目的:近年来,MXene作为一种新型二维(2D)纳米材料,因其优异的性能而被广泛研究用作纳米递药平台。为了探索其新的表面改性方式和抗乳腺癌作用,我们构建了DOX@Ti3C2@Au-PEG纳米复合药物递送系统。方法:采用金纳米颗粒(Au NPs)对Ti3C2进行改性,引入巯基聚乙二醇醛基(SH-PEG-CHO)提高水溶性,同时负载化疗药物阿霉素(DOX),制备DOX@Ti3C2@Au-PEG纳米复合药物递送系统,进行表征验证其成功制备,并进一步研究其光热性能和抗乳腺癌作用。结果:Ti3C2被成功刻蚀成单层薄片,Au NPs在其表面均匀散在分布,平均尺寸约为20 nm。Ti3C2@Au纳米复合材料具有良好的光热升温性能和极低的细胞毒性。细胞试验证明,DOX@Ti3C2@Au-PEG纳米复合体系取得了最佳的光热治疗(PTT)协同化疗的抗乳腺癌效果。结论:成功构建基于Au纳米粒子修饰MXene的药物递送体系DOX@Ti3C2@Au-PEG,其展现出良好的光热升温性能及协同化疗的抗乳腺癌效果,值得进一步研究。 Objective: In recent years, MXene, as a new two-dimensional (2D) nanomaterial, has been widely studied as a nanodrug delivery platform due to its excellent properties. In order to explore the new surface modification method and anti-breast cancer effect, we constructed DOX@Ti3C2@Au-PEG nanocomposite drug delivery system. Methods: Ti3C2 was modified by gold nanoparticles (Au NPs), the sulfhydryl polyethylene glycol aldehyde group (SH-PEG-CHO) was introduced to improve water solubility, and chemotherapy drug DOX was loaded at the same time to construct the DOX@Ti3C2@Au-PEG nanocomposite drug delivery system, and its successful preparation was verified by characterization. Further experiments were conducted to study its photothermal properties and anti-breast cancer effects. Results: Ti3C2 was successfully etched into a single layer. Au NPs were evenly distributed on the surface with an average size of about 20 nm. Ti3C2@Au nanocomposites have good photothermal heating performance and low cytotoxicity. Cell experi-ments have proved that DOX@Ti3C2@Au-PEG nanocomposite system has achieved the best an-ti-breast cancer effect of photothermal therapy (PTT) combined with chemotherapy. Conclusion: The drug delivery system DOX@Ti3C2@Au-PEG based on Au nanoparticles modified MXene was successfully constructed, which showed excellent anti-breast cancer treatment effect of photothermal chemotherapy, which deserves further study.
目的:近年来,MXene作为一种新型二维(2D)纳米材料,因其优异的性能而被广泛研究用作纳米递药平台。为了探索其新的表面改性方式和抗乳腺癌作用,我们构建了DOX@Ti3C2@Au-PEG纳米复合药物递送系统。方法:采用金纳米颗粒(Au NPs)对Ti3C2进行改性,引入巯基聚乙二醇醛基(SH-PEG-CHO)提高水溶性,同时负载化疗药物阿霉素(DOX),制备DOX@Ti3C2@Au-PEG纳米复合药物递送系统,进行表征验证其成功制备,并进一步研究其光热性能和抗乳腺癌作用。结果:Ti3C2被成功刻蚀成单层薄片,Au NPs在其表面均匀散在分布,平均尺寸约为20 nm。Ti3C2@Au纳米复合材料具有良好的光热升温性能和极低的细胞毒性。细胞试验证明,DOX@Ti3C2@Au-PEG纳米复合体系取得了最佳的光热治疗(PTT)协同化疗的抗乳腺癌效果。结论:成功构建基于Au纳米粒子修饰MXene的药物递送体系DOX@Ti3C2@Au-PEG,其展现出良好的光热升温性能及协同化疗的抗乳腺癌效果,值得进一步研究。
光热治疗,MXene,药物递送,化疗,表面改性
Aiping Liu, Gengjun Liu, Yaxin Li, Haiyan Wang*
The Affiliated Hospital of Qingdao University, Qingdao Shandong
Received: Mar. 26th, 2022; accepted: Apr. 21st, 2022; published: Apr. 28th, 2022
Objective: In recent years, MXene, as a new two-dimensional (2D) nanomaterial, has been widely studied as a nanodrug delivery platform due to its excellent properties. In order to explore the new surface modification method and anti-breast cancer effect, we constructed DOX@Ti3C2@Au-PEG nanocomposite drug delivery system. Methods: Ti3C2 was modified by gold nanoparticles (Au NPs), the sulfhydryl polyethylene glycol aldehyde group (SH-PEG-CHO) was introduced to improve water solubility, and chemotherapy drug DOX was loaded at the same time to construct the DOX@Ti3C2@Au-PEG nanocomposite drug delivery system, and its successful preparation was verified by characterization. Further experiments were conducted to study its photothermal properties and anti-breast cancer effects. Results: Ti3C2 was successfully etched into a single layer. Au NPs were evenly distributed on the surface with an average size of about 20 nm. Ti3C2@Au nanocomposites have good photothermal heating performance and low cytotoxicity. Cell experiments have proved that DOX@Ti3C2@Au-PEG nanocomposite system has achieved the best anti-breast cancer effect of photothermal therapy (PTT) combined with chemotherapy. Conclusion: The drug delivery system DOX@Ti3C2@Au-PEG based on Au nanoparticles modified MXene was successfully constructed, which showed excellent anti-breast cancer treatment effect of photothermal chemotherapy, which deserves further study.
