

Citation: Wang Yingmei, Zhu Daoming, Yang Yang, Zhang Ke, Zhang Xiuke, Lv Mingshan, Hu Li, Ding Shuaijie, Wang Liang. Rapid Synthesis of Bi@ZIF-8 Composite Nanomaterials for the Second Near-infrarad Window Photothermal Therapy and Controlled Drug Release[J]. Acta Chimica Sinica, 2020, 78(1): 76-81. doi: 10.6023/A19100371

快速合成Bi@ZIF-8复合纳米材料用于近红外二区光热治疗以及可控药物释放
English
Rapid Synthesis of Bi@ZIF-8 Composite Nanomaterials for the Second Near-infrarad Window Photothermal Therapy and Controlled Drug Release
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Key words:
- nanoparticle
- / tirapazamine
- / second near-infrared window (NIR-Ⅱ)
- / synergistic treatment
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1. 引言
肿瘤是21世纪威胁全球人类生命健康的最大杀手之一, 对肿瘤的精确诊断和高效治疗是当前生物医学研究领域所面临的重大挑战[1].随着纳米技术和生物医学的进步, 各种多功能纳米材料在癌症诊断和治疗中得到了广泛的应用[2~5].光热疗法(PTT)是在临床上继手术、放疗和化疗之后的又一具有很大潜力的肿瘤治疗新手段.光热治疗是指光热转化剂在近红外(NIR)光照射下, 产生热量, 杀死肿瘤细胞[6].该治疗是微创的并且具有较高的治疗功效, 可以单独施用或与其他治疗(例如放射疗法[7])组合施用[8, 9].使用近红外二区(NIR-Ⅱ, 1000~1350 nm)激光器, 特别是在1000~1100 nm内, 允许更深的穿透和更高的最大允许曝光(MPE)[10], 这可以显著提高光热转换效率.然而, 先前的研究主要集中在使用近红外一区(NIR-Ⅰ, 700~950 nm)激光器作为激发光源[11, 12], 这是由于传统纳米材料(如有机化合物[13]、金纳米结构[14, 15]或纳米碳[16, 17])在NIR-Ⅰ激光内的强吸收带, 而在NIR-Ⅱ激光内的吸收可忽略不计.幸运的是, 对这一领域的更多关注使得能够探索几种纳米材料作为对NIR-Ⅱ激光有反应的潜在光热纳米材料, 包括过渡金属硫化物/氧化物半导体[18~21]、贵金属纳米材料[22~24]及聚合物纳米复合材料[25].通过仔细调整掺杂方式或调整化学计量比, 半导体可以具有截然不同的光学带隙和自由载流子浓度, 这些特性都有助于近红外区域的半导体光吸收[26].最近报道了锑的半金属纳米材料在700~1350 nm范围内具有广泛而强烈的光吸收特性[27].这可能是由于它们的电荷载流子比半导体高, 从而增加了它们作为近红外光热治疗剂的价值.
另一种典型的半金属元素铋(Bi)由于其性质(如载流子有效质量小、费米波长长和能带重叠能量小)而引起了科研工作者很大的兴趣.最近发现的等离子体特性源于纳米级铋[28]中的半金属到半导体跃迁(也称为纳米结构效应), 拓宽了铋基纳米材料(传统上用作热电材料、催化剂和传感器[29])在癌症治疗上的应用[30].此外, 研究表明Bi元素还可以作为计算机断层扫描(CT)的放射增敏剂和造影剂[31, 32].这也促使我们开发出新型的铋基复合纳米材料能够将铋纳米材料和传统化疗药物递送以及可控药物释放联合起来.据我们所知, 目前基于铋的药物递送系统还没有被设计出来, 也没有任何研究是关于铋纳米材料用于药物可控释放.
