魏莉平,費(fèi)安興,李勝,張常亮,鄒甜甜,王鍍津★
(1.鄂東醫(yī)療集團(tuán)市婦幼保健院 醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)科,湖北 黃石 435000;2.鄂東醫(yī)療集團(tuán)市中心醫(yī)院(湖北理工學(xué)院附屬醫(yī)院)醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)科,湖北 黃石 435000;3.腎臟疾病發(fā)生與干預(yù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 黃石 4 350003)
白血病起病隱匿,在疾病早期缺乏特異性的檢測(cè)手段,不易與其他血液性疾病相區(qū)分,這也導(dǎo)致了白血病確診時(shí)多已經(jīng)到中晚期,延誤了最佳治療時(shí)機(jī)。因此迫切需要研究開發(fā)新的診治技術(shù),使白血病患者能夠早發(fā)現(xiàn),早治療[1-3]。
介孔二氧化硅納米粒子(Mesoporous Silica Nanoparticle,MSN),是一種具有中空結(jié)構(gòu)的新型納米材料,其粒徑大小,孔徑大小以及孔容積都可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。介孔二氧化硅納米粒子具有良好的組織相溶性,較低的人體毒性,是一種理想的化學(xué)藥物運(yùn)送載體。但是介孔材料都有孔的外在開口,裝載的化學(xué)藥物在運(yùn)送過(guò)程中存在一定的泄露風(fēng)險(xiǎn)[4-6]。因此,科研人員研發(fā)了很多用于封堵介孔的方法。
脂質(zhì)體(Liposome),是一類由磷脂分子組成的,具有類似細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的納米囊泡狀結(jié)構(gòu)。其易于合成,具有良好的組織相溶性,是一類良好的藥物運(yùn)送載體[7-9]。本研究利用脂質(zhì)分子,在介孔二氧化硅納米粒子表面形成一層脂質(zhì)膜層,該膜層的應(yīng)用具有以下優(yōu)點(diǎn):①能有效封堵介孔,防止藥物運(yùn)送過(guò)程中發(fā)生泄漏;②提供易于修飾的表面,便于修飾特異性靶向分子;③改進(jìn)無(wú)機(jī)納米材料表面的性狀,使其在體液環(huán)境中更加穩(wěn)定。
核酸適配體(Aptamer)是利用指數(shù)富集配體系統(tǒng)進(jìn)化(systematic evolution of ligand and by exponential enrichment,SELEX)技術(shù)篩選的針對(duì)特異性靶點(diǎn)的小分子DNA或RNA。其具有類似于抗體的結(jié)合特性,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,篩選周期短,是理想的藥物載體系統(tǒng)靶向分子。Sgc8是Xiao Zeyu 等人篩選出的具有T-ALL細(xì)胞株CEM特異性結(jié)合能力的核酸適配體,其靶分子為蛋白酪氨酸激酶7(PTK-7)。正常的T細(xì)胞不表達(dá)蛋白酪氨酸激酶7,利用這一優(yōu)點(diǎn),sgc8作為白血病治療的靶分子,具有極大的應(yīng)用前景[10-11]。
本研究構(gòu)建了一種基于sgc8(Apt),脂質(zhì)體(L)及介孔二氧化硅(M)的新型靶向納米藥物運(yùn)載系統(tǒng)Apt-LM,其能夠?qū)NA毒性藥物靶向運(yùn)送到白血病細(xì)胞內(nèi),精準(zhǔn)殺傷白血病細(xì)胞,為白血病的精準(zhǔn)診療提供了一種新的策略。
