一种光激发结合细胞铁死亡诱导的仿生药物载体及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及靶向载体，具体涉及一种光激发结合细胞铁死亡诱导的仿生药物载体及其制备方法和应用。

背景技术

肿瘤已成为威胁人类身体健康的头号“杀手”。不论年龄、性别、社会地位等，癌症都直接或者间接地影响着人类的生活，它已经不只是个人的健康问题，同时还是家庭、社会一直密切关注的社会性问题。因此针对肿瘤细胞的研究一直是近来科学研究中的热点。

铁死亡是新近发现的一种调节性细胞死亡形式，与传统的坏死、凋亡、焦亡等细胞死亡程序不同，铁死亡是铁离子依赖性且致死性高的脂质过氧化物蓄积所引起的细胞死亡程序。铁死亡的发生可以由两类小分子物质诱发：第一类诱导剂，如Erastin、柳氮磺胺吡啶、丁硫氨酸亚砜亚胺等可以通过抑制胱氨酸-谷氨酸转运体(Xc-)，减少胞内谷胱甘肽含量，从而引发细胞氧化还原失衡；第二类诱导剂，如Ras选择性致死化合物可以直接抑制谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPx4)活性，并最终导致脂质过氧化物蓄积诱发铁死亡程序。此外，铁死亡也可以由索拉菲尼、青蒿素及其衍生物等其他药物诱发。如公开号为CN110279697A的中国专利公开了一种铁死亡诱导剂在治疗或缓解过敏性气道炎症药物中的应用；如公开号为CN111265510A的中国专利公开了铁死亡抑制剂在制备治疗急性肝损伤药物中的应用。

目前铁死亡的调控信号通路并未完全阐明，但有研究发现甲羟戊酸信号通路、转硫途径以及热激蛋白(heat shock protein，HSP)F1-B1信号可能在铁死亡途径中扮演重要角色。越来越多研究表明，这种新发现的调节性死亡程序—铁死亡可能密切参与哺乳动物生理和病理进程，特别是在肿瘤、神经性、老年化、代谢异常性疾病等疾病的发生发展过程中发挥重要作用。

铁死亡发生时并不会引起细胞凋亡发生时的染色质浓缩，坏死发生时的包膜完整性破坏以及自噬发生期间形成的双层膜泡自噬小体等细胞死亡特征。然而，铁死亡启动时的超微形态学特征主要表现为细胞膜断裂和出泡，线粒体变小、膜密度增高、线粒体脊减少或消失、外膜断裂，细胞核大小正常、无染色质凝聚等。同时铁死亡发生时线粒体及内质网中可见大量铁离子分布。

然而与其他化疗药物比，铁死亡诱导剂仍然面临着靶向作用率不足，肿瘤部位有效成分不高的难题。因此，如何提高铁死亡诱导剂的作用效果是目前本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光激发结合细胞铁死亡诱导的仿生药物载体，提高了铁死亡诱导剂双氢青蒿素的铁死亡诱导效果，既解决了双氢青蒿素肿瘤部位分布不均的问题，而且通过与具有光热转换性的过渡金属-单宁酸的网状结构结合，在激光照射下具有光激发性质，表面修饰的细胞膜提高了仿生药物载体的靶向性和生物相容性，具有良好的抑制肿瘤细胞生长和免疫系统逃脱效果。

本发明提供的技术方案为：

一种光激发结合细胞铁死亡诱导的仿生药物载体，所述仿生药物载体从外到内依次包括细胞膜、过渡金属与单宁酸网状结构、线粒体靶向的沸石咪唑类骨架和包埋于沸石咪唑类骨架中的细胞铁死亡诱导剂双氢青蒿素。

本发明还提供一种如上述的光激发结合细胞铁死亡诱导的仿生药物载体的制备方法，包括如下步骤：

1)通过原位包埋将双氢青蒿素(DHA)封装在沸石咪唑类骨架(ZIF-90)内，得到双氢青蒿素-沸石咪唑类骨架载体DHA@ZIF-90；

2)过渡金属与单宁酸对双氢青蒿素-沸石咪唑类骨架载体进行表面刻蚀和包覆，得到过渡金属-单宁酸网状结构包覆的双氢青蒿素-沸石咪唑类骨架载体DHA@ZIF-90-M-TA；其中，M表示过渡金属，TA表示单宁酸；

3)从生物体中提取的细胞膜对过渡金属-单宁酸网状结构包覆的双氢青蒿素-沸石咪唑类骨架载体进行包裹，得到负载双氢青蒿素的光激发结合细胞铁死亡诱导的仿生药物载体CM/DHA@ZIF-90-M-TA；其中，CM表示细胞膜。