在此, 我们设计了一种铋纳米点嵌入ZIF-8的纳米材料, 以实现近红外二区光热治疗联合放疗的多模态治疗. ZIF-8纳米材料作为优良反应容器, 能够快速的将铋纳米点封装进去, 同时作为小分子药物载体, 具有很高的药物包载量.我们首先在水相中采用一步还原法制备包裹铋纳米点的ZIF-8纳米颗粒(BZ), 该纳米颗粒中铋纳米点的质量大约占30%.随后我们利用物理搅拌的方法成功地将抗癌药物替拉扎明封装在该材料中, 制备得到一种载药复合材料Bi@ZIF-8@TPZ (BZT), 并测得包封率为30%.最终制备得到的BZT具有很高的近红外二区光热转换效率(约31.75%), 在1064 nm激光照射下产生的高温能够促进替拉扎明的释放.另外, ZIF-8纳米材料具有pH响应性, 在酸性条件下降解并释放药物.因为我们设计的纳米材料是一种良好的可控释药的载体.体外实验结果表明该复合材料能够联合近红外二区光热治疗和化疗, 产生很强的抗肿瘤效果, 同时基本不产生任何毒副作用.我们制备的复合纳米材料BZT成功地拓展了铋纳米粒子及其他过渡金属用于基础纳米材料在癌症治疗上的应用.
2. 结果与讨论
2.1 BZT的表征
首先利用简单的还原法制备包裹铋纳米点的ZIF-8纳米颗粒, 随后通过物理混合的方式将化疗药物替拉扎明装载.整个合成步骤不需要很复杂的条件, 并且能够大量合成.随后我们对产物进行电镜表征.如图 1A和1B所示, BZT的粒径大约为100 nm.另外BZT中有明显的黑色纳米点, 表明铋纳米点成功地固定在ZIF-8中.扫描电镜结果也表明纳米颗粒能被大量合成.紫外-可见-近红外吸收光谱(图 1D)结果显示, 替拉扎明在470 nm附近有比较强的吸收, 而BZT在470 nm处也有一个吸收峰, 说明药物成功地装载在纳米材料中.另外BZT在近红外二区也有比较好的吸收.为了进一步证明铋纳米颗粒成功地被固定在ZIF-8中, 我们进行了能谱分析(图 1E)和元素分布(图 1C)检测, 结果表明铋元素存在于ZIF-8中.另外, ICP-MS测试结果表明铋含量约为30%. XRD结果显示, 我们合成的BZT与ZIF-8和Bi的标准图谱对应准确.同时我们测定了48 h内的BZT粒径变化情况, 结果(图 1G)表明, 该药物递送体系稳定而不沉降.总的来说, BZT被成功地大量合成, 可以用于后续实验.
图 1
图 1. (A) BZT纳米粒子的扫描电镜图; (B) BZT纳米粒子的透射电镜图; (C) C, Zn, O和Bi的元素映射图; (D) BZT, TPZ和BZ的吸收光谱图; (E) BZT的EDX图; (F) BZ的XRD图; (G) BZT的粒径图Figure 1. (A) SEM image of BZT nanoparticles; (B) TEM image of BZT nanoparticles; (C) elemental mapping images of C, Zn, O and Bi; (D) absorbance spectra of TPZ, BZ and BZT; (E) EDX analysis of BZT; (F) powder XRD pattern for BZ; (G) particle size of BZT2.2 BZT纳米颗粒的体外光热性能
我们验证了体外光热转换效率.将PBS组, TPZ组, ZIF-8组, BZ组, BZT组分别在1064 nm激光辐照下照射1 min, 2 min, 3 min.如图 2A所示, 红外热相图显示出BZ组与BZT组在短时间内同样地上升到了较高的温度约45 ℃.红外相机检测了不同浓度的BZT溶液(50, 100, 200 μg/mL)与水在1064 nm激光辐照下的温度变化, 如图 2B所示, 随着纳米粒子浓度的增加与辐照时间的延长, 曲线变化趋势明显增加, 浓度为200 μg/mL时, 在300 s后温度上升到约48 ℃, 显示出BZT溶液在激光辐照下具有良好的光稳定性.为了证明BZT溶液具有良好的光热循环效率与较高的光热转换效率, 如图 2C所示, 200 μg/mL的BZT溶液在经历3次加热冷却循环后依然保持稳定. 图 2D记录了BZT溶液在1064 nm激光的连续照射下的温度变化, 根据记录的实验数据与文献报道的方法得到BZT的光热转换效率约为31.75%.以上实验结果说明, BZT是一个良好的可用于近红外二区光热治疗的纳米材料.
