第19卷3期 178 2013年5月 天津医科大学学报 Journal of Tianjin Medical University Vo1.19.No.3 May.2013 文章编号1006—8147(2013)03—0178—04 功能化氧化石墨烯作为基因和抗肿瘤药物纳米载体 的制备及性能研究 曹秀芬,冯福立,杨晓英,周晶 (天津医科大学药学院,天津市临床药物治疗和诊断重点实验室,天津300070) 摘要 目的:制备乳糖酰化壳聚糖修饰的氧化石墨烯季铵盐(GO—LCO+),作为基因和抗肿瘤药物载体。方法:采用EDC/NHS催 化法制备乳糖酰化壳聚糖,并连接到氧化石墨烯(GO)上,再用2,3一环氧丙基三甲基氯化铵将其季铵化,制备GO—LCO+。采用红 外光谱(IR)、电位及纳米粒度分析仪、原子力显微镜(AFM)等方法对GO—LCO 的结构和形态进行表征。然后通过非共价键将抗 肿瘤药盐酸阿霉素(DOX)负载到栽体上,紫外光谱仪(UV)测定负载量。通过静电作用负载荧光素标记的DNA(FAM—DNA),琼 脂糖凝胶电泳测定负载量,共聚焦荧光显微镜观察人肝癌细胞(QGY一7703)对GO—LCO+/FAM—DNA的摄取情况,最后采用 WST一1试验对GO~LCO 的细胞毒性进行了测定。结果:IR、AFM、Zeta电位数据显示成功制备GO—LCO+,uv检测载体对DOX 的负载量为477 g/mg,电泳试验检测载体对FAM—DNA的负载量是4 Ixmol/g,激光共聚焦荧光显微镜下观察GO—LCO+可快速 运载FAM—DNA到达细胞内,WST一1试验显示栽体对细胞基本没有毒性。结论:GO—LCO 作为基因和抗肿瘤药物栽体,具有优 良的栽药性能和较低的细胞毒性。 关键词氧化石墨烯;药物载体;负载量;细胞毒性 R9 文献标志码A 中图分类号Preparation and characterization of functional graphene oxide as nanocarriers for genes and anti-tumor drugs CAO Xiu-fen,FENG Fu—li,YANG Xiao—ying,ZHOU Jing (School of Pharmacy,Tianjin Key Laboratory on Technologies Enabling Development of Clinical Therapeutics and Diagnostics Theranos— tics),Tianjin Medical University,Tianjin 300070,China) Abstract Objective:To prepare lactose acylated chitosan modiifed graphene oxide quaternary ammonium salt(GO-LCO ̄)as nanocar- riers for genes and anti-tumor drugs.Methods:First,lactose acylated chitosan was prepared via EDC/NHS catalytic method,then linked it to graphene oxide(GO),finally lactose acylated chitosan modiifed graphene oxide quaternary ammonium sah(GO-LCO ̄)were prepared with 2,3-epoxypropyl trimethyl ammonium chloride.Infrared spectroscopy(IR),laser particle size analyzer and atomic force microscope (AFM)were used to characterize the stuctrure and morphology.The anti—tumor drugs doxorubicin choloride(DOX)was loaded onto the carrier via noncovalent bonding and loading capacity was detected by ultraviolet spectrograph(uv).Then lfuorescein FAM—labeled DNA (FAM-DNA)was loaded onto it through the electrostatic interaction and loading capacity was detected via electrophoresis test.The up— take of GO-LCO ̄/FAM-DNA by hepatic tumor ceils(QGY一7703)were observed by confocal laser scanning lfuorescence microscopy.Fi— nally,the cytotoxicity of this carrier was determined through WST-1 test.Results:IR,AFM,Zeta-potential records