其中，在步骤2)中过渡金属与单宁酸交联生成网状结构；步骤3)中细胞膜通过挤出的方式对过渡金属-单宁酸网状结构包覆的双氢青蒿素-沸石咪唑类骨架载体进行包裹。

所述细胞膜选自肿瘤细胞膜、红细胞膜、血小板膜或白细胞膜。

本发明制备的光激发与铁死亡诱导结合的仿生药物载体中双氢青蒿素的负载量可以高达30-45％，提高了药物的利用率和药效。

作为优选，所述制备方法包括：

1)醋酸锌、双氢青蒿素、2-咪唑甲醛在N，N-二甲基甲酰胺中通过自组装生成双氢青蒿素-沸石咪唑类骨架载体，并使双氢青蒿素负载率达到30-45％；

2)先使用单宁酸与双氢青蒿素-沸石咪唑类骨架载体搅拌，离心洗涤之后加入过渡金属盐溶液，反应一段时间后，离心洗涤烘干，得到过渡金属-单宁酸网状包覆的双氢青蒿素-沸石咪唑类骨架载体；

3)抽取小鼠新鲜血液离心纯化抑制红细胞与血小板成分中的蛋白功能，通过反复冻融法得到细胞膜碎片；通过挤压法得到细胞膜包裹的仿生纳米药物载体。

在步骤1)中醋酸锌与双氢青蒿素反应形成配位化合物；配位化合物与2-咪唑甲醛反应得到双氢青蒿素-沸石咪唑类骨架载体。

作为优选，所述步骤1)中醋酸锌与双氢青蒿素分别配制成N，N-二甲基甲酰胺溶液，室温下混合后得到配位化合物体系；配位化合物体系中加入2-咪唑甲醛的N，N-二甲基甲酰胺溶液室温下混合，离心清洗干燥后，得到双氢青蒿素-沸石咪唑类骨架载体。

进一步优选，所述混合是指搅拌1-5h；所述双氢青蒿素、醋酸锌和N，N-二甲基甲酰胺的投料比为1mg：1-5mg：0.1-1ml；进一步优选，所述混合是指搅拌1-10min；所述2-咪唑甲醛与N，N-二甲基甲酰胺的投料比为2-5g:0.5ml。

将含有双氢青蒿素-沸石咪唑类骨架载体的N，N-二甲基甲酰胺溶液加入5-20ml的N，N-二甲基甲酰胺溶液，离心洗涤室温下干燥。

作为优选，所述步骤1)中双氢青蒿素、醋酸锌与2-咪唑甲醛的质量比为1:1-5:1-5。

作为优选，所述步骤2)中将单宁酸溶解于去离子水中，加入双氢青蒿素-沸石咪唑类骨架载体室温下搅拌5-10min，离心清洗干燥后，得到表面刻蚀的双氢青蒿素-沸石咪唑类骨架。进一步优选，单宁酸与去离子水的投料比为25-50mg:5ml。

将金属盐FeCl

作为优选，所述步骤3)中通过眼眶取血得到小鼠的新鲜血液，随后经过梯度离心分别得到红细胞、白细胞、血小板。将其溶于PBS溶液中，通过挤出的方式将细胞膜包裹在金属-有机网状结构双氢青蒿素-沸石咪唑类骨架载体的外面、进一步优选，细胞膜碎片与过渡金属-单宁酸网状包覆的双氢青蒿素-沸石咪唑类骨架载体的投料质量比为1:1-5。

本发明还提供一种如上述的光激发结合细胞铁死亡诱导的仿生药物载体在制备抑制肿瘤细胞增殖药物中的应用。

本发明中通过原位包埋将双氢青蒿素(DHA)封装在沸石咪唑类骨架(ZIF-90)内，得到DHA@ZIF-90纳米粒子，再通过过渡金属盐溶液(Fe、Mn或者Cu)与单宁酸(TA)在沸石咪唑类骨架表面形成网状结构，得到DHA@ZIF-90-M-TA纳米粒子，最后将生物体中提取的细胞膜通过挤出的方式包裹DHA@ZIF-90-M-TA，得到CM/DHA@ZIF-90-M-TA纳米粒子。双氢青蒿素(Dihydroartemisinin)，为青蒿素的衍生物，对疟原虫红内期有强大且快速的杀灭作用，能迅速控制临床发作及症状。近年来的研究发现双氢青蒿素能够抑制白血病、结肠癌、前列腺癌和乳腺癌等肿瘤细胞的增殖，并且能够选择性杀死肿瘤组织而不损伤正常的组织和细胞，具有靶向性。双氢青蒿素抗肿瘤的机制包括促进凋亡、阻滞周期、抑制新生血管生成和依赖于铁离子的死亡。双氢青蒿素依赖于铁离子的细胞毒性作用与铁死亡具有相关性。沸石咪唑类骨架ZIF-90对于双氢青蒿素在体内的输送具有保护和靶向引导作用，能够降低双氢青蒿素在正常组织部位的损失，从而提高了双氢青蒿素在线粒体内的靶向聚集；其次，过渡金属与单宁酸在沸石咪唑骨架载体的表面形成的网状空间结构，使其具有光热转换性；当过渡金属为Fe时，可以通过被单宁酸还原，补充了大量Fe

