce6+l、s-ucnp-ce6-l以及s-ucnp-ce6+l组（其中l表示light，980nm近红外激发光）。在37℃乏氧培养箱中孵育过夜，然后向各组中加入2',7'-二氯荧光黄双乙酸盐（2',7'-dichlorofluorescentyellowdiacetate，dcfh-da）（终浓度10×10^-6m）孵育30min。对于需要光照组，使用1.5w/cm²的980nm激发器照射5min，然后用pbs洗净肿瘤球，在共聚焦显微镜下观察各组dcf的荧光强度。

如图9所示，在980nm激发光照下，单纯的蓝藻（s-ucnp）无法产生¹o2，并且s-ucnp-ce6在没有980nm激发光照射下，同样不会产生¹o2，它们与pbs效果相近；而单纯的光敏剂（ucnp-ce6）在980nm激发光照下，仅在肿瘤球外沿细胞内产生了少量¹o2，这是由于缺少了蓝藻，无法在肿瘤球内产生氧气，导致光动力治疗效果较差。与此相反的是，s-ucnp-ce6在980nm激发光照下，即使是在乏氧的肿瘤球中，也产生了大量的¹o2。

实施例5

近红外光照下s-ucnp-ce6体内光动力学治疗效果评价

准备40只5周龄c57bl/6j雌性小鼠，在无菌环境下观察一周，确认其生长状态良好。对小鼠局部脱毛，并为其皮下注射5×10⁶个b16-f10细胞，大约一周后生长出体积约为80mm³的肿瘤。

将荷瘤小鼠随机分为5组（control组（注射生理盐水），s-ucnp+l组，ucnp-ce6+l组，s-ucnp-ce6–l组以及s-ucnp-ce6+l组），每组7只。均采用瘤内注射给药，注射量为4mg/kg药物（以ce6计算）或10⁹cfu蓝藻。s-ucnp+l组，ucnps-ce6+l组与s-ucnp-ce6+l组每天施以功率密度为1.5w/cm²的980nm近红外光照射5分钟，每2天测量肿瘤长度（l）、宽度（w）和小鼠体重并且为每只小鼠拍摄照片，以监测肿瘤生长情况。

如图10~13所示，图10为经过不同处理之后第0天、第7天、第14天时的荷瘤小鼠照片；图11~13分别为21天内各组小鼠的体重变化曲线、存活率曲线和肿瘤体积变化曲线。

通过分析可以看出，注射了生理盐水的control组与s-ucnp-ce6-l组的小鼠的瘤体积增长迅速，并且生长状态每况愈下，而s-ucnp-ce6+l组小鼠肿瘤的生长明显受到了抑制各组小鼠体重均稳定增长。但在治疗后期control组，ucnp-ce6+l组与s-ucnp-ce6-l组体重偏大，这是由于肿瘤未得到有效抑制而导致小鼠体重增加，这一结果与图13中的肿瘤体积变化曲线相对应（第14天时已经将近2cm³）；而s-ucnp+l组肿瘤体积总体比之前三组略小，是由于蓝藻光合作用产生的氧气缓解了肿瘤乏氧，加之细菌的注入刺激了机体的免疫反应所导致的；并且与其他组相比，s-ucnp-ce6+l组小鼠肿瘤体积最小，增长速度最缓慢。除此之外，在治疗期间，control组，s-ucnp+l组，ucnp-ce6+l组与s-ucnp-ce6-l组小鼠均出现了不同程度的死亡，而s-ucnp-ce6+l组小鼠直到治疗结束存活率仍为100%，证明在980nm近红外光照下，s-ucnp-ce6具有显著的抑瘤作用。