孫啟睿,趙 楠,劉樹(shù)威,辛 華,張 皓,張樂(lè)寧
(1.吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院,長(zhǎng)春130012;2.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院胸外科,長(zhǎng)春130033)
2020年以來(lái),新冠病毒在全球瘋狂肆虐,現(xiàn)已造成近2.0億人感染,逾400萬(wàn)人死亡.除造成大量患者死亡外,肺纖維化作為重癥新冠肺炎的后遺癥之一,持續(xù)威脅患者生命.肺纖維化是一種進(jìn)行性、致命性的間質(zhì)性肺部疾病,其主要病理特征是成纖維細(xì)胞過(guò)度增殖、活化,細(xì)胞外基質(zhì)沉積增多,并伴有炎癥損傷和組織結(jié)構(gòu)破壞,最終導(dǎo)致患者肺功能喪失和呼吸衰竭死亡[1].肺纖維化患者的平均生存期僅為3~5年,死亡率高于大多數(shù)腫瘤.目前,肺纖維化的治療方法主要包括臨床常規(guī)療法、細(xì)胞因子及其抑制劑療法、抗氧化藥物、基因療法和肺移植等[2].其中,常規(guī)療法是使用甲強(qiáng)龍(MPS)等糖皮質(zhì)激素和環(huán)磷酰胺(CTX)等免疫抑制劑進(jìn)行聯(lián)合治療[3,4],由于具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)而易被廣大患者接受.雖然糖皮質(zhì)激素和免疫抑制劑聯(lián)合療法對(duì)肺纖維化有較好的療效,但該方法存在明顯的不良反應(yīng)[5].需要發(fā)展新的藥物遞送方法降低血液中藥物分子的濃度,同時(shí)提高藥物分子在病灶部位的富集量.
可穿戴磁性靶向技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種體外輔助控制藥物遞送方法,主要原理是在外加磁場(chǎng)作用下引導(dǎo)磁性納米載體藥物在目標(biāo)部位的富集,具有簡(jiǎn)便、無(wú)損傷、增加藥物滯留率及降低對(duì)正常組織毒副作用等優(yōu)點(diǎn)[6].作為磁性靶向技術(shù)的核心,磁性納米載體藥物的設(shè)計(jì)尤為重要,需要根據(jù)藥物分子的特性和治療機(jī)理,選擇適當(dāng)?shù)拇判约{米載體,建立合理的復(fù)合方法[7].Fe3O4納米材料是一種經(jīng)過(guò)美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局認(rèn)證的生物安全的超順磁性材料,具有低毒、低成本及高順磁性等特點(diǎn)[8].從納米載體藥物制備角度來(lái)看,納米尺寸的Fe3O4粒子便于和藥物分子進(jìn)行組合、裝配及修飾,是設(shè)計(jì)納米載體的首選[9].但Fe3O4納米粒子(Fe3O4NPs)的磁性與其尺寸大小密切相關(guān),粒子的尺寸越大磁性越強(qiáng)[10].因此,從提高磁靶向性能來(lái)看,制備納米載體時(shí),還需要將尺寸較小的Fe3O4NPs按照一定的方式在載體內(nèi)部進(jìn)行組裝,獲得Fe3O4超粒子(Fe3O4SPs)[11].此外,為了提高納米載體的生物相容性,通常需要在載體表面修飾生物相容的高分子材料.其中,聚多巴胺(PDA)是一種具有優(yōu)良表面吸附性、生物相容性和可降解性的高分子材料,可以在室溫、堿性條件下由多巴胺單體聚合獲得[12].由于性能優(yōu)異,PDA已經(jīng)被廣泛用于各種金屬、金屬氧化物及半導(dǎo)體納米粒子等的表面修飾[13],極大地促進(jìn)了各種納米粒子及納米載體的診療應(yīng)用.
基于磁性靶向治療肺纖維化的思路,本文設(shè)計(jì)了一種聚多巴胺包覆的Fe3O4納米粒子/甲強(qiáng)龍/環(huán)磷酰胺復(fù)合超粒子(Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs),研究了其制備方法、穩(wěn)定性、磁性、藥物負(fù)載及釋放,分析了其生物毒性,并建立動(dòng)物模型驗(yàn)證了其磁性靶向功能.