正硅酸酯(Tetraethylorthosilicate,TEOS),三羥基三乙胺(triethanolamine,TEA),3-氨丙基三乙氧基硅烷(3-Aminopropyltriethoxysilane APTES),十六烷基三甲基氯化銨(Cetyltrimethylammonium chloride,CTAC,25wt%),購(gòu)自Sigma公司。1-棕櫚酰基-2-硬脂酰基卵磷脂(1-Palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine,POPC),二硬脂酰磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇2000(1.2-distearoyl-snglycerol-3-phosphoethanolamine-N-[amino(polyethylene glycol)-2000](ammonium salt),DSPE-PEG2000),二硬脂酰磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇2000-馬來(lái)酰亞胺(1.2-distearoyl-snglycero-3-phosphoethanolamine-N-[maleimide(polyethylene glycol)-2000](ammonium salt,DSPE-PEG2000-MAL),購(gòu)自美國(guó)AVANTI公司。熒光染料(1,1-Dioctadecyl-3,3,3,3-tetramethylind ocarbocyanineperchlorate,DiI)購(gòu)自江蘇碧云天公司。CCK-8試劑盒及阿奇霉素藥物(DOX)購(gòu)自美國(guó)Sigma公司。Sgc8核酸適配體(5’-ATC TAA CTG CTG CGC CGC CGG GAA AAT ACT GTA CGG TTA GA-3’)及其修飾由上海生物工程有限公司合成。其他為實(shí)驗(yàn)室自配試劑。
CEM及 Ramos細(xì)胞使用含10%胎牛血清(Fet al Bovine Serum,F(xiàn)BS)、100 U/mL青霉素、100 μg/mL鏈霉素的DMEM(dulbecco’s modified eagle medium)培養(yǎng)基培養(yǎng),細(xì)胞均置于37 °C,5%CO2的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。
25g十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)和1g三羥乙基胺(TEA)溶于250mL去離子水中,95°C油浴冷凝回流,200rpm劇烈磁力攪拌1h,隨后37.5mL正硅酸乙酯(TEOS,tetraethylorthosilicate)逐滴加入上述溶液,繼續(xù)攪拌1h;產(chǎn)物自然冷卻到室溫,16000rpm,30min離心收集固體產(chǎn)物;產(chǎn)物分散在無(wú)水乙醇中,超聲波清洗10min,16000rpm離心30min收集固體產(chǎn)物,重復(fù)上述過(guò)程3次。產(chǎn)物用無(wú)水乙醇分散,78℃硅油浴,在v/v10%鹽酸乙醇中磁力攪拌并冷凝回流萃取6h,去除模板CTAC,重復(fù)上述步驟,直到CTAC萃取完全。離心收集固體產(chǎn)物,終產(chǎn)物使用20mL去離子水超聲分散,加入50μl冰乙酸,25μLAPTES,室溫下攪拌24h,用去離子水洗若干次,真空冷凍干燥24h,得到氨基修飾的MSN納米粒子。為了獲得FITC熒光基團(tuán)修飾的MSN,適量羧基修飾的FITC及19.2mgEDC和28mgNHS融入2mLPBS溶液(pH7.4)。樣品先在室溫下磁力攪拌15min,之后氨基修飾的10mgMSN納米粒子加入上述溶液,磁力攪拌反應(yīng)24h。產(chǎn)物使用單蒸水16000rpm,15min清洗3次,終產(chǎn)物使用單蒸水分散保存?zhèn)溆谩?/p>