showed that GO— LCO were prepared successfully.The loading capacity of DOX was 477 Ixg/mg.The loading capacity of FAM—DNA was 4 ixmol/g.GO— LCO loading FAM—DNA could fast uptake by QGY-7703.No obvious toxicity was observed by WST一1 test.Conclusion:GO—LCO used in genes and anti-tumor drugs carrier are prepared successfully,which have good loading function and lower cytotoxicity. Key words graphene oxide;drug carrier;loading capacity;cytotoxicity 目前肝脏肿瘤的药物治疗仍不理想,其主要原 因之一就是药物对肝脏的选择性低,如果将抗癌活 效fll。基于纳米材料的药物载体由于具有高效的药 物负载量、靶向运输和控制释放等优点,在生物医 性药物与运载药物的特殊载体相联而制成前药,使 该药到达特定的肝脏病灶,则可以显著提高抗癌疗 基金项目国家自然科学基金资助项目(51103106) 学领域有广泛的应用前景l2-3l。石墨烯(graphene)是 碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一 种碳质新材料,氧化石墨烯(GO)为单层的氧化石 墨,平面上含有羧基、羟基、环氧基等,表面丰富的 作者简介曹秀芬(1986一),女。硕士在读,研究方向:抗肿瘤药物载 体;通信作者:杨晓英,E—mail:yangxiaoying@tijmu.edu.ca。 官能团赋予其新的特性,如分散性、亲水性、与聚合 物的兼容性等 。研究发现,通过耵一盯共轭、静电 第3期 曹秀芬,等助能化氧化石墨烯作为基因和抗肿瘤药物纳米载体的制备及性能研究 179 作用等非共价键作用能有效地将化学药物、DNA、 RNA等固定在氧化石墨烯上 。本试验采用具有良 (LCO)、GO—LCO 的红外光谱图。将载体分散在水溶 液中,滴于云母片上,在涂膜机上旋涂均匀后烘干, AFM观察修饰前后的形态特征。用电位及纳米粒度 好生物相容性的乳糖酸和天然多糖一壳聚糖作为修 饰GO的材料,从协同用药的层面出发,制备出可同 时运载基因药物和抗肿瘤药物DOX的纳米载体。 另外,乳糖酰化壳聚糖可以模拟去唾液酸糖蛋白, 具有肝靶向性f8],这种设计使得载体能够肝靶向的 运输基因和抗肿瘤药物,提高疗效的同时也降低药 分析仪检测载体所带电荷情况。 1.4 GO—LCO+对抗肿瘤药物DOX负载量的研 究取1 rag/mE的载体溶液6 mL,加人669 g/mL 的DOX溶液12 mL,避光搅拌24 h。12 000 r/min离 心1 h,取上层清液,测定吸光度,利用事先绘制的 物对人体正常器官、组织的毒副作用。 1材料和方法 1.1试剂与仪器GO(南开大学高分子研究所提 供),壳聚糖(青岛海普生物技术有限公司,脱乙酰 度80%),乳糖酸(上海晶纯试剂有限公司),EDC[1一 (3一二甲氨基丙基)一3一乙基碳二亚胺盐酸盐, Aldrich1,NHS(N一羟基琥珀酰亚胺,上海晶纯试剂有 限公司),三乙胺(天津市化学试剂批发公司),2,3一 环氧丙基三甲基氯化铵(Adamas),DOX(上海浩然 生物技术有限公司),改良型RPMI一1640培养基(赛 默飞世尔生物化学制品北京有限公司),WST一1细 胞增殖及细胞毒性检测试剂盒(碧云天生物科技有 限公司),FAM—DNA序列为5 一TGC—ATT一1YITr— AAT—GGT—A1Tr—TA一3 一FAM(上海生工生物科技有 限公司)。傅立叶红外光谱仪(Bruker,Tensor 27),紫 外光谱仪(JASCO,V一570),酶标仪(Promega,Glo— Max ̄一Multi),离心机(Eppendorf,centrifuge 58IOR),电位及纳米粒度分析仪(美国贝克曼库尔 特有限公司,Delsa Nano C),琼脂糖凝胶电泳仪 (BIO—RAD,PowerPac Basic),紫外成像仪(BioRad), 激光共聚焦荧光显微镜(Olympus,FVIO00)。 1.2 GO—LCO+的制备称取乳糖酸267 mg,溶于 10 mL蒸馏水中,加入NHS、EDC各50 mmol/L,电 磁搅拌活化40 arin。称1 g纯化壳聚糖,加入活化的 乳糖酸中,超声溶解,三乙胺调PH至8~9,电磁搅 拌40 cI=反应48 h。过葡聚糖凝胶柱纯化乳糖酰化壳 聚糖(LCO),冷冻干燥。取3 mg GO,加入NHS、EDC 50 mmo]/L,超声溶解后电磁搅拌,活化40 arin,向已 活化的GO中加入80mg的LCO,溶解后用三乙胺 调节pH至8~9,40℃电磁搅拌反应48 h。纯化处理 后加入400 mg过量的2,3一环氧丙基三甲基氯化铵, 超声溶解后,80 c【=油浴,搅拌反应24 h,12 000 r/arin 离心洗涤数次后定容至1 mg/mL。 