一种铁改性包封抗肿瘤药物的ZIF8纳米颗粒及其制备方法和应用

本发明涉及医药，具体涉及一种铁改性包封抗肿瘤药物的zif8纳米颗粒及其制备方法和应用。

背景技术：

1、开发精准化治疗剂是肿瘤治疗的一大难点。传统化疗药物由于对癌细胞的选择性差，导致在实施化疗时，会大量杀死正常细胞，产生显著副作用。这限制了癌症化疗治疗剂的应用。近些年来，随着对肿瘤生化特性研究的深入，我们对肿瘤组织微环境的认知变得更加清晰，如：肿瘤组织相较正常组织表现为弱酸环境；由于warburg效应肿瘤组织相较正常组织乳酸含量高，且呈严重乏氧；肿瘤细胞过氧化氢高表达等特性。这些肿瘤组织微环境的特点，为新一代基于肿瘤组织微环境响应的精准化治疗剂开发提供了思路。

2、化学动力学疗法(chemodynamic therapy，cdt)随之出现，是一类基于肿瘤内源性化学产物转化反应的新型肿瘤治疗技术，即利用肿瘤微环境激活芬顿反应(类芬顿反应)，将弱氧化性的h2o2催化转化成强氧化性的羟基自由基，用于肿瘤特异性治疗。化学动力学疗法的本质是催化，材料在肿瘤组织酸响应释放的催化性金属离子(如fe2+,mn2+等)或具有催化性能的纳米酶，能够催化肿瘤细胞高表达的过氧化氢成为强细胞毒性的羟基自由基，实现肿瘤杀伤。而对于正常组织中的细胞，因为ph不适且过氧化氢浓度不足，不会有严重影响。

3、酸响应性药物载体携带响应性化疗药物也是一个重要发展方向。使用能够酸响应降解的材料，来携带化疗药物定域在肿瘤组织释放，能够减少直接静脉注射化疗药物的毒性。

4、沸石咪唑酯骨架材料zif8是一种咪唑基的金属有机框架(mofs)材料，其金属部分为zn2+离子，有机连接剂为2-甲基咪唑。zif8具备酸响应降解特性，在酸性条件下该材料的结构会发生坍塌，释放mof孔道中装载的药物。因其水相相对稳定，生物安全性较好，近些年广受关注，作为一种药物载体被应用于诸多领域，例如，zif-8纳米材料已经被报道用于各种不同模式的肿瘤治疗，包括化疗、光动力治疗、光热治疗、化学动力治疗、声动力治疗、饥饿治疗等。目前zif-8负载药物的常规方式是先合成zif-8再利用该材料的多孔性加载药物，但是该方式对一些药物存在药物突释问题。另外，zn2+本身催化活性的缺失使得zif8材料不具备明显过氧化氢催化活性。

5、基于上述背景，如果通过对zif8材料进行改性修饰，使纳米颗粒具备催化肿瘤组织中过表达过氧化氢的能力，则纳米颗粒整体将有可能展现出良好的针对肿瘤微环境响应的化疗和化学动力学疗法治疗能力，有效解决传统药物精准性不足的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于通过工艺设计在zif8材料中加载抗肿瘤药物避免药物突释问题，通过元素改性赋予纳米颗粒过氧化物酶活性，使纳米颗粒能实现酸、乏氧响应的化疗与化学动力学疗法作用。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供了一种铁改性包封抗肿瘤药物的zif8纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将氢氧化锌重悬于含有抗肿瘤药物的甲醇溶液中，得到重悬液；

5、(2)将2-甲基咪唑甲醇溶液滴加到所述重悬液中反应，制得包封抗肿瘤药物的zif8纳米颗粒；

6、(3)将包封抗肿瘤药物的zif8纳米颗粒重悬于甲醇中，在非氧气氛保护下，加入fe2+盐甲醇溶液反应，制得所述的铁改性包封抗肿瘤药物的zif8纳米颗粒。

7、本发明在制备纳米颗粒时，先将zn前驱体制备成氢氧化锌来负载抗肿瘤药物，然后向基体中加入2-甲基咪唑，搅拌反应得到包封抗肿瘤药物的zif8纳米颗粒。该方法制备的金属有机框架纳米颗粒有着良好的酸响应药物释放能力，避免了用通常方式合成zif8再搅拌加载抗肿瘤药物存在的药物突释问题。进一步的，使用fe2+替换zif8中部分外层的zn2+，得到铁改性包封抗肿瘤药物的zif8纳米颗粒，fe元素的引入赋予了纳米颗粒过氧化物酶活性，使所制备的纳米颗粒在化学动力学疗法中有着良好应用潜力。