针对铁死亡发生时线粒体发生极大的形态变化，本发明选择了一种线粒体靶向的沸石咪唑类骨架。它是一类具有类似无机沸石结构的金属有机框架MOFs材料，兼具沸石和MOFs两者的优点，如超高表面积、永久微孔、高结晶度、良好的稳定性等。ZIF-90作为ZIFs的一种，具有pH和ATP响应性，能够在弱酸性的肿瘤部位及其中高ATP含量的线粒体内降解，而在中性的体内运输中保持结构的稳定，使药物能够较完整地释放于肿瘤部位，提高药效。

过渡金属与单宁酸反应得到的金属网状结构不仅具有较高的光热转化效率，同时其组成物过渡金属如Fe

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明中沸石咪唑类骨架可提高双氢青蒿素诱导肿瘤细胞铁死亡的效果，能够靶向输送双氢青蒿素至肿瘤细胞中的线粒体中，从而增加了双氢青蒿素在肿瘤细胞内的聚集，为提高双氢青蒿素的铁死亡诱导效果，建立双氢青蒿素的靶向输送系统及减少器官毒性打下坚实的基础。

(2)本发明中过渡金属-单宁酸网状结构，具有较低的细胞毒性、较高的光热转换效率、良好的水溶液分散性、以及单宁酸的还原性可参与Fe

(3)本发明中采用细胞膜修饰在药物载体的表面，从而使其具有针对癌细胞的靶向性和逃脱免疫系统拦截的生物相容性，不仅能够使其到达肿瘤细胞部位，释放双氢青蒿素来诱导肿瘤细胞的铁死亡，又能保护正常细胞的生长，提高生物体内纳米药物的有效作用浓度，对肿瘤细胞具有很好的抑制作用和疗效。

附图说明

图1为DHA的紫外光谱图；

图2为DHA的紫外吸收标准曲线图；

图3为DHA@ZIF-90的紫外光谱图；

图4为ZIF-90的紫外光谱图；

图5为实施例1中制备的DHA@ZIF-90-Fe-TA的紫外光谱图；

图6为DHA的红外光谱图；

图7为ZIF-90的红外光谱图；

图8为DHA@ZIF-90的红外光谱图；

图9为实施例1中制备的DHA@ZIF-90-Fe-TA的红外光谱图；

图10为ZIF-90的透射电镜图；

图11为实施例1中制备的DHA@ZIF-90的透射电镜图；

图12为实施例1中制备的DHA@ZIF-90-Fe-TA的透射电镜图；

图13为ZIF-90抑制胰腺癌细胞SW1990的增值抑制率结果图；

图14为DHA抑制胰腺癌细胞SW1990的增值抑制率结果图；

图15为DHA@ZIF-90抑制胰腺癌细胞SW1990的增值抑制率结果图；

图16为808nm激光照射后的DHA@ZIF-90-Fe-TA抑制胰腺癌细胞SW1990的增值抑制率结果图；

图17为无808nm激光照射后的DHA@ZIF-90-Fe-TA抑制胰腺癌细胞SW1990的增值抑制率结果图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：制备CM/DHA@ZIF-90-Fe-TA

(1)将10mg双氢青蒿素溶于2ml N，N-二甲基甲酰胺与43.8mg的醋酸锌溶于2ml的N，N-二甲基甲酰胺溶液混合，室温下搅拌2h，利用醋酸锌的锌离子和双氢青蒿素形成配位键；

(2)将38.6mg 2-咪唑甲醛溶于2ml N，N-二甲基甲酰胺，70℃下搅拌至完全溶解；

(3)将以上两种溶液混合，搅拌反应5min，向其中再加入10ml N，N-二甲基甲酰胺，继续搅拌20min，在12000rmp的转速下离心15min，再分别用N，N-二甲基甲酰胺和乙醇洗涤三遍洗去未反应的试剂，室温干燥，即得到DHA@ZIF-90载体；