1.3 CO—LCO 的表征GO—LCO 的结构和形态采 用傅立叶红外光谱仪(FT—IR)、电位及纳米粒度分 析仪、原子力显微镜(AFM)检测和观察。采用溴化 钾压片法测定壳聚糖(CO)、乳糖酰化壳聚糖 药物浓度一吸光度标准曲线计算出离心清液中药物 的浓度。根据公式(1)计算载药量。 W:(CoxV0一ClxV1)/m (1) w为负载量,C。为初始加入的DOX的浓度,V。 为初始加入的DOX的体积,C 为载药后经离心所 得的上清液中DOX的浓度,V 为载药后经离心所 得的上清液的体积,m为载体的质量。 1.5 电泳试验及细胞摄取试验 2 IxL FAM—DNA (10 Ixmol/L)分另0与0、1、2、3、4、5、6、8、l0、12、14 L CO—LCO+(0.5 mg/mL)混合,室温孵育1 h后琼脂糖 凝胶电泳,紫外成像仪上观察。25 IxL GO—LCO (1 mg/mL)与4 IxL FAM—DNA(20 Ixmol/L)混合,室 温孵育1 h后,加入1640基本培养基至500 IxL,转 染QC,,T一7703细胞30 rain,另外,4 IxL FAM—DNA (20 mol/L)相同条件下转染,作为对照试验。最后 用4%多聚甲醛固定,水溶性封片剂封片,在激光共 聚焦荧光显微镜下观察。 1.6细胞毒性试验QCY一7703细胞培养于含体 积分数10%灭活的小牛血清、1%青/链霉素的RPMI 1640培养液中,在37 ,含体积分数5%CO 的培 养箱中培养,长满后用0.25%的胰酶消化,以1:3传 代。按每孔约5xlO。个细胞接种于96孔细胞培养板 中,每孔终体积为200 L,培养箱中培养1 d后,按 浓度分别为0.1、1、10、100、500 Ixg/mL加入载体 GO—LCO ,每个浓度设置3个复孔。培养48 h后,弃 去孔内的培养基,并向孔板内加入WST 10 IxL和 1640基本培养基100 IxL,培养箱中孵育2 h后,用 酶标仪测定450 nm波长处每孔的吸光值,以未加 载体的孔作为对照孔,以空白孔作为调零孑L,按公 式(2)计算上述培养基中的细胞存活率。 W=(A—Ao)/(A1一A0)xlO0% (2) w为细胞存活率,A为试验孔吸光值,A。为空 白孔吸光值,A 为对照孔吸光值。 2结果 2.1 GO—LCO 的表征 2.1.1 GO—LCO 的红外光谱鉴定CO的IR特征 峰,如图1所示,1 648 em (C=O伸缩振动峰,酰胺 第3期 曹秀芬,等.功能化氧化石墨烯作为基因和抗肿瘤药物纳米载体的制备及性能研究 181 烯,因其独特的结构和优异的电学_loJ、热学…】、力 学 、光学性能_1]1以及在纳米技术中的潜在应用性 而倍受关注。石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的 单原子层构成的,其基本结构单元为有机材料中最 稳定的苯六元环,其厚度仅为0.35 H1TI,是目前发现 的最薄的二维材料_l4]。石墨烯已成为备受关注的 研究热点,而其在生物医药领域的研究还处于探 索阶段。 共聚焦荧光显微镜观察显示,载体可以快速高效地 运载FAM—DNA到达肝癌细胞,通过WST—l试验 对载体的细胞毒性进行了检测,证明载体本身具有 较低的细胞毒性。研究结果初步证明GO—LCO 可以 用于基因和抗肿瘤药物运载输送的研究,为氧化石 墨烯在生物医学领域的应用以及今后的研究奠定 了基础。另外,乳糖酰化壳聚糖可以模拟去唾液酸 糖蛋白,作为抗肿瘤药物的肝靶向载体,对于GO— 虽然石墨烯是由稳定的六元环构成,但是其边 沿以及缺陷部位具有较高的反应活性,可以通过化 学氧化的方法制备氧化石墨烯。氧化石墨烯含有大 量的羧基、羟基和环氧键等活性基团,可以利用这 些基团与其它分子之间的化学反应对石墨烯进行 功能化修饰。Dai等l15]首先制备了具有生物相容性 的聚乙二醇功能化的石墨烯,通过碳二亚胺催化将 聚乙二醇的氨基连接到氧化石墨烯的羧基上,使这 种功能化的石墨烯具有了良好的水溶性,并且能够 在血浆、细胞培养液等生理环境下保持稳定的分 散,作为抗肿瘤药物喜树碱衍生物SN38的载体,开 启了石墨烯在生物医药领域的应用研究。Zhang等_l6l 采用阳离子聚合物聚乙烯亚胺修饰GO,负载siR— NA和DOX,实验结果证明这种输送体系可以显著 增强抗肿瘤疗效,而目前基于石墨烯的肝靶向抗肿 瘤药物载体的研究报道很少。 盐酸阿霉素(DOX)是广谱的抗肿瘤药物,临床 上主要用于治疗乳腺癌、甲状腺癌、肝癌、卵巢癌、 肉瘤等实体瘤。DOX易溶于水,既具有脂溶性蒽环 配基和水溶性柔红糖胺,又有酸l生的酚羟基和碱性 氨基,易通过细胞膜进人肿瘤细胞,具有很强的药 理活性。而氧化石墨烯两面均具有芳香结构,可以 通过盯一盯共轭、氢键和疏水效应等非共价键和抗肿 瘤药DOX的蒽环作用,负载于GO—LCO 表面,因此 选择DOX作为装载药物,来考察载体GO—LCO 在 生物医药方面的应用。DNA、miRNA、siRNA等基因 药物都带正电荷,很难进入细胞发挥其疗效,因此 开发出一种基因药物载体很重要【17]。Zeta电位显示 GO—LCO 带正电荷,可以通过静电吸附作用将基因 药物负载于载体上。 