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夏幼南团队AM:天然脂肪酸混合物也能用于近红外药物控释

按需释放的“智能”药物控释系统近年来发展迅猛,这些系统可以在各种刺激作用下(如光、温度、超声、pH、机械应力及生物分子等)快速释放药物。其中的光控系统极具吸引力,光刺激可远程控制,同时具有较高的时空分辨率,近红外光(NIR)还具有较强的组织穿透能力,在药物控释领域应用广泛。但是目前的NIR控释系统的材料多采用合成高分子,合成过程复杂,材料在体内难降解,具有一定细胞毒性,因此临床转化之路困难重重。


天然脂肪酸价格低廉,化学稳定性和生物相容性都很不错,而且不少还可以在一定温度下完成固液可逆转变(举个例子:排骨汤在冰箱里放一夜之后,表层的油花就凝固成白花花的一片了),因此有望成为理想的温敏药物控释材料。此前,基于天然脂肪酸的药物控释系统多采用单一组分,温敏性质不够优异,容易导致药物暴释。通过研究这些天然脂肪酸,来自美国佐治亚理工学院夏幼南(Younan Xia)教授(点击查看介绍)研究团队发现了一种天然脂肪酸共熔混合物可以作为NIR刺激响应性药物控释系统的门控分子,可以在NIR作用下迅速响应,促进纳米药物快速释放药物杀伤癌细胞。相关研究成果于近日发表在Advanced Materials上,第一作者为Chunlei Zhu博士。

Chunlei Zhu博士(左)和夏幼南教授(右)。图片来源:Georgia Institute of Technology


作者通过实验发现月桂酸(熔点44 ℃)和硬脂酸(熔点69 ℃)按照4/1(w/w)混合形成的混合物熔点只有39 ℃(图2A),是一种与人体正常生理温度接近的相变材料(PCM)。同时,这两种天然脂肪酸不仅可降解、生物相容性良好,还可以增加高密度脂蛋白含量、降低低密度脂蛋白含量,有助于降低动脉粥样硬化风险,因此也是安全的药物递送材料。

图1. 载药纳米颗粒及其NIR刺激释放药物示意图。图片来源:Adv. Mater.


作者通过纳米沉淀法制备了两种脂肪酸混合物的纳米颗粒,其中包载了抗癌药物阿霉素(DOX)和NIR光敏分子IR780。该纳米颗粒(DOX/IR780 NP)的粒径在60 nm至110 nm之间,药物包载量分别为2.3±0.1%(DOX)和2.8±0.2%(IR780)。

图2. PCM及其纳米颗粒表征。图片来源:Adv. Mater.


随后作者对DOX/IR780 NP的光热效应进行了检测。通过对DOX/IR780 NP进行NIR光照(808 nm/0.4 W cm-2),作者发现DOX/IR780 NP可以迅速升高溶液温度,5 min内可将温度从20 ℃升高至43 ℃,显著高于游离IR780。作者分析可能原因是纳米颗粒增加了IR780的溶解性。同时,纳米颗粒包载还可以显著增加IR780的光稳定性,3次光照循环后,DOX/IR780 NP产生的温度变化都还高于游离IR780首次光照造成的温度变化。通过活性氧族(ROS)指示剂DCFH,作者发现NIR光照确实可以促进DOX/IR780 NP产生ROS,但是可能由于纳米颗粒的屏蔽效应,其产生ROS的量小于游离IR780。同时NIR可以迅速促进DOX/IR780 NP释放DOX,光照8 min就可以释放14%的DOX。

图3. DOX/IR780纳米颗粒的光热效应。图片来源:Adv. Mater.


接下来作者研究了DOX/IR780 NP在细胞内的药物释放行为。他们将DOX/IR780 NP 与A549人非小细胞肺癌细胞共同孵育3 h,采用激光共聚焦显微镜观察发现DOX/IR780 NP与溶酶体定位在一起,这表明DOX/IR780 NP通过内涵-溶酶体途径进入细胞。当作者采用NIR激光照射4 min后,发现DOX开始离开溶酶体进入细胞质,同时还有一些DOX开始出现在细胞核附近,当照射8 min后,DOX在细胞质中的分布更加均匀,进一步分析发现照射4 min和8 min后,细胞核和细胞质的平均荧光强度比值分别增加了2.8和5.9倍,这表明大量DOX从溶酶体逃逸进入细胞质并进入细胞核发挥作用。而没有包载IR780的纳米颗粒在光照前后DOX的分布没有明显的变化。

图4. DOX/IR780纳米颗粒被癌细胞摄取并在NIR刺激下释放药物。图片来源:Adv. Mater.


最后,作者通过细胞活性实验探索了NIR对DOX/IR780 NP抗癌效果的影响。他们发现在不进行NIR处理时,DOX/IR780 NP对细胞的毒性依赖于浓度。单独光照或者是只包载DOX的纳米颗粒并没有显著细胞毒性。当采用NIR(0.2 W cm-2)光照8 min后,DOX/IR780 NP对癌细胞的杀伤能力显著增强。没有进行光照的情况下,有60%的细胞存活;当IR780的浓度为2 μg mL-1时,光照处理后仅有约6%的细胞存活。此外,只包载IR780的颗粒在光照下也有显著细胞毒性,可使67%的细胞死亡。对比DOX/IR780 NP光照引起的约90%细胞死亡,细胞毒性的增加要归因于NIR触发的DOX释放。也就是说,所观察到的DOX/IR780 NP细胞毒性是一种复合作用:DOX释放的抗癌作用以及IR780的光热作用。

图5. 有无NIR光照条件下,DOX/IR780纳米颗粒增强对肿瘤细胞的杀伤效果。图片来源:Adv. Mater.


——总结——


夏幼南教授团队发现了一种基于天然脂肪酸共熔混合物的新型温敏型药物控释纳米颗粒,包载光敏分子后可以通过光热效应将近红外光转化为热量,升高局部温度,从而导致脂肪酸混合物发生相变,导致药物的快速释放,显著增强纳米药物的癌细胞杀伤能力。同时,由于各组分都是天然物质或者FDA批准的人工合成高分子,因此纳米颗粒本身具有较好的安全性和生物相容性。当然,这种纳米药物在体内的抗癌疗效和安全性还需进一步深入研究。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

A Eutectic Mixture of Natural Fatty Acids Can Serve as the Gating Material for Near-Infrared-Triggered Drug Release

Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201703702


导师介绍

夏幼南

http://www.x-mol.com/university/faculty/345


(本文由瀚海供稿)


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