將鹽酸阿霉素粉末溶解在PH 7.0的PBS溶液中,配置成0.5mg/mL的鹽酸阿霉素溶液,-20℃避光保存?zhèn)溆谩?0mg MSN納米粒子分散溶解在5mL鹽酸阿霉素溶液中(0.5mg/mL),室溫?cái)嚢?4h,16000rpm離心收集產(chǎn)物,用PH 7.0的PBS溶液清洗若干次,獲得M/DOX納米藥物。使用紫外分光光度法測(cè)定藥物包封率及載藥量。計(jì)算公式為:
包封率(%)=納米粒子中裝載的阿霉素量/納米粒子質(zhì)量*100%
包封率(%=)納米粒子中裝載的阿霉素量/總投藥量*100%
采用薄層水化法制備脂質(zhì)體,將POPC,DSPE-PEG2000和DSPE-PEG2000按摩爾質(zhì)量比50∶4∶1溶解在氯仿溶液中(制備熒光納米粒子時(shí)加入適當(dāng)比例DiI熒光基團(tuán)),然后將其加入圓底燒瓶中,經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)形成干燥薄膜,通入純氮?dú)馀懦S嗦确鲁煞郑缓笳婵崭稍飪x干燥過(guò)夜形成脂膜。用1 mL 濃度為300 mM的枸櫞酸緩沖液(pH=4.0)進(jìn)行水化,渦旋燒瓶使薄膜成分完全溶解在溶液中。然后在37℃水浴中超聲15min,當(dāng)溶液變得澄清透明后,再反復(fù)凍融3次(液氮和60℃)。再依次通過(guò)不同孔徑(200nm、100nm和80nm)的膜,擠壓15次形成直徑在100nm左右的脂質(zhì)體。
巰基修飾的Sgc8核酸適配體與DSPE-PEG2000-MAL按照1:10的摩爾比加入到1.5制備的脂質(zhì)體中并混勻,在純氮?dú)獗Wo(hù)條件下反應(yīng)24h即得到Apt-L。
取100 微升1.6中制備的Apt-L,10mg MSN或M/DOX用移液槍上下混勻數(shù)十次,4℃環(huán)境中放置2周左右,16000rpm短時(shí)離心收集沉淀物,用pH 7.4的PBS溶液清洗若干次,即得到Apt-LM/DOX納米藥物。
分別將MSN,Apt-LM用單蒸水稀釋,取各組材料放置于特制銅網(wǎng)上靜止10分鐘,用2%磷鎢酸(pH 7.0)負(fù)染1min,用濾紙吸除多余的液體,H-7650電子顯微鏡電子束加速電壓100 KV下拍攝納米粒子圖像。Zetasizer 電位儀(Zetasizer Nano S,Malvern,UK)和動(dòng)態(tài)光散射(dynamic light scattering,DLS)的方法測(cè)定納米材料粒徑和電位。
收集對(duì)數(shù)期生長(zhǎng)的CEM細(xì)胞及RAMOS細(xì)胞,按照2×105細(xì)胞/孔在六孔板中培養(yǎng),分別設(shè)置control組,Apt組,Apt-LM組,每組重復(fù)3個(gè)孔。每個(gè)實(shí)驗(yàn)組加入相當(dāng)于100nM濃度的各檢測(cè)探針,培養(yǎng)2h。1200rpm,5min收集細(xì)胞,用PBS洗3次,用500μl PBS重懸,使用流式細(xì)胞儀(Epics XL 美國(guó)Beckman coulter)檢測(cè)。
收集對(duì)數(shù)期生長(zhǎng)的CEM白血病細(xì)胞系,按照1×106細(xì)胞/孔在六孔板中培養(yǎng),分別加入control組,LM組,Apt-LM組納米探針,終濃度都為100μg/mL。培養(yǎng)24h,1200rpm,5min離心收集細(xì)胞,用PBS洗3次,用多聚甲醛(4%)固定30min。PBS洗3次,用1 mg/mL DAPI染核5min,用PBS洗3次,在倒置熒光顯微鏡下觀察納米探針靶向效果。