本试验采用一种新颖的修饰方法,首先制备乳 糖酰化壳聚糖,通过酰胺键连接壳聚糖的氨基和 GO的羧基,制备出乳糖酰化壳聚糖修饰的GO,最 后利用2,3一环氧丙基三甲基氯化铵将其季铵化,从 协同用药的层面出发,制备出既可以携带基因药 物,又可以负载抗肿瘤药物的载体GO—LCO ,并对 DOX和FAM—DNA的负载量进行了检测。通过激光 LCO+的肝肿瘤靶向性有待进一步研究。 (本文图2、4见第259页) 参考文献: [1]马淑艳.甘草有效成分的制备及甘草次酸类肝靶向抗癌前药的 合成研究『D1.乌鲁木齐:新疆医科大学,2008 [2] Burger K N,Staffhorst R W,de Vijlder H C,et a1.Nanocapsules: lipid—coated aggregates of cisplatin with high cytotoxieity[J].Nat Med 2002,8(1):81 l3 J Guo R,Li R,Li X,et a1.Dual—functional alginic acid hybrid nanospheres for cell imaging and drug delivery[J].Small,2009,5 (6):709 l4]Guo H L,WangX F,Qian Q Y,et a1.A green approach to the syn- thesis of graphene nanosheets[JJ.ACS Nano,2009,3(9):2653 [5]『JixL,ZhangGY,BaiXD,eta1.Highly conductinggraphene sheets and langmuir-blodgett iflms[J1.Nat Nanotech,2008,3(9):538 l 6 J Zhang L,Xia J,Zhao Q,et a1.Functional graphene oxide as a nanocarrier for controlled loading and targeted delivery of mixed anticancer drugs[J】_Small,2010,6(4):537 [7]Peng C,Hu W,Zhou Y,et a1.Intracellular imaging with a graphene—based lfuorescent probe[Jj.Small,2010,6(15):1686 [8]王银松,韩月莲,李英霞,等.甲氨蝶呤一乳糖酰基壳聚糖的制备 及其体外实验lJ1.高等学校化学学报,2007,28(6):1092 l9 J Geim A K,Novoselov K S.The rise of grapheme[J].Nat Mater, 2007.6(3):183 l 10 J Novoselov K S,Jiang Z,Zhang Y,et a1.Room—temperature quan— tum hall effect in graphene阴.Science,2007,315(5817):1379 l 1 1 J Balandin A A,Ghosh S,Bao W,et a1.Superior thermal conductivi— ty of single—layer grapheme[J1_Nano Lett,2008,8(3):902 l 12 j Lee C,Wei X,Kysar J W,et a1.Measurement of the elastic proper— ties and intrinsic strength of monolayer grapheme[J].Science,2008, 321(5887):385 [13]Mak K F,Sfeir M Y,Wu Y.et a1.Measurement ofthe optical c0n— ductivity of grapheme[JJ.Phys Rev Lett,2008,101(19):196405 ll4j Novoselov K S,GeimAK,Morozov S V eta1.Electricfield effect in atomically thin carbon films[J1.Science,2004,306(5696):666 l 15 j Sun X,Liu Z,Welsher K,et a1.Nano—Graphene oxide for cellular imaging and drugdelivery[Jl_NanoRes,2008,1(3):203 【16 j Zhang L,Lu Z,Zhao Q,et a1.Enhanced chemotherapy efifcacy by sequential delivery of siRNA and anticancer drugs using PEI— Grafted graphene oxide[Jl_Small,201 1,7(4):460 l 17 J Yang X Y,Niu G L,Cao X F,et a1.The preparation offunctional— ized graphene oxide ofr targeted intracellular delivery of siRNA[J1 .J Mater Chem,2012,22(13):6649 (2012—12—17收稿)