新型Fe3O4-SiO2 @金核壳生物相容性磁性纳米粒子的合成与表征

文件类型:原始研究文章

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1 Babol Noushirvani工业大学化学工程学院纳米技术研究所,伊朗巴博尔

2 政治大学èETSEIB化学工程系cnica de Catalunya,西班牙Diagonal 647,08028 Barcelona,西班牙

抽象

目的:由于纳米级磁性核和功能壳的独特结合,对核-壳磁性纳米颗粒的研究具有广泛的应用范围。一类重要的核-壳磁性纳米颗粒(MNP),即氧化铁核(Fe3O4 /γ-Fe2O3)具有二氧化硅外壳,在硼中子俘获疗法(BNCT)中突出了金(Fe3O4-SiO2 @金(FSG))的外部。处理癌细胞的主要问题是肿瘤细胞和正常细胞混合在一起而没有硼积累图。
方法:本报告中具体讨论的领域包括脂质体介导的FSG作为硼载体将硼化合物转移至肿瘤组织的可能性。此外,叶酸受体被认为是合适的底物,具有在癌细胞表面附着于肿瘤的巨大潜力。本工作旨在研究使用PEG化脂质体包裹的FSG制剂在Bagg Albino(BALB / c)小鼠的肌肉癌动物模型中的硼生物分布。
结果:预定的硼浓度为20-35mg 10B / g。在不同时间将诸如肾,肝,肺,心脏,皮肤,脾,脑,胃和骨等肿瘤组织的样品作为给药后,通过电感耦合等离子体(ICP)分析来测量硼含量。结果表明,GLUT-5在多种肿瘤细胞中作为红细胞型葡萄糖转运蛋白表达的存在。
Conclusions: 铁 3O4-SiO2 纳米粒子 are highly biocompatible with biological materials 和 gold shell also imparts the 磁性 纳米粒子 with many intriguing functional properties.

关键词


介绍

在过去的十年中,磁性微颗粒和纳米颗粒因其独特的磁性和在不同领域的广泛应用而备受关注。磁性纳米粒子高效且易于获得,并具有较高的表面积,从而具有较高的催化剂负载量[1],化学传感[2-6],信息存储[7、8]和医学诊断[9]–11]和对于制备催化剂的非均相载体具有优异的稳定性。因此,除了纳米颗粒的其他优点外,磁性纳米颗粒的应用已经成为研究的一个有趣的领域[12、13]。一系列功能化的磁性纳米颗粒(MNP)涉及氧化铁(Fe 3O4/γ-Fe2O3)磁性的 nanoparticles 涂有二氧化硅和金壳。 [14]。重要的是,核-壳纳米颗粒既提高了表面的生物相容性,又提高了表面的稳定性,并使表面具有所需的生物学或化学,催化界面反应性[15,16]。这些综合方法的成功 discover FSG的潜在应用[17-20]。

In pharmaceutical 和 medical aspects, novel drug delivery systems such as polymers, liposomes, 和 Monoclonal antibodies open new views in cancer treatment [21]. Traveling of Magnetic 纳米粒子, such as 铁 3O4-二氧化硅2 通过血液的核-壳,并倾向于积累成 the surrounding 肿瘤组织很重要。 [22]。一个重要的方面是开发可以向肿瘤传递高硼有效载荷的化合物[23]。因此,作为新的靶向事实,在脂质体递送系统上已经获得了相当大的成功。

脂质体是有利可图的药物传递载体,能够选择性地转移大量的 10乙剂对肿瘤组织。为此目的,为了开发载体系统,与正常细胞相比,叶酸受体被认为是具有附着于肿瘤的潜能的合适底物。在研究其适用行为时,我们发现BALB / c小鼠模型中的肌肉癌在治疗肿瘤方面具有独特优势[24-27]。

与肌肉癌有关的主要问题是肿瘤细胞与正常细胞混合在一起而没有硼积累图。结果,在不同的组织样本中,组织成分中的硼浓度不准确。研究的目的是在BALB / c小鼠模型的肌肉癌中进行FSG的生物分布研究。在此模型中,我们检查了BALB / c小鼠模型中健康器官周围的不同部位。选择性硼向癌细胞的递送优化是一个有趣的研究领域,必须作为贡献和优化其治疗功效的起点。使用含有 10智能释放并给予患者的B化合物是治疗癌性肿瘤的新方法。降低的生产成本以及最小的治疗副作用是所应用药物和方法的其他优点。