乙酰丙酮鐵(純度≥99.9%)、1,2-十六烷醇(純度90%)、十八烯(ODE,純度90%)、油酸(OA,純度90%)、油胺(OLA,純度70%)和鹽酸多巴胺(DA,99%)購(gòu)自美國(guó)Sigma-Aldrich公司;甲苯(分析純)購(gòu)自北京化工廠;無(wú)水乙醇(分析純)和正己烷(分析純)購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(京試);十二烷基硫酸鈉(SDS,化學(xué)純)購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(滬試);三羥甲基氨基甲烷(Tris,純度≥99.9%)和環(huán)磷酰胺(CTX,純度97%)購(gòu)自阿拉丁試劑有限公司;注射用甲潑尼龍琥珀酸鈉(40 mg/支)由美國(guó)輝瑞公司生產(chǎn);磷酸鹽緩沖溶液(PBS,粉劑)購(gòu)自北京鼎國(guó)昌盛生物技術(shù)有限責(zé)任公司;細(xì)胞實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)基采用索萊寶DMEM高糖培養(yǎng)基;血清采用Gemini胎牛血清(FBS);動(dòng)物實(shí)驗(yàn)采用遼寧長(zhǎng)生生物技術(shù)股份有限公司KM小鼠(雄性,28 d齡);所有試劑均直接使用,未做進(jìn)一步純化處理.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中配制樣品與洗滌樣品均使用無(wú)水乙醇和去離子水.
H-800型透射電子顯微鏡(TEM),日本Hitachi公司;Agilent technologies G7114A型高效液相色譜儀(HPLC),色譜條件:色譜柱采用Diamonsil C18(250 mm×4.6 mm,5 μm),流動(dòng)相為乙腈/水/3%冰醋酸水溶液(體積比為35/60/5)的混合物,檢測(cè)速度1.0 mL/min,檢測(cè)波長(zhǎng)195 nm,254 nm,柱溫20℃,進(jìn)樣量20 μL;UV-2600型紫外-可見(jiàn)吸收光譜儀(UV-Vis),日本島津公司;ZETA SIZER Nano-ZS型動(dòng)態(tài)光散射納米粒度儀(DLS),英國(guó)Malvern公司;VERTEX 80V型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR),德國(guó)布魯克公司;SQUID-MPMS-XL型磁性測(cè)量系統(tǒng)[磁場(chǎng)測(cè)試范圍-30~30 kOe(1 kOe=80 kA/m),測(cè)試溫度300 K];Q500型熱重分析儀(TGA),美國(guó)TA儀器公司;ICP-5000型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-OES),杭州聚光科技股份有限公司.
首先通過(guò)熱分解法制備OA修飾的Fe3O4NPs[14].將0.7064 g乙酰丙酮鐵、1.2922 g 1,2-十六烷醇、10 mL ODE、1.91 mL OA和1.975 mL OLA依次加入圓底三頸燒瓶中,抽真空后于氮?dú)獗Wo(hù)下攪拌15 min后再升溫至200℃并反應(yīng)30 min,然后以3℃/min的速率升溫至265℃并反應(yīng)30 min;待反應(yīng)溶液冷卻至室溫后加入40 mL無(wú)水乙醇洗滌,離心后的固體產(chǎn)物使用甲苯分散,得到OA修飾的Fe3O4NPs.
進(jìn)一步通過(guò)水包油的微乳液模板法制備Fe3O4SPs[15].將12.5 mL SDS水溶液(4 mg/mL)和4 mL Fe3O4NPs甲苯溶液(7 mg/mL)加入到三頸燒瓶中,置于超聲攪拌水浴加熱裝置中,室溫超聲攪拌10 min使甲苯溶液在水中均勻分散,再于56℃加熱至甲苯完全揮發(fā),得到Fe3O4SPs水溶液.
在室溫條件下,將10 mL Fe3O4SPs水溶液、2 mL DA水溶液(5.6 mg/mL)、10 mg CTX、10 mg甲潑尼龍琥珀酸鈉依次加入40 mL Tris(10 mmol/L,pH=8.5)水溶液中,置于搖床上于室溫下振蕩4.5 h后離心,即得到Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs復(fù)合超粒子.
在37℃、5%CO2條件下將人腸系膜下腔動(dòng)脈血管內(nèi)皮細(xì)胞(Ealy926細(xì)胞)以5000 cell/孔的密度接種在96孔板中,24 h后將Ealy926細(xì)胞與濃度分別為0,25,50,100,150,200 μg/mL的Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs共培養(yǎng);24 h后向每孔中加入10 μL CCK-8,繼續(xù)孵育2 h后使用酶標(biāo)儀測(cè)試450 nm處的光密度值,計(jì)算細(xì)胞的相對(duì)存活率.按照相同的實(shí)驗(yàn)方法考察Fe3O4@PDA SPs的細(xì)胞毒性.