图 2
图 2. (A) PBS, TPZ, BZ和BZT纳米颗粒(含100 μg/mL BZ)分别照射(1064 nm, 1 W/cm2) 1~3 min的红外热像图; (B)不同浓度(50, 100, 200 μg/mL) BZT在1064 nm激光1 W/cm2 照射6.5 min内的升温曲线; (C)用近红外激光(1064 nm, 1 W/cm2)对含200 μg/mL BZT纳米粒子水溶液进行光热响应, 然后关闭激光器, 重复三遍; (D)用近红外激光(1064 nm, 1 W/cm2)对含200 μg/mL BZT纳米粒子水溶液的光热响应进行了研究, 然后关闭激光; (E)从图D的冷却周期得到的时间与-ln θ之间的线性关系Figure 2. (A) The infrared thermal images of PBS, TPZ, BZ and BZT nanoparticles (containing 100 μg/mL BZ) irradiated for 1~3 min (1064 nm, 1 W/cm2); (B) temperature rise curve of BZT with different concentrations (50, 100, 200 μg/mL) irradiated by laser at 1 W/cm2 for 6.5 min at 1064 nm; (C) the photothermal response of a 200 μg/mL BZT nanoparticles aqueous solution was carried out by a NIR laser (1064 nm, 1 W/cm2), and then the laser was turned off and repeated three times; (D) the photothermal response of an aqueous solution containing 200 μg/mL BZT nanoparticles with a NIR laser (1064 nm, 1 W/cm2), and then the laser was shut off; (E) linear time data versus -ln θ obtained from the cooling period of figure D2.3 BZT药物释放特性的验证
接下来我们首先验证了BZT药物释放特性.如图 3D所示, 在无光照条件下, 由于ZIF-8纳米材料具有很好的pH响应性, 在酸性条件下BZT药物释放速率明显快于中性条件下的释放速率.光照后, 由于温度升高, 我们观察到更快的药物释放速率.由于BZT较好的光热转换效率, 我们进一步验证了其体外杀伤癌细胞的能力.首先, 使用CCK-8实验(图 3B和图 3C)验证了各组材料在黑暗和光照条件下对4T1细胞的毒性.光照下随着材料浓度的增加, 细胞存活率进一步降低.与空白组相比, BZT对细胞生长的抑制作用约为90%, 而TPZ和BZ在光照下对细胞生长的抑制作用分别为50%和30%左右, ZIF-8对照组仅为16%.说明联合治疗具有最好的细胞杀伤效果.在没有光照的情况下, 纳米材料无法进行光热治疗, 但是TPZ具有较强的抗肿瘤能力, 导致TPZ和BZT组依然有50%的肿瘤生长抑制率.我们进一步研究了BZ对其他肿瘤细胞和正常细胞的毒性, 如图 3A表明, 所有类型的细胞在每个浓度下都有较高的存活率(超过90%).因此, BZ纳米材料毒性小, 适合于载药并用于体内实验.
图 3
图 3. (A) BZ在无光照条件下对不同细胞的体外毒性作用; (B)不同纳米粒子在无光照条件下对4T1细胞的体外杀伤作用; (C)不同纳米材料在光照射下(1064 nm, 1 W/cm2, 5 min)对4T1细胞的体外杀伤作用; (D) pH 7.4和5.5时由NIR引发的TPZ释放(1 W/cm2); (E)光照条件下各材料的升温曲线Figure 3. (A) In vitro cytotoxicity of BZ against different cells in the absence of light irradiation; (B) in vitro cytotoxicity of different nanoparticles against 4T1 cells in the absence of light irradiation (Dark); (C) in vitro cytotoxicity of different nanomaterials against 4T1 cells in the presence of light irradiation (1064 nm, 1 W/cm2, 5 min); (D) NIR-triggered (1 W/cm2) release of TPZ from BZT at pH 7.4 and 5.5; (E) temperature rise curve of each material under light condition2.4 BZT体外治疗效果的研究
为了进一步研究BZT体外治疗效果, 我们使用35 mm的细胞培养皿, 将MCF-7细胞培养至1×105个/mL时, 分别加入PBS, ZIF-8溶液(49 μg/mL), BZ溶液(70 μg/mL), TPZ溶液(30 μg/mL), BZT溶液(含70 μg/mL BZ和30 μg/mL TPZ)与MCF-7细胞另外地共培育12 h, 之后用1064 nm激光器辐射3 min.然后, 用荧光素二乙酸酯Fluorescein Diacetate (FDA)和碘化丙啶(PI)对细胞进行染色5 min.最后, 使用荧光显微镜拍摄荧光图片, 如图 4所示, PBS+Laser组和ZIF-8+Laser组中几乎所有MCF-7细胞均发射出绿色荧光, 表明基本没有MCF-7细胞被杀死; BZ+Laser组和TPZ+Lase组中约有部分MCF-7细胞发出红色荧光; 在BZT+Laser组中, 基本所有的MCF-7细胞均发射出红色荧光, 该结果表示所有MCF-7均死亡.以上所有结果显示, BZ结合化疗药物TPZ与光热治疗能达到良好的体外治疗效果.