在本文中,将41.1 mg脂质体包裹的FSG递送至肿瘤部位。结果表明,在肿瘤组织中药物的最高浓度(27 mg / L)发生在45分钟至3小时内。因此,对肿瘤,正常(肌肉)组织,肝,心,肺,脾,皮肤,胃,脑,骨,肾和血液中的样品应用了电感耦合等离子体(ICP)分析的特定方法在不同的组织部分。

材料和方法

铁的制备3O4-二氧化硅2@金 (FSG) 纳米粒子

铁的制备3O4 nanoparticles (FMNs)

3O4 使用改进的方案合成纳米颗粒。氯化铁3 and 铁 Cl2 在Fe中具有最佳摩尔分数比的HCl溶液3+:铁2+ in 2:1 (Fig. 1) was added to a flat bottom balloon separately 和 stirred using a 磁性 stirring bar.

为了制备水溶性和分散的FMN,FeCl的溶液 3.6H2O(1 M)和FeCl2.4H2通过将铁盐溶解在250 ml烧瓶中的2和1 M HCl溶液中来制备O(2 M)。然后,将溶液在25 °然后,滴加氨溶液(1M,100ml)。然后,将颗粒过滤并洗涤几次。将溶液的pH调节至10。继续搅拌溶液1小时,直到出现稳定的黑色FMN。最后将铁氧体粉末在80℃的真空烘箱中干燥°C保持24小时以完成除水。反应机理解释如下。

 

铁的制备3O4/二氧化硅2 magnetic 纳米粒子 (FSMNs)

铁/壳铁3O4@SiO2 根据Stober流程[28]进行了一些修改,从而准备了该文件。通过超声处理30分钟将获得的MNPs粉末(1g)分散在100 mL乙醇,20 mL蒸馏水和5.0 mL 28 wt%浓氨水溶液(NH3.3H2O)在剧烈搅拌下,随后向该分散体中滴加2mL原硅酸四乙酯(TEOS)。将得到的分散体在氮气下保持机械搅拌。2 在室温下保护12小时。获得的铁3O4@SiO2 用磁体分离纳米颗粒,并用乙醇和水反复洗涤以除去非磁性副产物。

FSMN的激活

然后,通过超声处理30分钟,将得到的MNPs粉末(1g)分散在甲醇(100 mL)和甲苯(30 mL)中,然后用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)(99%,1 mL)添加到混合物中。机械搅拌12小时后,用磁铁分离出悬浮物。通过超声处理将沉淀产物再分散在乙醇中,并用磁倾析法分离5次。将沉淀的产物(APTES-MNP)在室温下真空干燥。反应机理解释如下。

 

 

 

铁的制备3O4-二氧化硅2@金 纳米粒子

铁的合成3O4 纳米粒子根据其中Fe(acac)的过程开始3 is reduced using 1,2-hexadecanediol 在里面 presence of oleic acid. Following Fe3O4 make as 纳米粒子 with the favorite sizes, Gold is deposited on to the surface of 铁 3O4 通过还原Au(CH3首席运营官)3 using 1,2-hexadecanediol 在里面 presence of oleic acid at higher temperature (180–190 ºC). The resulting 铁 3O4-二氧化硅2@金 nanoparticles 可以通过离心分离未涂覆的铁3O4 nanoparticles.

这种方法可以生产高度单分散的Fe-oxide-SiO2-金 nanoparticles.

脂质体包裹的FSG的合成方法

文献[29]中提到的使用聚乙二醇(PEG)作为前体的脂质体包封的FSG的合成程序可以使药物在血液中溶解,并使配体与脂质体结合。此外,叶酸配体与PEG键合。如图3所示,脂质体可以包封钠盐阴离子的水溶液,并加入嵌入双层膜中的亲脂性含硼纳米药物成分[30]。为此,将1 M的果糖水溶液或乙醇溶液和1 M的硼酸溶液 10提供了硼。另外,进行溶液pH的调节并控制在3-4左右。然后,向溶液中添加一些固体钙的碳酸盐(溶于少量去离子水)。作为该过程的结果,形成了两相溶液并且分离了下层相。纳米药物的每个分子中都有几个硼原子,这些硼原子容易渗透到肿瘤细胞的膜上。

癌症模型:生物分布和硼分析研究

动物样品的消化按照文献[31]中所述的程序进行。随着时间的流逝,为了确定将硼输送到肿瘤组织的最佳注射方案,对进行的实验进行了分析。经过适当的实验,给出了数据并分别分析了硼浓度。

在本研究中,从每只动物身上采集了一些肿瘤组织周围的肿瘤和癌组织样品,以了解硼在肿瘤,血液和正常组织中的分布[32]。给药后获得肿瘤,血液和正常(肌肉)组织中的硼浓度值,以计算每种化合物在肿瘤/血液,正常组织/血液和肿瘤/正常组织中的硼浓度比[33]。 。图4示出了在先研究中使用的药物进入过程和BNCT过程的整体示意图。