8、本发明中采用甲醇作为溶剂，研究表明，相较于其他有机溶剂例如dmso、乙醇，在甲醇溶剂体系中更有助于所述纳米颗粒的形成。

9、步骤(1)中，将zn前驱体制备成氢氧化锌，将氢氧化锌重悬于含有抗肿瘤药物的甲醇溶液中，搅拌制得重悬液。

10、进一步的，将zn前驱体溶解在水中，加入过量氢氧化钠，使zn2+完全转变为zn(oh)2，离心得到zn(oh)2；所述zn前驱体为zn2+盐，可以为但不限于zncl2、znso4、zn(no3)2中的任意一种。

11、所述抗肿瘤药物可以为但不限于乏氧响应的化疗药物，具体的可选用替拉扎明(tpz)，该药物在乏氧条件下会转变成为强毒性的苯并三嗪基(btz)，实现乏氧响应性细胞毒性增强。本发明采用zif8纳米颗粒携带tpz，赋予其酸性响应、乏氧增强的化疗能力。

12、进一步的，氢氧化锌重悬于含有抗肿瘤药物的甲醇溶液中，以200-600rpm搅拌至少5分钟。通过搅拌使得氢氧化锌分散溶液中同时让抗肿瘤药物与其充分接触。

13、步骤(2)中，将2-甲基咪唑甲醇溶液滴加到步骤(1)制备的重悬液中进行反应，锌离子和有机配体2-甲基咪唑通过配位作用组装形成沸石咪唑骨架结构，可观察到反应溶液转变成橙红色，离心收集沉淀，甲醇洗涤后制得包载药物的zif8纳米颗粒。

14、进一步的，zn(oh)2与2-甲基咪唑的摩尔比为0.02-0.05：1；反应时间为5-10分钟。在200-600rpm条件下搅拌5-10分钟。

15、步骤(3)中，在非氧气氛保护下，利用与2-甲基咪唑亲和性更强的fe2+来替换部分zif8中的zn2+，实现fe改性。

16、所述非氧气氛可以为但不限于氮气。

17、进一步的，fe2+盐以fe2+计与包封抗肿瘤药物的zif8纳米颗粒的质量比为1：10-20；在200-600rpm条件下向纳米颗粒甲醇溶液中加入fe2+盐甲醇溶液；反应条件为室温，反应时间为2-5分钟。

18、所述fe2+盐可以为但不限于fecl2、fe(no3)2、feso4。

19、本发明提供了一种由所述制备方法制得的铁改性包封抗肿瘤药物的zif8纳米颗粒。

20、本发明还提供了所述铁改性包封抗肿瘤药物的zif8纳米颗粒在制备肿瘤治疗药物中的应用。

21、研究表明，本发明提供的铁改性包封抗肿瘤药物的zif8纳米颗粒具有显著的酸响应药物释放特性，且表现出酸性激发的过氧化酶活性，可以定域在肿瘤酸性微环境中释放出化疗药物发挥其化疗作用，同时催化肿瘤细胞高表达的过氧化氢成为强细胞毒性的羟基自由基发挥其化学动力学治疗作用，共同实现肿瘤杀伤。

