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胶质瘤是一组异质性中枢神经系统恶性肿瘤,虽然比较少见,但它们呈高致残率和高死亡率,严重威胁着人类健康。传统的治疗方法为手术后辅以放疗和/或化疗等综合治疗。现已明确化疗能延长一些胶质瘤患者的生存期,但效果仍不理想,迫切需要新的有效治疗方法。随着纳米科学与技术的迅猛发展,纳米材料在肿瘤诊断和治疗中显示出了极大的优势和巨大的应用潜力。目前,磁性纳米粒子(magneticnanoparticles,MNPs)诱导的肿瘤组织热疗是一种极具潜力的治疗手段,已在多种动物模型中被评估,并取得可喜的结果,目前已经进入Ⅰ期临床试验。同时金纳米粒子作为热疗用光敏感剂,可吸收近红外光(near-infrared,NIR)能量,迅速升温,也越来越受到学术界广泛的关注。本论文将核壳结构的Fe3O4@Au复合MNPs的研究应用扩展至胶质瘤热疗方向,主要研究内容如下:
第一部分:Fe3O4@Au复合磁性纳米粒子的制备及表征
[目的]:研究Fe3O4@Au复合MNPs的制备和表征,并探讨其工艺优化和热动力学特征,为临床应用提供理论和实验依据。
[方法]:采用化学共沉淀法制备Fe3O4MNPs,采用晶种生长法制备了Fe3O4@Au复合MNPs,运用透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscope,TEM)、扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscopy,SEM)、能谱仪(energydispersivespectrometer,EDS)、ZETASIZER3000激光粒度分析仪、紫外分光光度计、振动样品磁强计(vibrationsamplemagnetometer,VSM),X射线衍射分析(x-raydiffraction,XRD)等技术进行特性研究;并在交变磁场(alternatingmagneticfield,AMF)和NIR作用下观察不同浓度的Fe3O4@Au复合MNPs的体外升温情况。
[结果]:①自制备的Fe3O4@Au复合MNPs表征:TEM检测显示Fe3O4@Au复合MNPs为圆形、电子密度高、大小较一致、分散良好;EDS证实含有铁、氧和金三种元素成分,质量百分含量分别为铁46.55%,氧35.53%,金17.92%;激光粒度分析仪显示Fe3O4MNPs平均直径为20nm,Fe3O4@Au复合MNPs的平均直径为35nm;在pH7.4中性环境中,Fe3O4MNPs的zeta电位值为-3.6±1.8mV,而Fe3O4@Au复合MNPs的zeta电位为-23.2±1.8mV;Fe3O4MNPs的紫外吸收在900-300纳米波长范围内随着波长减小而增加,无明显吸收峰,而Fe3O4@Au复合MNPs的紫外吸收光谱在612nm出现明显的吸收峰;Fe3O4MNPs和Fe3O4@Au复合MNPs的磁滞回线均接近为重合“S”型曲线,说明其矫顽力及剩磁很低,具有良好的超顺磁性;Fe3O4MNPs饱和磁化强度(Ms)值为75.5emu/g,而Fe3O4@Au复合MNPs为51.8emu/g;制备的Fe3O4MNPsX-射线衍射图中可见有尖锐的衍射峰,各衍射峰所对应的面间距(d值)与粉末衍射标准联合会(JCPDS)编制的代表物质为尖晶石型磁性Fe3O4的PDF(PowderdiffractionFile)卡片的d值吻合一致;制备的Fe3O4@Au复合MNPsX-射线衍射图中五个明确的衍射峰对应的分别是金的(111)、(200)、(220)、(311)和(222)晶面,而对应于磁性氧化铁的衍射峰并未在图中出现。
②自制备的Fe3O4@Au复合MNPs热动力学特征:Fe3O4@Au复合MNPs在输出电流30A,输出频率230kHz的AMF作用下,温度可以上升至39.5℃~47.5℃不等,其升温能力与磁流体浓度成正相关,作用30min内升温迅速、30~45min升温平缓、50min后温度几乎不再上升而恒定在某一水平;Fe3O4@Au复合MNPs在功率2.5W的波长808nmNIR照射下,温度可以上升达38.2℃~45.1℃不等,其升温能力与磁流体浓度成正相关,在作用前15min内升温迅速,30min后温度几乎不再上升而恒定在某一水平;在AMF和NIR二者同时作用下,Fe3O4@Au复合MNPs开始15分钟内温度可以迅速上升至41.2℃~48.3℃,其升温能力与磁流体浓度正相关,20min后温度几乎不再上升而保持稳定在某一水平。
[结论]:①应用化学共沉淀法及晶种生长法已成功制备了Fe3O4MNPs和Fe3O4@Au复合MNPs。②自制备的Fe3O4@Au复合MNPs具有良好的磁响应性和光学性质,具备吸收磁能和光能而升温并达到恒温的能力,可用于肿瘤磁流体热疗和近红外光热疗。
第二部分:Fe3O4@Au复合磁性纳米粒子的生物相容性研究
[目的]:研究评价自制备的Fe3O4@Au复合MNPs生物相容性,为其进一步的临床研究和评价提供了实验基础。