图 4
图 4. 不同纳米材料照射(1064 nm, 1 W/cm2, 3 min)后, 4T1细胞的FDA(活细胞, 绿色)和PI(死细胞, 红色)共染的荧光图像.标尺: 50 μmFigure 4. Fluorescence images of 4T1 cells co-stained with FDA (live cells, green) and PI (dead cells, red) upon the addition of different nanomaterials with irradiation (1064 nm, 1 W/cm2, 3 min). Scale bar: 50 μm3. 结论
综上所述, 我们开发了一种简便合成的BZ纳米材料作为纳米药物递送的平台.合成的纳米材料在近红外二区有很好的光吸收能力和光热循环稳定性, 同时呈现出良好的生物相容性.由于多孔的特性和pH响应能力, BZ可以作为药物载体装载TPZ用于癌症的化疗.总的来说, BZT是一种新型的具有低毒性、可控释药性、良好光热治疗效果的多功能纳米平台, 协同光热治疗与化疗, 为癌症的治疗提供一种新颖的、潜在的治疗方法.
4. 实验部分
4.1 所需试剂
Zn(NO3)2•6H2O, Bi(NO3)3•5H2O, 2-甲基咪唑, TPZ, RPMI-1640, CCK-8试剂盒均购于谷歌生物公司, 所用试剂均为分析纯.
4.2 实验方法
4.2.1 BZ纳米粒子的制备
BZ的合成是基于已报道的方法进行了一些修改[33].将100 mg Zn(NO3)2•6H2O, 70 mg Bi(NO3)3•5H2O和1.94 g 2-甲基咪唑的混合物溶解在10 mL的去离子水中, 将混合物搅拌4 min.然后, 将50 mg NaBH4快速加入上述混合物中并搅拌1 min后, 通过离心收集产品, 并用去离子水洗涤3次, 然后进行真空干燥.铋的含量通过ICP-MS (PQ-MS, 德国)进行了定量.
4.2.2 BZT纳米颗粒的制备
将10 mg BZ缓慢加入TPZ溶液(100 μg/mL分散在PBS中)中, 缓慢滴加蒸馏水至10 mL, 并在室温下搅拌30 min.然后将得到的溶液以8000 r/min的速度离心10 min, 并用蒸馏水洗涤以除去物理吸附的TPZ.使用以下公式计算载药效率(LE):
LE=(给药重量-多余药物的重量)/给药重量×100%
4.2.3 细胞培养
人正常肝细胞L02, 人乳腺癌细胞MCF-7, 人肝癌细胞Huh-7, 巨噬细胞RAW264.7从武汉大学中南医院获得, 我们使用含有10%优质胎牛血清和1%双抗的RPMI-1640培养基和DMEM培养基培养细胞, 并处于37 ℃, 5% CO2的细胞培养箱中.