(4)将50mg单宁酸溶入5ml去离子水；

(5)加入100mg DHA@ZIF-90载体，超声震荡均匀，室温下搅拌5min；

(6)向以上溶液加入3mL FeCl

(7)对10只Balb/c小鼠进行眼眶取血，梯度离心得到血小板溶液，通过挤出的方法将血小板膜包裹在DHA@ZIF-90-Fe-TA载体表面，得到CM/DHA@ZIF-90-Fe-TA载体。该载体中双氢青蒿素的负载量高达35％。

实施例2：制备CM/DHA@ZIF-90-Fe-TA

(1)将50mg双氢青蒿素溶于4ml N，N-二甲基甲酰胺与43.8mg的醋酸锌溶于2ml的N，N-二甲基甲酰胺溶液混合，室温下搅拌2h，利用醋酸锌的锌离子和双氢青蒿素形成配位键；

(2)将200mg 2-咪唑甲醛溶于100ml N，N-二甲基甲酰胺，70℃下搅拌至完全溶解；

(3)将以上两种溶液混合，搅拌反应10min，向其中再加入10ml N，N-二甲基甲酰胺，继续搅拌20min，在12000rmp的转速下离心15min，再分别用N，N-二甲基甲酰胺和乙醇洗涤三遍洗去未反应的试剂，室温干燥，即得到DHA@ZIF-90载体；

(4)将100mg单宁酸溶入5ml去离子水；

(5)加入100mg DHA@ZIF-90载体，超声震荡均匀，室温下搅拌5min；

(6)向以上溶液加入6mL FeCl3(24mM)，超声震荡均匀，室温下搅拌20min，离心洗涤除去未反应的Fe

(7)对20只Balb/c小鼠进行眼眶取血，梯度离心得到血小板溶液，通过挤出的方法将血小板膜包裹在DHA@ZIF-90-Fe-TA载体表面，得到CM/DHA@ZIF-90-Fe-TA载体。该载体中双氢青蒿素的负载量高达42％。

实施例3：制备CM/DHA@ZIF-90-Fe-TA

(1)将200mg双氢青蒿素溶于10ml N，N-二甲基甲酰胺与300mg的醋酸锌溶于10ml的N，N-二甲基甲酰胺溶液混合，室温下搅拌2h，利用醋酸锌的锌离子和双氢青蒿素形成配位键；

(2)将200mg 2-咪唑甲醛溶于10ml N，N-二甲基甲酰胺，70℃下搅拌至完全溶解；

(3)将以上两种溶液混合，搅拌反应5min，向其中再加入10ml N，N-二甲基甲酰胺，继续搅拌20min，在12000rmp的转速下离心15min，再分别用N，N-二甲基甲酰胺和乙醇洗涤三遍洗去未反应的试剂，室温干燥，即得到DHA@ZIF-90载体；

(4)将200mg单宁酸溶入5ml去离子水；

(5)加入100mg DHA@ZIF-90载体，超声震荡均匀，室温下搅拌5min；

(6)向以上溶液加入10mL FeCl

(7)对40只Balb/c小鼠进行眼眶取血，梯度离心得到血小板溶液，通过挤出的方法将血小板膜包裹在DHA@ZIF-90-Fe-TA载体表面，得到CM/DHA@ZIF-90-Fe-TA。该载体中双氢青蒿素的负载量高达45％。

实施例4：DHA@ZIF-90-Fe-TA抑制肿瘤细胞生长的实验

将ZIF-90、DHA、DHA@ZIF-90、实施例3中制备得到的DHA@ZIF-90-Fe-TA进行紫外灯灭菌处理，分别溶于超纯水，并定容于50mL容量瓶中，配制成浓度为200μg/mL的溶液。采用浓度梯度逐级稀释法用DMEM培养基将ZIF-90、DHA、DHA@ZIF-90、DHA@ZIF-90-Fe-TA溶液稀释到所需浓度(0.1，0.5，1，2，5，10，15，20μg/ml)。

(1)取对数期生长的SW1990细胞，用0.25％胰蛋白酶消化单层细胞制成单细胞悬浮液(培养基：DMEM+10％FCS)，在96孔板的细胞测试孔中加入100μL细胞悬液，1×10

(2)用移液枪吸出96孔板内的培养基，将200μL含有不同浓度ZIF-90、DHA、DHA@ZIF-90、DHA@ZIF-90-Fe-TA的培养基加入测试孔中，空白对照组分别加入相应的无血清培养基和无菌水。所有对照组及待检测组均平行5次。继续将细胞培养在CO