CEM細(xì)胞2x105/孔在六孔板中培養(yǎng)24h每孔加入相當(dāng)于3μg/mLApt-LM/DOX的納米藥物,分別培養(yǎng)4h及24h,收集培養(yǎng)后的細(xì)胞,用PBS洗3次,用多聚甲醛(4%)固定30min,取各組材料放置于特制銅網(wǎng)上靜止10min,用2%磷鎢酸(pH7.0)負(fù)染1min,用濾紙吸除多余的液體,H-7650電子顯微鏡電子束加速電壓100kV下拍攝細(xì)胞圖像。
1.12.1 Apt-LM/DOX納米藥物釋放實(shí)驗(yàn)
取500μl(包含1mg阿霉素)Apt-LM/DOX,置于透析管(MWCO12000)底部,放入30mLpH值分別為5.0和7.4的PBS溶液中,37℃水浴避光震蕩(150r/min,在不同的時(shí)間點(diǎn),取出5mL透析液,同時(shí)加入5mL新鮮透析液,釋放出的阿霉素量使用F7000分光光度計(jì)測(cè)量(Ex=485nm,Em=560nm)。
1.12.2 Apt-LM/DOX納米藥物體外殺傷實(shí)驗(yàn)
收集對(duì)數(shù)期生長(zhǎng)的CEM細(xì)胞,按照2×105細(xì)胞/孔在5%CO2,37℃下培養(yǎng)24h,分別加入1、5、10、25及50μg/mL劑量Apt-LM納米材料,培養(yǎng)24h,每孔加入10μlCCK-8溶液,繼續(xù)培養(yǎng)3h,吸光度在酶標(biāo)儀上450nm波長(zhǎng)處測(cè)定。細(xì)胞毒性用實(shí)驗(yàn)組和未治療組的活細(xì)胞百分比表示。收集對(duì)數(shù)期生長(zhǎng)的CEM細(xì)胞,按照2×105細(xì)胞/孔在5%CO2,37℃下培養(yǎng)24h,分別加入阿霉素濃度為2、4、8、16μg/mL的LM/DOX、Apt-LM/DOX納米藥物,培養(yǎng)24h,每孔加入10μlCCK-8溶液,繼續(xù)培養(yǎng)3h,吸光度在酶標(biāo)儀上450nm波長(zhǎng)處測(cè)定。細(xì)胞毒性用實(shí)驗(yàn)組和未治療組的活細(xì)胞百分比表示。
收集對(duì)數(shù)期生長(zhǎng)的CEM細(xì)胞,使用PBS調(diào)整濃度到1×106/mL。將雌性5周雌性NOD/SCID小鼠隨機(jī)分成2組,每組3只。分別在每只小鼠前肢腋下注射200μl CEM細(xì)胞懸液。使用游標(biāo)卡尺監(jiān)測(cè)腫瘤大小,待腫瘤生長(zhǎng)到直徑約5mm×5mm時(shí),兩組小鼠分別自尾靜脈注射200μl Apt-LM及Apt-LM/DOX納米藥物 。24h后,鈍性分離出小鼠腫瘤組織,快速冰凍切片,裱片后,使用冰丙酮固定5min,PBS漂洗后,用DAPI染色3-5min,純水洗凈,通過(guò)熒光顯微鏡觀察Apt-LM/DOX體內(nèi)藥物運(yùn)送效果。
使用 SPSS 19.0 以及GraphPad Prism 6軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)數(shù)資料用n(%)表示,計(jì)量資料以()表示。兩組均數(shù)比較采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn);以P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)結(jié)果使用Beckman Kaluza C軟件分析。

圖1 Apt-LM/DOX納米藥物靶向治療白血病示意圖
圖2A展示的是MSN納米材料的比表面積及介孔大小情況,合成的介孔二氧化硅納米材料比表面積均值為587.43m2/g,介孔大小均值在2.75nm。電子顯微鏡照片(圖2B)顯示Apt-LM粒徑均分布均勻。粒徑及電位檢測(cè)結(jié)果(圖2C)顯示Apt-LM納米藥物載體粒徑分布在66.3 nm,電位分布在-16.7mv左右,以上結(jié)果顯示我們獲得了分散均勻,大小一致的Apt-LM納米粒子。

圖2 Apt-LM表征檢測(cè)