4.2.4 BZT的表征
利用带120千伏场发射透射电子显微镜(FE-TEM, JEM-1400 plus, 日立)和场发射扫描电子显微镜(FE-SEM, S-4800, 日立)对BZT的形貌进行表征.使用紫外可见分光光度计(UV-2550, 日立)测定纳米材料的紫外可见光谱值, 显示了BZT的吸收特性, 并且使用了高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM, FEI Tecnai G2 F30 S-TWIN, 美国)以300 kV的能量色散X射线(EDX)展现相应的原位元素分布图.用粉末X射线, 衍射XRD (D8 Advance, AXS Instruments, 德国)研究了BZT的晶体结构.
4.2.5 BZT纳米颗粒的体外光热性能研究
为了验证BZT纳米颗粒的体外光热性能, 将PBS, TPZ, ZIF-8, BZ和BZT溶液(包含100 μg/mL BZ)加入离心管中, 使用1064 nm激光器照射3 min, 使用红外相机每30 s记录一次温度图像与温度值.同时记录不同浓度的BZT在6 min内的升温曲线.为了获得BZT纳米颗粒的光热转换效率(η), 使用1064 nm激光器近红外辐照BZT溶液(包含200 μg/mL)直到温度稳定, 然后关闭激光器, 使温度自然冷却到环境温度, 中间每30 s记录一次温度值.我们使用之前报道的方法计算光热转换效率(η)[34]. η值使用以下的计算公式:
$ \eta = \frac{{hS\left( {{T_{\max }} - {T_{{\rm{surr}}}}} \right) - {Q_0}}}{{I\left( {1 - {{10}^{ - {A_\lambda }}}} \right)}} $
这里, h是对流换热系数, S是离心管的表面积, Tmax和Tsurr分别是平衡后的温度和室内温度. Q0是溶剂吸光后的产热功率, 表示单位时间能产生多少热量, Aλ表示BZT纳米颗粒在1064 nm激光照射下的吸收值, I是激光功率密度.为了验证其光热循环的稳定性, 我们记录了连续三次升温降温的循环曲线.
4.2.6 BZ的体外细胞毒性实验
为了验证BZ的生物相容性, 我们将同一浓度的BZ溶液与不同的细胞共培育.具体如下, 分别在96孔板中加入巨噬细胞RAW264.7, 人正常肝细胞L02, 人乳腺癌细胞MCF-7, 人肝癌细胞Huh-7, 将培养板放在培养箱中在37 ℃、5% CO2环境下继续培养24 h.再向培养板中加入100 μL含不同浓度Bi@ZIF-8 (0, 50, 100 μg/mL)的溶液, 继续培养24 h后, 向每孔中加入10 μL CCK-8溶液, 将培养板在培养箱内孵育2 h, 用酶标仪测定在450 nm处的吸光度.细胞活力计算依据以下公式:
$ {细胞活力^ * }\left( \% \right) = \frac{{A\left( {加{\rm{BZ}}} \right) - A\left( {空白} \right)}}{{A\left( {0{\rm{BZ}}} \right) - A\left( {空白} \right)}} \times 100 $
其中A(加BZ)表示具有细胞、CCK-8溶液和BZ溶液的孔的吸光度, A(空白)表示具有培养基和CCK-8溶液而没有细胞的孔的吸光度, A(0BZ)表示具有细胞、CCK-8溶液而没有BZ溶液的孔的吸光度.我们使用了相同的方法计算细胞的存活率, 验证了在有光照和无光照的条件下, 不用的纳米材料对小鼠乳腺癌4T1细胞的体外杀伤作用.
4.2.7 BZT的药物释放实验
在不同条件下, pH为7.4与5.5, pH为7.4+NIR (1 W/cm2)与5.5+NIR (1 W/cm2)时, 离心后测定上清中TPZ的释放量.简单地说, 将BZT纳米颗粒超声分散于pH=7.4和5.5的PBS中.在37 ℃恒温条件下, 置于恒温震荡台中(100 r/min)中震荡释放.在预先设定的时间间隔内(30 s), 收集等量的上清液, 然后使用紫外可见光谱测定, 计算药物在预定时间点内的药物累计释放率.