结果与讨论

为了研究FSG纳米颗粒的形态和结构,对制备的颗粒进行了分析。

定性和定量分析

X射线衍射 analysis of FSG 纳米粒子

()的X射线衍射图(JCPDS,卡号01-072-1243)a)铁3O4 nanoparticles (b) 铁 3O4-二氧化硅2 nanoparticles (c) 铁 3O4-二氧化硅2@金 纳米粒子 showed in 图. 5. The X射线衍射 pattern showed the characteristic peaks at 2θ9.2、11、31.8和45.4 and the size of 铁 3O4 获得的纳米颗粒为9.80nm。此外,数据显示衍射峰在2θ° = 38。2°, 44。2°, 64.5°, 77.8°, 和 81.7°,可以将其索引到金平面。

红外光谱 analysis of FSG 纳米粒子

反应 were confirmed 使用FTIR分析。的FTIR光谱a)铁3O4 nanoparticles (b)铁3O4-二氧化硅2 纳米粒子和(c)铁3O4-二氧化硅2@金 纳米粒子 showed in 图. 6. In contrast to the spectrum of Fe3O4-二氧化硅2 纳米粒子,光谱 Fe3O4-二氧化硅2@金 纳米粒子 shows a bond at 3400 cm-1,可以分配给N-H拉伸。 1020厘米处的粘结-1 也可以归因于C-H基团的延伸 alkyls in the Fe3O4-二氧化硅2@金 纳米粒子. The magnetite spectrum shows a bond at 573 cm-1,这可以归因于磁铁矿振动。 3440厘米处的粘结-1 也可以归因于 hydroxyls in the magnetic 纳米粒子。此外,在1614和1391厘米处的键-1 that appeared 在里面 spectrum of the Fe3O4-二氧化硅2 nanoparticles 可能归因于与Fe形成羧基键3O4 in Fe3O4-二氧化硅2 纳米粒子。除此之外 在1621、1091和955厘米处键合-1 可以归因于H-O-H拉伸,Si-O-Si拉伸和Si-OH拉伸 magnetite-silica nanoparticles.

TEM study of FSG 纳米粒子

TEM数据支持 Fe3O4-二氧化硅2@金 core shell 纳米粒子 forms. There are two major findings from the morphological comparison. Firstly, the particles after coating with Silica 和 Gold seem much darker 和 secondly, for the particles after coating with SiO2 和金,平均粒径从9.8 nm变为15 纳米在图6中,TEM数据为 Fe3O4-二氧化硅2@金 core-shell forms.

生物分布和硼分析研究:体内和体外治疗

在本节中,进行的实验与 体内 and 体外 生物测试的条件。研究含药的作用 10在肌肉癌上进行B,并进行相应的剂量-反应曲线。预定浓度为20-35 mg 10桶/克进行实验以处理在不同的注射时间内所设计药物的生物分布,不同剂量药物的生物分布以及所设计药物的足够积累 10硼旨在影响肿瘤的治疗。

如上所述,选择浓度为15、25、35和45 mg的药物注射到动物体内。 ICP数据的结果表明,药物浓度为35 在引入到环境中的药物孵育24小时内,进入细胞培养基的毫克离子可使药物的积累最大化(。 8)。原因可以归因于使用MTT测定法的合成组合物的毒性表示。

去表演 体内 在测试动物的治疗中,分析了脂质体包裹的FSG的毒性。 图9显示了通过MTT测定法[34]测定的脂质体包裹的FSG的毒性图。

可以看出,在最初的时间,活细胞的数量并没有太大变化。因为使用单位饮食化合物来合成药物。在时间上,肿瘤细胞的数量逐渐减少。 24小时后,各种硼化合物在5、10、25、50和100 mg / L的浓度下分别降低了79%,64%,50%,80%和36%。 48小时后,结果与24小时后所获得的结果相似,只是略有差异[35]。

硼生物分布研究对于BNCT的临床前设计和后续临床研究方案至关重要。特别是,该分析确定了硼载体给药后进行中子治疗的最佳时间[36]。迄今为止,剂量计算是基于事先从生物分布研究中获得的血液,肿瘤和正常组织中的硼含量值。在动物模型的情况下,计算是基于在组织的不同部分进行的生物分布研究得出的平均值[37]。平均值对应的列表图和数据±每个样品的比率的标准偏差如图10所示。