[方法]:采用MTT(methylthiazolyltetrazolium)检测Fe3O4@Au复合MNPs体外细胞毒性;采用体外溶血试验鉴定Fe3O4@Au复合MNPs血液相容性;采用微核试验评价Fe3O4@Au复合MNPs遗传毒性;采用LD50(medianlethaldose)评价Fe3O4@Au复合MNPs在小鼠腹腔注射后短期毒性;引入比格犬短期毒性试验评价Fe3O4@Au复合MNPs的组织生物相容性。
[结果]:MTT试验表明Fe3O4@Au复合MNPs对L-929细胞没有明显的毒副作用,毒性被列为1级;溶血试验证实不同浓度的Fe3O4@Au复合MNPs溶血率都远远低于5%,具有良好的血液相容性;微核试验表明Fe3O4@Au复合MNPs对小鼠骨髓细胞无遗传毒性、无致畸致突变作用,符合生物材料的安全性要求;小鼠LD50检测发现Fe3O4@Au复合MNPs的LD50为8.39g/kg,具有较广的安全值范围;比格犬肝脏穿刺毒性试验发现Fe3O4@Au复合MNPs注射后动物体重、血常规、肝肾功能等无明显变化。心、脾、肝、肺、肾、脑病理组织学检查,试验组与对照组相比,无明显差异,表明其具有良好的组织相容性。
[结论]:自制备的Fe3O4@Au复合MNPs具有良好的生物相容性和安全性,可进一步用于肿瘤热疗。
第三部分:Fe3O4@Au-C225复合靶向磁性纳米粒子制备表征及其抗人胶质瘤作用研究
[目的]:①研究Fe3O4@Au-C225复合靶向MNPs的制备和表征;②评价Fe3O4@Au-C225复合靶向MNPs对胶质瘤体外、体内靶向性;③研究Fe3O4@Au-C225复合靶向MNPs对人胶质瘤U251细胞治疗作用;④研究Fe3O4@Au-C225复合靶向MNPs对异种移植性胶质瘤的治疗作用。
[方法]:①采用吸附法制备Fe3O4@Au-C225,免疫酶吸附法评价其对C225Fc端的吸附效率,使用ZETASIZER3000激光粒度分析仪、紫外分光光度计和VSM进行表征;②采用7.0TeslaMicro-MR仪在体外细胞水平观察Fe3O4@Au-C225复合MNPs对U251细胞的靶向效应;建立裸鼠荷人胶质瘤皮下移植瘤动物模型,尾静脉注射Fe3O4@Au-C225复合MNPs,利用MRI观察其在体靶向效应;③通过MTT试验、流式细胞仪(flowcytometry,FCM)检测,评价Fe3O4@Au-C225复合MNPs介导的联合热疗对体外培养人胶质痛U251细胞的治疗作用,并采用RT-PCR和Westernblotting方法初步探讨其抗胶质瘤作用机制;④将Fe3O4@Au-C225复合MNPs注入到裸鼠人胶质瘤移植瘤中,经AMF和/或NIR作用3次,6w后测肿瘤质量抑制率及体积抑制率,病理组织学检查观察治疗后肿瘤组织的形态改变。
[结果]:①lmg/mLFe3O4@Au和40ug/mLC225反应合成Fe3O4@Au-C225复合靶向MNPs,其对C225Fc端吸附效率>90%。ZETASIZER3000激光粒度分析仪分析其平均粒径约46nm,zeta电位为11.1±1.8mV。Fe3O4@Au-C225溶液的最大光吸收峰在640nm,与Fe3O4@Au相比,Fe3O4@Au-C225的吸收峰值出现明显的红移现象。其磁滞回线接近为重合“S”型曲线,具有良好的超顺磁性。Fe3O4@Au-C225复合靶向MNPs饱和磁化强度(Ms)为51.2emu/g,接近Fe3O4@Au复合MNPs饱和磁化强度51.8emu/g。
②靶向评价体外实验:体外MRI显示Fe3O4@Au-C225复合靶向MNPs与U251细胞共孵育后在T2WI上信号强度有不同程度的降低,而Fe3O4@Au组与C225抑制组与U251细胞共孵育后在T2WI上信号强度无明显降低。靶向评价体内试验:活体MRI结果显示,注射Fe3O4@Au-C225复合靶向MNPs后肿瘤组织不同时间点的T2WI、T2*WI强度及信号变化率均有明显下降,具有统计学差异。而Fe3O4@Au组和C225抑制组在注射后2h和8h两个时间点的信号亦有轻度下降,但下降幅度较Fe3O4@Au-C225组小,且持续时间较短。
③MTT结果显示Fe3O4@Au-C225复合靶向MNPs能显著抑制人胶质瘤U251细胞的增殖,FCM检测显示其能诱导U251细胞的凋亡,RT-PCR和Westernblotting结果表明Fe3O4@Au-C225复合靶向MNPs介导的热疗可以激活Caspase家族3、8、9。
④体内抑瘤实验:在AMF联合NIR作用下,Fe3O4@Au-C225复合MNPS联合热疗组的质量抑瘤率与体积抑瘤率分别为IM=90.01%和Iv=97.11%,显著高于单纯磁热疗组、单纯近红外热疗组和Fe3O4@Au复合MNPs联合热疗组(P<0.05),各实验组与对照组相比均有统计学差异(P<0.05)。
[结论]:①自制备的Fe3O4@Au复合MNPS可以高效率吸附C225,制备成Fe3O4@Au-C225复合靶向MNPs。②体外细胞水平Fe3O4@Au-C225复合靶向MNPs对人胶质瘤细胞U251具有较好的靶向效应;在体水平Fe3O4@Au-C225复合靶向MNPs对裸鼠荷人胶质瘤移植瘤具有良好的靶向性,并且可以利用MRI对其进行示踪。③Fe3O4@Au-C225复合靶向MNPs介导的热疗能显著抑制培养人胶质瘤U251细胞增殖、诱导细胞凋亡并使细胞周期被阻滞在S期。④Fe3O4@Au-C225复合靶向MNPs介导的热疗能增加肿瘤的质量及体积抑制率,具有治疗移植性胶质瘤的作用。