Keywords:Photothermal Therapy, MXene, Drug Delivery, Chemical Therapy, Surface Modification
Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).
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近年来,乳腺癌的发病率逐渐上升 [
目前,二维(2D)纳米材料,包括石墨烯 [
在本研究中,通过原位生长的方法将Au NPs固定在Ti3C2表面,引入巯基聚乙二醇醛基(SH-PEG-CHO)增加载体水溶性,同时负载化疗药物阿霉素(DOX),构建DOX@Ti3C2@Au-PEG纳米复合体系,探究其体内外光热转化性能和抗乳腺癌作用,为肿瘤治疗提供新的研究思路。
盐酸,氟化锂,氯金酸,国药集团化学试剂有限公司;巯基聚乙二醇醛基(SH-PEG-CHO,分子量5000),西安齐岳生物有限公司;四羟甲基氯化磷(THPC, 80%),聚丙烯胺盐酸盐(PAH,分子量15,000),上海阿拉丁生化科技有限公司;阿霉素(DOX),大连美仑生物科技有限公司;CCK-8试剂盒,MedChemExpress;RPMI-1640培养基,胎牛血清(FBS),美国GIBCO公司。
首先,用盐酸/氟化锂刻蚀掉最大相Ti3AlC2中的Al层,合成Ti3C2纳米薄片。将1 g氟化锂加入到20 mL 9 M盐酸溶液中搅拌5 min使氟化锂完全溶解,然后将1 g Ti3AlC2逐渐加入上述溶液,35℃环境中反应24 h。多次离心、洗涤至上清液pH达到6时,得到Ti3C2纳米薄片。
然后,制备金种子和金生长溶液,并采用原位生长的方法将Au NPs固定在Ti3C2纳米片表面。将12 µL四羟甲基氯化磷(THPC, 80%)和0.25 mL氢氧化钠(2 M)溶液加入到45 mL超纯水中搅拌5 min,将2 mL氯金酸溶液(1%)快速加入上述溶液中,室温下避光搅拌过夜,得到金种子溶液。将25 mg碳酸钾加入到含有1.5 mL氯金酸的100 mL超纯水中,室温下避光搅拌过夜,得到金生长溶液。将2 mL Ti3C2纳米片悬液(1 mg∙mL−1)加入到4 mL 2 mg∙mL−1的聚丙烯胺盐酸盐(PAH,分子量15,000)溶液中充分反应,离心洗涤去除多余PAH分子后,加入10 mL金种子溶液,室温搅拌4 h,离心洗涤去除多余金种子溶液后,加入金生长溶液搅拌2 h,加入29%甲醛溶液搅拌1 h,即得到含Ti3C2@Au的悬液。
最终,制备DOX@Ti3C2@Au-PEG纳米复合递药体系。将1 mL Ti3C2@Au (1 mg∙mL−1)悬液分散在4 mL巯基聚乙二醇醛基(SH-PEG-CHO, 4 mg∙mL−1)溶液中搅拌2 h,加入20 mL 10 µg∙mL−1 DOX溶液,室温下避光搅拌过夜,将沉淀物收集为DOX@Ti3C2@Au-PEG,冷冻干燥后,置于−20℃储存以备后续使用。
使用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察Ti3C2纳米片和Ti3C2@Au纳米复合材料的形貌,使用红外热成像仪记录实验中的温度变化。
将Ti3C2@Au悬液(0.05 mg∙mL−1)用808 nm、0.75 W cm-2的激光照射10 min,观察其温度变化情况,并与水溶液作对照。Ti3C2@Au悬液(0.1 mg∙mL−1)分别经808 nm、不同功率(0.25、0.5、0.75、1 W∙cm−2)激光照射5 min,研究其光热升温性能。