從圖2可知Apt-LM納米粒子與CEM細(xì)胞的結(jié)合率最高達(dá)到83.1%,而其與對(duì)照組ROMAS細(xì)胞結(jié)合率只有12.1%。且Apt-LM與CEM細(xì)胞的結(jié)合效率與單獨(dú)的Apt組相比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(**P<0.05)。
本研究在MSN納米材料表面修飾FITC熒光基團(tuán),在脂質(zhì)體分子上修飾DiI熒光基團(tuán),用于觀察其對(duì)CEM細(xì)胞的靶向作用。如圖4,我們?cè)贏pt-LM組中細(xì)胞內(nèi)觀察到了最強(qiáng)的熒光,而在未修飾靶向分子的LM組中沒(méi)有觀察到熒光,證實(shí)了Apt-LM納米粒子對(duì)CEM細(xì)胞的靶向作用。

圖3 流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)Apt-LM與CEM及RamosS細(xì)胞結(jié)合效率(圖3A)及統(tǒng)計(jì)圖(圖3B),**P<0.05。

圖4 熒光顯微鏡觀察Apt-LM靶向效果,藍(lán)色:細(xì)胞核(DAPI);綠色:FITC標(biāo)記的MSN,紅色:脂質(zhì)體(DiI)。
本研究在pH為5.0和7.4的PBS溶液中模擬了藥物的釋放過(guò)程,在pH為5.0時(shí),48 h內(nèi)釋放了超過(guò)60%的化療藥物DOX,而在pH為7.4的液體中,藥物的釋放量不超過(guò)25%。Apt-LM納米材料毒性評(píng)估實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)納米材料濃度達(dá)到50μg/mL時(shí),細(xì)胞活性仍能保持在90%以上。體外殺傷實(shí)驗(yàn)證實(shí)Apt-LM/DOX能靶向殺傷CEM細(xì)胞,其與沒(méi)有結(jié)合靶向分子的LM/DOX組相比,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
圖6A為Apt-LM/DOX納米藥物與CEM細(xì)胞作用4h后拍攝的細(xì)胞透射電鏡圖,可以觀察到4h已經(jīng)有Apt-LM/DOX納米藥物進(jìn)入到細(xì)胞的胞質(zhì)內(nèi)部。圖6B為Apt-LM/DOX納米藥物與CEM細(xì)胞作用24h后拍攝的透射電鏡圖,觀察到一個(gè)凋亡的腫瘤細(xì)胞內(nèi)有大量的Apt-LM/DOX納米藥物。

圖5 Apt-LM/DOX納米藥物釋放實(shí)驗(yàn)及體外殺傷效果評(píng)估

圖6 Apt-LM/DOX納米藥物與CEM細(xì)胞作用4 h后拍攝的細(xì)胞透射電鏡圖(圖6A),Apt-LM/DOX納米藥物與CEM細(xì)胞作用24 h后拍攝的透射電鏡圖(圖6B)
由于阿霉素(DOX)自帶紅色熒光的性質(zhì),我們通過(guò)給荷瘤小鼠靜脈注射Apt-LM/DOX納米藥物,通過(guò)腫瘤組織切片我們觀察到Apt-LM/DOX治療組腫瘤內(nèi)部有大量紅色的熒光,說(shuō)明Apt-LM/DOX納米藥物可以在體內(nèi)靶向到腫瘤部位。
白血病起病隱匿,危害性大,臨床上用于其治療的藥物如長(zhǎng)春新堿,順鉑,阿霉素都會(huì)存在著一定的副作用。如何實(shí)現(xiàn)在體內(nèi)特異性殺傷白血病細(xì)胞,是白血病治療藥物開發(fā)與應(yīng)用的難點(diǎn)。核酸適配體的出現(xiàn),為藥物的靶向運(yùn)輸提供了很好的工具,新型納米材料的出現(xiàn),為藥物的裝載與運(yùn)輸提供了新的平臺(tái)。