(3)弃去培养基，每孔分别加入100μL 0.5mg/mL的MTT溶液，继续在CO

(4)翻板弃去上清液，每孔加入100μL DMSO。在震荡器上震荡5min后，采用酶标仪于570nm波长处测溶液吸光度OD值；

根据下式计算细胞在不同表面活性剂溶液中的成活率(V)：

V＝(A-A

其中：

V是细胞的存活率(％)；

A是经待测药物溶液培养后细胞的OD值；

A

A

细胞增值抑制结果图如图14～17所示，图13为ZIF-90对SW1990的增值抑制效果图；图14为DHA对SW1990的增值抑制效果图；图15为DHA@ZIF-90对SW1990的增值抑制效果图；图16为808nm激光照射后的DHA@ZIF-90-Fe-TA对SW1990的增值抑制效果图；图17为无808nm激光照射后的DHA@ZIF-90-Fe-TA对SW1990的增值抑制效果图。以上结果显示，DHA被包埋于ZIF-90后，大大提高了其对胰腺癌细胞SW1990的增值抑制作用。同时，在808激光的照射下，DHA@ZIF-90-Fe-TA对SW1990的增值抑制作用大于无激光照射的同等情况下。说明，光激光下DHA@ZIF-90-Fe-TA通过诱导细胞铁死亡能够有效抑制肿瘤细胞增殖。

表征试验1：紫外光谱检测

将干燥后的CM/DHA@ZIF-90-Fe-TA(实施例1中制备)、DHA、DHA@ZIF-90、ZIF-90、DHA@ZIF-90-Fe-TA溶解于PBS缓冲溶液中，测试其上清液的紫外光谱。

紫外图谱(UV/vis)分别如附图1～5所示，图1为DHA的紫外光谱图，图2为DHA的紫外标准吸收图，图3为DHA@ZIF-90的紫外光谱图，图4为ZIF-90的紫外光谱图，图5为实施例1中制备的DHA@ZIF-90-Fe-TA的紫外光谱图。

双氢青蒿素在268nm的特征吸收峰并没有出现在DHA@ZIF-90的紫外光谱图中，同时ZIF-90的特征吸收峰出现在了DHA@ZIF-90和DHA@ZIF-90-Fe-TA紫外光谱图中。这说明，在DHA@ZIF-90-Fe-TA的结构中，DHA被包埋在了ZIF-90内部。

表征试验2：红外光谱检测

(1)将CM/DHA@ZIF-90-Fe-TA(实施例1中制备)、DHA、DHA@ZIF-90、ZIF-90、DHA@ZIF-90-Fe-TA(实施例1中制备)进行干燥处理，然后放入研钵中，加入适量并略多于待测药品质量的KBr，研磨均匀使混合物研磨到粒度小于2μm，以免散射光影响，之后放入干燥机中进行干燥处理，在油压机上用40MPa左右的压力将混合物压成透明薄片，上机测定；

(2)红外图谱(FTIR)分别如附图6～9所示，图6为DHA的红外光谱图；图7为ZIF-90的红外光谱图；图8为DHA@ZIF-90的红外光谱图；图9为实施例1中制备的DHA@ZIF-90-Fe-TA的红外光谱图。

图7显示了ZIF-90中的特征基团-C＝C-在1570处的吸收峰和-N＝C-在1420处的吸收峰；图8上有特征吸收峰3400，代表醛基的吸收峰；合成后的图9在2700nm处没有吸收峰代表ZIF-90被Fe和单宁酸的网状结构包裹；且不存在图6中的特征吸收峰，是说明药物被包封在载体内部。

表征试验3：透射电镜检测

ZIF-90、DHA@ZIF-90(实施例1中制备)和DHA@ZIF-90-Fe-TA(实施例1中制备)的透射电镜图如附图10～12所示，图10为ZIF-90的透射电镜图；图11为实施例1中制备的DHA@ZIF-90的透射电镜图；图12为实施例1中制备的DHA@ZIF-90-Fe-TA的透射电镜图。

从透射电镜图中可以看出沸石咪唑类骨架为八面体，且大小在纳米级别；图10和图11相比可知，单独合成ZIF-90与负载药物后的ZIF-90，具有八面体晶型更为明显且出现空洞，说明是双氢青蒿素在ZIF-90内部形成了晶体结构缺陷。图12可见到清晰的外轮廓，证明是成功在ZIF-90表面包裹了Fe和单宁酸。