小鼠乳腺癌细胞系4T1细胞由青岛大学附属医院中心实验室提供。使用含有90% RPMI-1640基础培养基、10% FBS和1%青霉素/链霉素双抗溶液的完全培养基进行培养,置于37℃、含5% CO2的细胞培养箱中孵育。
为研究Ti3C2@Au-PEG纳米复合载体的细胞毒性,首先将4T1细胞以8 × 103/孔的密度接种于96孔板中,完全培养基孵育过夜,使细胞贴壁,加入不同浓度的Ti3C2@Au-PEG悬液(0、150、300、450、600 ppm)孵育24 h,每个浓度设五个复孔,孵育结束后,使用CCK-8试剂盒检测细胞相对存活率。为研究不同浓度Ti3C2@Au-PEG悬液经NIR照射的细胞杀伤作用,将同样孵育过夜的贴壁细胞,分别与不同浓度Ti3C2@Au-PEG悬液(0、25、50、75、100 ppm)孵育4 h,用808 nm、0.75 W∙cm−2的激光照射5 min,使用CCK-8试剂盒检测细胞相对存活率。
将4T1细胞以8 × 103/孔的密度接种于96孔板中,完全培养基孵育过夜,使细胞贴壁。如表1所示,分五组进行实验,各组处理结束后,使用Calcein/PI双染试剂盒进行细胞染色,活细胞被染成绿色,死细胞被染成红色。每组设五个复孔,重复三次实验。
序号 | 组别 | 处理措施 |
---|---|---|
(1) | 对照组 | 用100 µL生理盐水替换旧培养基,孵育2 h |
(2) | NIR组 | 用808 nm、1 W∙cm−2的激光照射10 min |
(3) | DOX组 | 用100 µL含10 µg∙mL−1 DOX的基础培养基替换 旧培养基,孵育2 h |
(4) | DOX@Ti3C2@Au组 | 用100 µL含20 mg∙mL−1 DOX@Ti3C2@Au的 基础培养基替换旧培养基,孵育2 h |
(5) | DOX@Ti3C2@Au + NIR组 | 培养基替换旧培养基,孵育2 h后,用808 nm、 1 W∙cm−2的激光照射10 min |
表1. 细胞实验分组
使用SPSS26.0软件进行统计学分析。定量资料以均数 ± 标准差(Means ± SD)表示,两组间均数数比较采用两独立样本t检验(independent samples t-test),P < 0.05认为差异具有统计学意义。
为了证实单层Ti3C2和Ti3C2@Au纳米复合材料的成功制备,对其进行了SEM表征,如图1(a)、图1(b)所示,合成的Ti3C2表面干净,略有卷曲,Au NPs均匀地散在分布在Ti3C2纳米片表面,出现几条褶皱,说明其具有良好的柔韧性,SEM图像直接证实了Ti3C2和Ti3C2@Au的成功制备。
TEM图像(图2(a),图2(b))所得结果与SEM图像相对应,可以更加清晰地看到Ti3C2纳米片的形貌,已经被完全刻蚀呈薄层状,另外,Au NPs在其表面的均匀分布,粒径在5~30 nm之间,这样相对较小的纳米粒径,为后续体内有效循环提供了可能性。
另外,Ti3C2@Au纳米复合材料的能量色散分析表(表2)显示了其主要元素组成:C (51.62%)、Ti (1.76%)、Au (8.81%),其中Al层已经从MAX相中被完全刻蚀掉,说明Ti3C2的成功制备以及Au NPs的良好表面固定。
图1. Ti3C2 (a) 和Ti3C2@Au (b) 的扫描电子显微镜(SEM)图像
图2. Ti3C2 (a) 和Ti3C2@Au (b) 的透射电子显微镜(TEM)图像
元素 | 原子数 | 质量(%) | 归一化质量(%) | 原子百分比(%) |
---|---|---|---|---|
Ti | 22 | 1.76 | 2.82 | 0.84 |
C | 6 | 51.62 | 83.02 | 98.14 |
Au | 79 | 8.81 | 14.16 | 1.02 |
表2. Ti3C2@Au纳米复合材料的主要元素组成