结果表明,在肿瘤组织中药物的最高浓度发生在45分钟至3小时。同样,在注射药物后,其最初在血液中的浓度达到最高值;而它可能会在24小时内达到最低值[38]。

通常,肿瘤组织中硼浓度的结果表明,向肿瘤注射药物3小时后,由于过量的糖传递剂(例如GLUT5)导致药物浓度达到最高水平(27 mg / L)。肿瘤细胞。可以得出结论,FSG的转移是由GLUT5递质转移到肿瘤上的[39]。由于癌组织中这些递质的数量大于其他组织,因此在癌组织中发生了药物的选择性积累。

由于药物通过血液释放到肿瘤组织中,肿瘤组织中的药物浓度随时间增加[40]。随着药物在肿瘤中的积累,注射后6小时其浓度会增加,这是因为肿瘤细胞消耗了糖,然后肿瘤组织中的硼量减少了。这些结果与其他研究人员关于肿瘤组织中糖分过多的研究结果一致[41]。此外,表1显示了血液,肿瘤和正常组织的绝对硼浓度值。与正常组织相比,血液中的硼浓度(BC)通常被用作引用短语来计算BNCT在肿瘤中的BC。通过注射药物,其在血液中的浓度在初始时间达到最高值,并且通过长时间地将药物转移到其他组织和器官,其浓度最终降低,并在注射后24小时内降至最低水平[ 42]。在本文中,正常组织中的BC与血液中的BC之比(即N / B比)在给药后45分钟时仍约为〜1.6 [43]。

图11 显示了生物的分布的图形表示 10注射后在不同时间,不同动物模型组织中的B药(41.1 mg 10每30克动物体重含硼复合物)。肾脏组织中硼的浓度最初增加,并在注射后3小时内达到最高值17 mg / L。肾脏含有肾小球,这是血液过滤器。因此,这些数据与爱德华的结果一致’这项研究突出了肾小球组织中GLUT5的表达。在肝组织中,药物的积累达到最高值。由于心脏的肌肉结构,心脏组织的ICP分析结果与正常组织的结果相似。脾脏和肺组织药物分布研究的结果很有趣。此外,结果表明,由于组织中的高献血率,注射到肺和脾组织后的最初时间药物浓度很高。关于时间,观察到组织中的药物浓度显着降低并在24小时内达到其最小值(2 mg / L)。最初在皮肤组织中的药物浓度已达到最高值,然后在3小时内迅速降至1.5 mg / L。这个结果可以归因于皮肤组织内毛细血管网络的高度分布[44]。注射后的最初时间,皮肤组织中硼的浓度随血液循环时间而增加,然后降低。胃组织中药物浓度的研究显示,在注射3和6小时后其浓度最高,然后在注射后24 h内下降至4 mg / L。胃组织中硼浓度高的原因可归因于3到6小时的时间间隔内其肌肉结构和无偿献血。脑组织中硼的最高含量发生在注射后3小时内。 3小时后,骨组织中的硼浓度以高速率增加到10 mg / L。

考虑到组织在乳腺癌中的重要性,可以得出结论,硼的平均浓度大大降低,其值在6至10 mg / L的范围内,与肿瘤,肺,脾和皮肤相似组织。

结论

对于详细的核壳型FSG纳米结构的应用和表征,存在许多具有挑战性的问题。结果表明,核壳纳米粒子的生物学和催化界面反应性与磁性之间的耦合是一种努力 further broaden 迅速出现的领域 of core @ shell磁性。在这项研究中,首次报道了脂质体包裹的FSG在BALB / c小鼠肌肉癌模型中递送的硼随时间的生物分布。总之,已证明FSG的联合施用在实际靶向不同肿瘤方面提供了最大的相似性。由于这些硼载体具有不同的吸收机理和性质。此外,有可能选择性地将治疗性硼的量转移至BALB / c小鼠肿瘤并获得与治疗相容的肿瘤与血液之间的比例。 ICP数据的结果表明,在细胞培养基中35mg的药物浓度在将药物引入环境后24小时的孵育中使药物的积累最大化。而且,由于在肿瘤细胞中过量的糖传递剂如GLUT5,在肿瘤组织中药物的最高浓度(27 mg / L)发生在45分钟至3小时内。总而言之,本研究的结果表明,含硼脂质体的治疗潜力可导致较大的硼生物分布值[45-50]。结果可被视为进一步了解与研究的试剂相关的硼靶向过程的指南。

致谢

作者非常感谢伊斯法罕大学,伊斯法罕技术大学和纳米技术系,伊朗农业生物技术研究所的中心实验室的工作人员为这项研究提供的帮助。

利益冲突

作者声明,有关此手稿的出版没有利益冲突。