22、进一步的，所述肿瘤为实体肿瘤。所述实体肿瘤可以为但不限于乳腺癌、胰腺癌、肝癌、结肠癌等。

23、本发明的另一个目的是提供一种生物杂化材料，所述生物杂化材料由所述的铁改性包封抗肿瘤药物的zif8纳米颗粒与分泌乳酸氧化酶的微生物复合而成。

24、乳酸氧化酶是一种生物源的酶，能够催化乳酸或乳酸盐氧化成为过氧化氢，同时实现耗氧和过氧化氢生产。本发明基于部分微生物能够生产乳酸氧化酶的特点，将上述铁改性包封抗肿瘤药物的zif8纳米颗粒与这类微生物结合，利用微生物生产的乳酸氧化酶，耗氧催化肿瘤组织过量乳酸产生过氧化氢，提高肿瘤微环境中乏氧和过氧化氢水平，可以进一步加强纳米材料的肿瘤治疗作用。

25、本发明研究表明，zif8纳米颗粒与微生物复合后对微生物形成氧化压力降低其增殖活性，显著提升了生物安全性，但是复合过程不影响微生物本身的代谢功能，所述生物杂化材料表现出了显著的抗肿瘤性能。

26、所述分泌乳酸氧化酶的微生物可以采用现有报道的具有乳酸氧化酶分泌功能且可应用于机体的天然微生物或人工构建菌株。

27、进一步的，所述分泌乳酸氧化酶的微生物可以为参照申请号2022116167019的专利文献记载的方法构建的低氧诱导分泌乳酸氧化酶的大肠杆菌工程菌。

28、进一步的，所述生物杂化材料的制备方法包括：向铁改性包封抗肿瘤药物的zif8纳米颗粒甲醇溶液中加入γ聚谷氨酸水溶液，搅拌后离心收集产物；再向产物中加入含有1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(edc)和n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)的水溶液进行活化，离心后收集活化产物；然后加入含有分泌乳酸氧化酶的微生物的水溶液中，反应制得所述生物杂化材料。

29、上述制备方法中，首先在铁改性包封抗肿瘤药物的zif8纳米颗粒表面包裹γ聚谷氨酸(γ-pga)，再利用nhs/edc对γ-pga进行活化，然后基于酰胺化反应将纳米颗粒与分泌乳酸氧化酶的微生物复合。

30、进一步的，将50-100mg铁改性包封抗肿瘤药物的zif8纳米颗粒溶于10-20ml甲醇中，在500rpm的搅拌条件下加入1ml 10mg/ml的γ-pga水溶液，继续搅拌3-5min后离心收集产物。随后，向5-10mg产物中加入2ml含有20-30mg 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺和5-15mg n-羟基琥珀酰亚胺的水溶液，以180rpm的速率震荡3-5分钟，随后离心，使用去离子水洗涤、离心1遍后，加入1-2ml 5×107cfu/ml的分泌乳酸氧化酶的微生物水溶液，继续震荡5-10分钟，得到所述生物杂化材料。

31、进一步的，所述zif8纳米颗粒中包封抗肿瘤药物为乏氧响应化疗药物替拉扎明。

32、本发明还提供了所述的生物杂化材料在制备肿瘤治疗药物中的应用。

33、本发明研究表明，在乏氧环境中所述生物杂化材料在极低作用浓度下对肿瘤细胞产生强杀伤作用。生产乳酸氧化酶的微生物与铁改性zif8纳米颗粒协同作用实现肿瘤杀伤功能。

34、本发明具备的有益效果：

35、(1)本发明通过工艺改进在zif8材料中加载抗肿瘤化疗药物，具体的，首先制备氢氧化锌来负载化疗药物，再加入2-甲基咪唑反应制备包封化疗药物的zif8纳米颗粒。该纳米颗粒有着良好的酸响应药物释放能力，避免了先合成zif8再搅拌加载药物存在的突释问题；进一步的，通过铁元素改性赋予该纳米颗粒过氧化物酶活性，使纳米颗粒能实现酸、乏氧响应的化疗与化学动力学疗法。

36、(2)与普通的癌症治疗用药物相比，本发明提供的纳米材料具有以下优点：(ⅰ)针对肿瘤的微环境特性，实现对肿瘤的精准化治疗；(ⅱ)在一个治疗平台上同时结合化学动力学疗法和化疗，使纳米颗粒表现出良好的肿瘤治疗效果；(ⅲ)基于功能设计将纳米颗粒与能够产生乳酸氧化酶的微生物联系起来，二者的复合体表现出了超强的非外场响应性精准肿瘤治疗能力。