本文所涉及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方案通過(guò)了吉林大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)倫理審查.KM小鼠體內(nèi)磁性靶向?qū)嶒?yàn)分為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組兩組,每組包含5只小鼠.在兩組實(shí)驗(yàn)中,小鼠的給藥方式和劑量相同,均為經(jīng)尾靜脈注射60 μL含有300 μg Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs的生理鹽水.對(duì)照組不穿戴磁性靶向設(shè)備,實(shí)驗(yàn)組穿戴磁性靶向設(shè)備;24 h后,對(duì)兩組小鼠進(jìn)行安樂(lè)死,解剖獲取小鼠肺臟,熱消解后,用去離子水稀釋;使用ICP-OES測(cè)試溶液中鐵離子含量,用于反映Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs在肺部的富集程度,驗(yàn)證磁性靶向效果.
制備Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs需要預(yù)先合成Fe3O4SPs.圖1(A)給出用于合成Fe3O4SPs的Fe3O4NPs的TEM照片和平均尺寸.從圖1(A)可以看出,F(xiàn)e3O4NPs為近球形粒子,尺寸分布較均一,平均直Fig.1 TEM images of Fe3O4NPs(A)and Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs(B)and DLS size distribution of Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs(C) Insets of(A)and(B):the corresponding TEM size distribution.
徑為5.1 nm.Fe3O4NPs表面修飾了OA,因此可分散在甲苯等疏水溶劑中[14].利用Fe3O4NPs疏水的特點(diǎn),通過(guò)構(gòu)筑水包油微乳液模板法合成了Fe3O4SPs.該方法將Fe3O4NPs甲苯溶液與水混合,并以SDS為穩(wěn)定劑,經(jīng)攪拌形成分散在水中的甲苯液滴,F(xiàn)e3O4NPs存在于甲苯相中.在持續(xù)攪拌下,于56℃蒸發(fā)體系中的甲苯后,得到SDS包覆的Fe3O4SPs.由于SDS包覆的Fe3O4SPs表面帶負(fù)電,帶正電的多巴胺單體能夠吸附在Fe3O4SPs表面,并進(jìn)一步在室溫堿性條件下發(fā)生聚合,得到Fe3O4@PDA SPs[16].在形成PDA殼層時(shí)引入甲潑尼龍琥珀酸鈉和CTX,得到Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs.圖1(B)為Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs的TEM照片,可以看到Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs的核由小粒子堆積而成,核的表面有平均厚度為6.8 nm的低襯度殼層,整體SPs的 平 均 直 徑 為79.5 nm.圖1(C)為Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs的DLS圖,其平均尺寸為86.7 nm,略大于TEM觀測(cè)到的尺寸,這是因?yàn)镈LS測(cè)得的是SPs在溶液中的水合直徑,而TEM觀察到的是干態(tài)條件下SPs的尺寸.需要說(shuō)明的是,本文使用水溶性更佳的甲潑尼龍琥珀酸鈉作為MPS的前藥,甲潑尼龍琥珀酸鈉遇水脫除琥珀酸鈉轉(zhuǎn)化為MPS,并以MPS的形式存在于Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs中.
圖2 給出各樣品的FTIR光譜圖.Fe3O4/MPS@PDA SPs和Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs Fig.2 FTIR spectra of MPS,CTX,Fe3O4@PDA SPs,Fe3O4/MPS@PDA SPs,Fe3O4/CTX@PDA SPs and Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs的譜 線在1655和1577 cm?1處出現(xiàn)MPS的特征峰,證明SPs中存在MPS.Fe3O4/CTX@PDA SPs和Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs的譜線在1130,977,950和894 cm?1處出現(xiàn)了CTX的特征峰,證明SPs中存在CTX.
圖3 (A)為300 K條件下,設(shè)定循環(huán)磁場(chǎng)強(qiáng)度為-30~30 kOe,通過(guò)磁性測(cè)量系統(tǒng)得到的Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs的M-H曲線.結(jié)果表明,該SPs展現(xiàn)出強(qiáng)的磁性能,其飽和磁化強(qiáng)度為42 A·m2/kg.M-H曲線沒(méi)有表現(xiàn)出剩磁或矯頑力,說(shuō)明Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs具有超順磁性.Zhang等[17]發(fā)現(xiàn),F(xiàn)e3O4SPs及Fe3O4@PDA SPs均為超順磁性材料,表明MPS和CTX的引入沒(méi)有改變SPs的超順磁特點(diǎn).圖3(B)示出了Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs在外加磁場(chǎng)引導(dǎo)下的富集行為,經(jīng)磁鐵吸引10 s后,該SPs全部被富集到磁鐵周圍.由于Fe3O4NPs組裝成了尺寸更大的SPs,集成效應(yīng)使其具有較強(qiáng)的磁性[10].該磁場(chǎng)引導(dǎo)下的富集過(guò)程是可逆的,撤去磁場(chǎng)并輕微晃動(dòng)后,SPs即可重新分散到溶液中.Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs在磁場(chǎng)引導(dǎo)下的富集行為為進(jìn)一步設(shè)計(jì)可穿戴磁裝置、實(shí)現(xiàn)磁性靶向治療肺纖維化提供了可能.