4.2.8 BZT体外治疗效果的研究
为了进一步研究BZT体外治疗效果, 我们准备5组35 mm的细胞培养皿, 将MCF-7细胞培养至1×105个/ mL时, 分别加入PBS, ZIF-8溶液(49 μg/mL), BZ溶液(70 μg/mL), TPZ溶液(30 μg/mL), BZT溶液(含70 μg/mL BZ和30 μg/mL TPZ)与MCF-7细胞另外地共培育12 h, 之后用1064 nm激光器辐射3 min.
然后, 用荧光素二乙酸酯Fluorescein Diacetate (FDA)和碘化丙啶(PI)对细胞进行双染色5 min, 并使用IX81在488 nm和540 nm激光照射下记录荧光图片.
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图 1 (A) BZT纳米粒子的扫描电镜图; (B) BZT纳米粒子的透射电镜图; (C) C, Zn, O和Bi的元素映射图; (D) BZT, TPZ和BZ的吸收光谱图; (E) BZT的EDX图; (F) BZ的XRD图; (G) BZT的粒径图
Figure 1 (A) SEM image of BZT nanoparticles; (B) TEM image of BZT nanoparticles; (C) elemental mapping images of C, Zn, O and Bi; (D) absorbance spectra of TPZ, BZ and BZT; (E) EDX analysis of BZT; (F) powder XRD pattern for BZ; (G) particle size of BZT
图 2 (A) PBS, TPZ, BZ和BZT纳米颗粒(含100 μg/mL BZ)分别照射(1064 nm, 1 W/cm2) 1~3 min的红外热像图; (B)不同浓度(50, 100, 200 μg/mL) BZT在1064 nm激光1 W/cm2 照射6.5 min内的升温曲线; (C)用近红外激光(1064 nm, 1 W/cm2)对含200 μg/mL BZT纳米粒子水溶液进行光热响应, 然后关闭激光器, 重复三遍; (D)用近红外激光(1064 nm, 1 W/cm2)对含200 μg/mL BZT纳米粒子水溶液的光热响应进行了研究, 然后关闭激光; (E)从图D的冷却周期得到的时间与-ln θ之间的线性关系
Figure 2 (A) The infrared thermal images of PBS, TPZ, BZ and BZT nanoparticles (containing 100 μg/mL BZ) irradiated for 1~3 min (1064 nm, 1 W/cm2); (B) temperature rise curve of BZT with different concentrations (50, 100, 200 μg/mL) irradiated by laser at 1 W/cm2 for 6.5 min at 1064 nm; (C) the photothermal response of a 200 μg/mL BZT nanoparticles aqueous solution was carried out by a NIR laser (1064 nm, 1 W/cm2), and then the laser was turned off and repeated three times; (D) the photothermal response of an aqueous solution containing 200 μg/mL BZT nanoparticles with a NIR laser (1064 nm, 1 W/cm2), and then the laser was shut off; (E) linear time data versus -ln θ obtained from the cooling period of figure D
图 3 (A) BZ在无光照条件下对不同细胞的体外毒性作用; (B)不同纳米粒子在无光照条件下对4T1细胞的体外杀伤作用; (C)不同纳米材料在光照射下(1064 nm, 1 W/cm2, 5 min)对4T1细胞的体外杀伤作用; (D) pH 7.4和5.5时由NIR引发的TPZ释放(1 W/cm2); (E)光照条件下各材料的升温曲线
Figure 3 (A) In vitro cytotoxicity of BZ against different cells in the absence of light irradiation; (B) in vitro cytotoxicity of different nanoparticles against 4T1 cells in the absence of light irradiation (Dark); (C) in vitro cytotoxicity of different nanomaterials against 4T1 cells in the presence of light irradiation (1064 nm, 1 W/cm2, 5 min); (D) NIR-triggered (1 W/cm2) release of TPZ from BZT at pH 7.4 and 5.5; (E) temperature rise curve of each material under light condition
图 4 不同纳米材料照射(1064 nm, 1 W/cm2, 3 min)后, 4T1细胞的FDA(活细胞, 绿色)和PI(死细胞, 红色)共染的荧光图像.标尺: 50 μm
Figure 4 Fluorescence images of 4T1 cells co-stained with FDA (live cells, green) and PI (dead cells, red) upon the addition of different nanomaterials with irradiation (1064 nm, 1 W/cm2, 3 min). Scale bar: 50 μm
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