用808 nm、0.75 W∙cm−2的激光照射Ti3C2@Au悬液(0.05 mg∙mL−1) 10 min,其温度可以达到49.4℃,而相同条件下,水溶液仅能达到36.5℃(图3(a)),二者之间存在显著统计学差异(P < 0.01)。Au NP作为一种贵金属,本身具有很好的光热升温性能,与纳米材料结合在一起,进一步提高了整个载体的光热转化效率。另外,用808 nm、不同功率(0.25、0.5、0.75、1 W∙cm−2)的NIR照射Ti3C2@Au悬液(0.1 mg∙mL−1) 5 min,结果如图3(b)所示,随着功率的增加,Ti3C2@Au悬液的温度逐渐升高,且各组间存在显著统计学差异。当功率为1 W∙cm−2时,最高可以达到56℃,较初始温度升高了26.3℃,说明其具有优异的体外光热升温性能。
图3. (a) H2O和Ti3C2@Au悬液(0.05 mg∙mL−1)用808 nm、0.75 W∙cm−2的激光照射10 min的升温效应。(b) Ti3C2@Au悬液(0.1 mg∙mL−1)经808 nm、不同功率(0.25、0.5、0.75、1 W∙cm−2)的NIR照射5 min的升温效应
图4. (a) 4T1细胞与不同浓度Ti3C2@Au-PEG悬液(0、150、300、450、600 ppm)共孵育24 h后的细胞存活率。(b) 各处理组的细胞存活率
考虑到纳米复合载体在生物医学领域的实际应用,其细胞毒性成为一个关键性问题。CCK-8试验显示(图4(a)),即使Ti3C2@Au-PEG纳米复合载体的浓度达到600 ppm时,细胞仍保持较高的存活率(平均值为96.1%),且在各浓度下,其细胞存活率与对照组相比,无统计学差异(P > 0.05),这表明Ti3C2@Au-PEG纳米复合载体无明显细胞毒性,这为进一步体内研究和将来的临床应用转化提供了可能性。此外,按表1所示分组给予4T1细胞相应处理后,进行CCK-8试验,结果如图4(b)所示,各组细胞存活率与对照组相比,均存在统计学差异,这说明各疗法均可取得一定疗效,但DOX@Ti3C2@Au + NIR组治疗效果最明显,其细胞存活率仅为17.8%,且与对照组之间存在显著统计学差异(P < 0.001),这说明PTT联合化疗的综合抗乳腺癌效果最佳,有望取代单一疗法成为更好的治疗策略。此外,光热效应不仅本身可以通过高热导致肿瘤细胞死亡,而且可能有效增加细胞通透性,从而加强细胞对药物和载体的摄取,进一步导致肿瘤细胞死亡。
综上所述,本研究成功制备了基于Au NPs修饰MXene的纳米复合递药体系DOX@Ti3C2@Au-PEG,Ti3C2@Au-PEG纳米载体具有良好的光热升温性能,表现出极低的细胞毒性,巨大的表面有利于药物负载,可以用作稳定的肿瘤协同治疗的递药载体。该纳米复合递药体系,在细胞实验中初步展现出良好的PTT协同化疗的综合抗乳腺癌效果,说明联合疗法优于各单一疗法,这表明MXene在纳米递药生物医学领域具有广阔的应用前景,值得进行下一步探索。
山东省自然科学基金资助项目(ZR2017MH042)。
刘爱萍负责设计实验、进行实验、数据整理分析和文章撰写,刘耿君和李雅欣参与部分细胞实验,王海燕负责课题总体构思和修改文章。
刘爱萍,刘耿君,李雅欣,王海燕. 基于Au纳米粒子修饰MXene递药系统的构建及其抗乳腺癌研究 Construction of MXene Delivery System Modified by Au Nanoparticles and Its Anti-Breast Cancer Effect[J]. 临床医学进展, 2022, 12(04): 3600-3607. https://doi.org/10.12677/ACM.2022.124522