Fig.3 M?H curve of Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs(A)and photograph of the solution of Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs without and with a magnet(B)
Fig.4 Temporal evolution of the UV?Vis absorption spectra(A—C)and the corresponding solution photographs(D—F)of Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs at pH of 8.0(A,D),7.4(B,E),and 6.0(C,F)
Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs具有較好的穩(wěn)定性.由圖4(A)可見(jiàn),在pH=8.0的水溶液中放置3 d后,其吸收光譜基本未發(fā)生變化.圖4(D)為對(duì)應(yīng)溶液的照片,溶液的狀態(tài)和顏色均無(wú)改變.進(jìn)一步考察了Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs在生理鹽水、PBS、細(xì)胞培養(yǎng)基及含10%血清的細(xì)胞培養(yǎng)基中的穩(wěn)定性.由圖5可見(jiàn),放置3 d后,SPs會(huì)從生理鹽水和PBS溶液中沉淀,這是因?yàn)镕e3O4/MPS/CTX@PDA SPs靠靜電排斥力分散在水中,高的鹽濃度會(huì)減小Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs之間的斥力,引起其緩慢聚集.該沉淀經(jīng)振蕩后可重新分散,說(shuō)明聚集是可逆的,沒(méi)有破壞Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs的結(jié)構(gòu).該SPs在細(xì)胞培養(yǎng)液及血清中穩(wěn)定性良好,放置3 d后溶液沒(méi)有發(fā)生明顯變化.較好的穩(wěn)定性主要?dú)w結(jié)為PDA殼層的保護(hù)作用[18].
Fig.5 Photographs of Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs in saline,PBS,cell culture medium and cell culture medium with 10%FBs
肺部環(huán)境的pH值與人體體液的pH值范圍相同,為7.35~7.45.因此,本文考察了Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs在近中性和弱酸性條件下的穩(wěn)定性.圖4(B)和(C)分別為pH值為7.4和6.0時(shí)Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs隨時(shí)間變化的吸收光譜.在pH=7.4條件下放置1 d后,F(xiàn)e3O4/MPS/CTX@PDA SPs的吸收光譜強(qiáng)度產(chǎn)生下降,3 d后強(qiáng)度下降更顯著,說(shuō)明其發(fā)生了拆解.吸收光譜在pH=6.0條件下的變化比pH=7.4時(shí)更明顯,說(shuō)明酸性環(huán)境有利于Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs拆解.從圖4(E)和(F)對(duì)應(yīng)的溶液照片同樣觀察到明顯的顏色變淺,表明Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs在酸性條件下發(fā)生了拆解.Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs在弱堿性條件下穩(wěn)定、在近中性和弱酸性條件下易拆解的特點(diǎn)有利于MPS和CTX在肺部的釋放.
通過(guò)HPLC研究了Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs中MPS和CTX的負(fù)載率、包封率及釋放情況(圖6).由圖6(A)可見(jiàn),在HPLC結(jié)果中MPS對(duì)應(yīng)的保留時(shí)間為10.30 min,CTX對(duì)應(yīng)的保留時(shí)間為3.03 min.圖6(B)為MPS濃度對(duì)應(yīng)HPLC峰面積的標(biāo)準(zhǔn)曲線,圖6(C)為CTX濃度對(duì)應(yīng)HPLC峰面積的標(biāo)準(zhǔn)曲線.它們的標(biāo)準(zhǔn)曲線均呈線性,可以根據(jù)樣品實(shí)測(cè)的HPLC峰面積得到對(duì)應(yīng)的藥物濃度.其中,藥物負(fù)載率=(SPs中藥物質(zhì)量)÷(SPs質(zhì)量)×100%;藥物包封率=[1?(溶液中殘留藥物質(zhì)量÷藥物總質(zhì)量)]×100%.結(jié)合HPLC結(jié)果計(jì)算可知,F(xiàn)e3O4/MPS/CTX@PDA SPs中MPS和CTX的負(fù)載率分別為8.7%和6.3%,包封率分別為9.6%和6.8%.藥物的負(fù)載率和包封率均不高,這主要是由Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs的結(jié)構(gòu)決定的.該SPs由內(nèi)部疏水的Fe3O4SPs核和較親水的PDA殼層組成.MPS和CTX均為親水藥物,無(wú)法進(jìn)入Fe3O4SPs核,只能存在于PDA殼中.而PDA殼層厚度只有6.8 nm,無(wú)法負(fù)載更多的藥物.我們?cè)鴩L試在Fe3O4SPs核中負(fù)載MPS和CTX,但沒(méi)有成功,也驗(yàn)證了上述推測(cè).此外,通過(guò)TGA表征可知,F(xiàn)e3O4/MPS/CTX@PDA SPs中的有機(jī)物組分要小于40%,說(shuō)明PDA殼層中30%以上的有機(jī)組分為負(fù)載的MPS和CTX.這一負(fù)載率并不低.