二氧化硅具有良好的組織相容性,粒徑大小可以根據(jù)反應(yīng)條件進(jìn)行調(diào)整,通過(guò)對(duì)其表面進(jìn)行改性和修飾,可以作為藥物運(yùn)輸,生物成像,生物傳感等應(yīng)用的優(yōu)良載體[12-15]。但是MSN用于靶向藥物的運(yùn)輸也會(huì)存在藥物在運(yùn)送過(guò)程中泄露的風(fēng)險(xiǎn),因此我們合成了脂質(zhì)體納米囊泡用于改進(jìn)MSN表面特性以及封堵介孔的外口,可以有效阻止藥物分子的泄露。Sgc8是Xiao Zeyu 等人篩選出具有T-ALL細(xì)胞株CEM特異性結(jié)合能力的核酸適配體,其靶分子為蛋白酪氨酸激酶7(PTK-7)[16]。徐康力等人的最新研究證實(shí),sgc8在人的AML、T-ALL和正常骨髓樣本中具有特異性識(shí)別能力,且對(duì)不同AML亞型可能具有不同的診斷價(jià)值[17]。正常的T細(xì)胞不表達(dá)蛋白酪氨酸激酶7,利用這一優(yōu)點(diǎn),我們將sgc8作為白血病治療的靶向分子。
通過(guò)圖1表征分析,我們合成的Apt-LM納米藥物運(yùn)送載體粒徑大小均勻,分散良好。流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)的到Apt-LM納米粒子相較于單獨(dú)的Sgc8適配體具有更高的CEM結(jié)合效率,這主要得益于LM提供了很多的結(jié)合位點(diǎn),從而使Apt-LM納米粒子上可以同時(shí)結(jié)合多條Sgc8適配體,增大了與靶細(xì)胞的結(jié)合的能力。體外熒光靶向?qū)嶒?yàn)也證實(shí)Apt-LM對(duì)CEM細(xì)胞具有更高的靶向效率,圖4中紅色與綠色熒光的重合,也間接證實(shí)了我們合成的LM載體是成功的。Apt-LM/DOX模擬體內(nèi)藥物釋放實(shí)驗(yàn)證實(shí),Apt-LM/DOX在pH 7.4的環(huán)境中釋放緩慢,而在pH 5.0的環(huán)境中能快速釋放DOX,人體的血液環(huán)境pH值為 7.4左右,間接證明其在體液環(huán)境中不會(huì)發(fā)生大量的化學(xué)藥物泄露的風(fēng)險(xiǎn)。我們證實(shí)了Apt-LM載體對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)沒(méi)有抑制作用,CCK-8實(shí)驗(yàn)證實(shí)Apt-LM/DOX納米藥物對(duì)CEM細(xì)胞具有特異性殺傷效果。值得注意的是,在我們的體外殺傷研究中,DOX實(shí)驗(yàn)組的殺傷能力最強(qiáng),這是由于DOX藥物直接與CEM細(xì)胞接觸,但是DOX缺乏特異性,對(duì)正常人體細(xì)胞也會(huì)存在殺傷作用,所以在安全性方面Apt-LM/DOX納米藥物更好。我們分別選取了與Apt-LM/DOX納米藥物作用了4小時(shí)及24h的CEM細(xì)胞,觀察到Apt-LM/DOX能靶向進(jìn)入到CEM胞質(zhì),并且發(fā)現(xiàn)與Apt-LM/DOX納米藥物作用了24h的CEM細(xì)胞產(chǎn)生了大量凋亡。

圖7 腫瘤組織熒光成像。
最后我們通過(guò)荷瘤小鼠尾靜脈注射Apt-LM/DOX納米藥物,通過(guò)觀察腫瘤組織內(nèi)藥物分布情況來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證Apt-LM/DOX納米藥物體內(nèi)靶向效果,結(jié)果在腫瘤組織內(nèi)發(fā)現(xiàn)了DOX藥物的富集,證實(shí)了我們合成的靶向藥能在體內(nèi)靶向到腫瘤部位。在接下來(lái)的研究中,我們會(huì)進(jìn)一步評(píng)估Apt-LM/DOX納米藥物體內(nèi)的治療效果。
Apt-LM/DOX納米藥物能夠有效靶向白血病細(xì)胞CEM,具有很好的開發(fā)應(yīng)用前景。