模擬肺部pH=7.4和37℃環(huán)境,考察了藥物分子的釋放動(dòng)力學(xué).由圖6(D)可見(jiàn),CTX的釋放速率比MPS快.隨時(shí)間的延長(zhǎng),CTX和MPS兩種藥物的釋放率均逐漸增加.10 h后,CTX的釋放率為44.7%,MPS的釋放率為29.7%,符合對(duì)藥物釋放的基本要求.
Fig.6 HPLC characterization of Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs
通過(guò)比較Fe3O4@PDA SPs和Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs對(duì)Ealy926細(xì)胞存活率的影響考察了細(xì)胞毒性(圖7).由圖7(A)可見(jiàn),F(xiàn)e3O4@PDA SPs的毒性較低,濃度為200 μg/mL時(shí)細(xì)胞存活率仍達(dá)到89%.較低的毒性得益于生物相容的PDA的包覆有效避免了Fe3O4@PDA SPs核中有毒物質(zhì)的釋放[19].輕微的毒性主要來(lái)自制備Fe3O4@PDA SPs時(shí)引入的SDS[20].由圖7(B)可見(jiàn),F(xiàn)e3O4/MPS/CTX@PDA SPs的毒性也較低,濃度達(dá)到200 μg/mL時(shí)細(xì)胞存活率仍維持在85%以上.
Fig.7 Cell viability of Ealy926 cells treated with Fe3O4@PDA SPs(A)and Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs(B)
圖8 (A)和(B)為Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs用于可穿戴磁性靶向設(shè)備富集實(shí)驗(yàn)的照片,在設(shè)備與小鼠肺部對(duì)應(yīng)的位置加入了起磁性靶向作用的磁鐵.分別對(duì)未穿戴設(shè)備組和穿戴設(shè)備組的小鼠進(jìn)行尾靜脈注射Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs,24 h后取肺臟進(jìn)行Fe元素測(cè)定,并根據(jù)Fe元素計(jì)算SPs的肺部滯留率.發(fā)現(xiàn)穿戴設(shè)備組的肺部滯留率為9.81%ID/g(ID:inject dose),而未穿戴設(shè)備組的滯留率為8.93%ID/g[圖8(C)],證明Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs具有良好的磁性靶向肺部富集作用,對(duì)于磁性靶向治療肺纖維化具有潛在應(yīng)用價(jià)值.
Fig.8 Photographs of a mouse without(A)or with(B)magnetic dress to achieve magnetic targeting of Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs towards lungs and comparison of the retention of SPs in lungs without or with magnetic dress(C)
從調(diào)控油溶性Fe3O4NPs自組裝出發(fā),首先借助水包油微乳液模板法制備了Fe3O4SPs,并在包覆PDA殼層的過(guò)程中同時(shí)引入治療肺纖維化的藥物MPS和CTX,得到Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs.作為核的Fe3O4SPs賦予材料優(yōu)異的超順磁性,可以在外加磁場(chǎng)引導(dǎo)下發(fā)生富集.PDA殼層的引入一方面提高了材料的生物相容性,另一方面有利于負(fù)載MPS和CTX.Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs在模擬肺部pH值條件下可以釋放出MPS和CTX.體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs具有較低的生物毒性.可穿戴磁性靶向動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明Fe3O4/MPS/CTX@PDA SPs具有良好的磁性靶向肺部富集功能.本文提出了一種磁性靶向治療肺纖維化的策略,為解決目前臨床常規(guī)的MPS聯(lián)合CTX治療方案的毒副作用問(wèn)題提供了新思路.