一种苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白K72自组装的纳米超分子光热剂及其制备方法和应用

一种苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明属于有机合成领域，更具体地，涉及一种苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂及其制备方法和应用。


背景技术：

2.癌症是世界范围内最严重的疾病之一，多年来一直威胁着人类的生命健康。随着医学技术的发展，手术、放疗、化疗等常规临床治疗手段的疗效在一定程度上得到了提高。然而，仍然迫切需要克服这些疗法的固有局限性。特别是，尽管手术可以直接切除实体瘤，但对于已经转移的肿瘤来说，手术是无能为力的。使用放射性核素或射线(如x射线)造成电离辐射损伤以杀死癌细胞，将同时对邻近组织造成严重损害。化疗通常用于临床，但也具有较高的毒副作用，因为该方法具有高耐药率和脱靶率，并加剧患者的严重疼痛。因此，开发新的替代癌症治疗策略来解决上述问题成为研究热点。光热治疗(photothermal therapy,ptt)是利用具有较高光热转换效率的材料，将其注射或涂抹在人体部位，利用靶向性识别技术聚集在肿瘤组织附近，并在外部光源的照射下将光能转化为热能来杀死癌细胞的一种治疗方法。研究表明，与正常细胞相比，癌细胞不耐热，当温度高于45℃时，很容易产生凋亡，因此，光热疗法被认为是新时期癌症治疗的一种有希望的策略。
3.苝酰亚胺属于一类典型的稠环芳烃分子，其具有强的π-π共轭体系，较高的电子亲和能力及优异的电荷传导能力，对紫外-可见光区、红外光区均有很强的吸收，并且具有优异的光化学、热和化学稳定性。苝酰亚胺衍生物易于合成且大多产物提纯简单且具有较高的产率。近几年来，苝酰亚胺衍生物在生物医学领域的应用备受瞩目，其在单分子成像、生物分子成像、金属离子检测、亚细胞结构、细胞成像及肿瘤治疗等领域显示出巨大优势，能够实现较长时间、高灵敏度、低信噪比、动态的荧光成像、检测和治疗。但是由于苝酰亚胺的特殊共轭结构使得其溶解性较差，导致该类化合物的应用发展受到了一定的限制。
4.有机合成是一种传统的合成药物的方法，并被广泛应用于创新药物。超分子自组装是一种普遍存在的自然现象，许多生物大分子如dna、病毒分子和金属酶等都是通过自组装过程，形成高度组织、信息化和功能化的复杂结构。自从上个世纪五十年代dna双螺旋结构被阐明以来，人们对生物体系中的自组织和自组装(self-organization and self-assembly)现象就有了深刻的认识。生物世界在制造生物大分子纳米材料和器件时都采用最节省能量和节约材料并且可以在原子分子水平上自我控制操纵的自组装过程。为了模拟生物界并解决生物界的一些问题，比如抗肿瘤问题，运用生命科学已有的知识来操纵原子和分子，制造纳米材料和分子器件是非常有应用前景的研究方法。另外，合成生物学旨在阐明并模拟生物合成的基本规律，设计并构建新的、具有特定生理功能的生物系统(如微生物细胞)，从而建立药物、功能材料、能源替代品等的生物制造途径。
24h。
22.本发明中，提纯步骤中，所述反应液为溶剂和反应所得中间体化合物的混合溶液。
23.根据本发明，优选地，步骤(2)中，所述第一培养基为无菌lb培养基，所述无菌lb培养基中含有氨苄青霉素；
24.所述扩增的条件为在30-37℃下、转速为180-250rpm的摇床中进行；
25.所述第二培养基为含有氨苄青霉素和甘油的无菌tb培养基，无菌tb培养基中的氨苄青霉素和甘油的浓度分别为100-120μg/ml和0.3-0.5％；
26.所述iptg的用量为80-120mmol/ml。
27.根据本发明，优选地，步骤(2)中，所述再进行培养后，还包括如下步骤：
28.离心，收集细胞，用含有溶菌酶和dna酶的缓冲液重新悬浮细胞，用探头超声仪溶解细胞，直到溶解液变成半透明，离心，收集上清液；将所述上清液盐析5-6次，得类弹性蛋白k72；
29.其中，优选地，所述盐析过程中所用的氯化钠浓度逐渐由最初的5mol/l经过超纯水稀释至3.5mol/l。
30.根据本发明，优选地，步骤(3)中，所述第二溶剂为去离子水，所述第二催化剂为n-羟基琥珀酰亚胺和1,3-二异丙基碳二亚胺；
31.所述反应的温度为30-40℃，时间为14-20h；
32.所述甲氧基-聚乙二醇-羧基-5000和类弹性蛋白k72的摩尔比例为14.4-15:1。
33.本发明中，为了提高超分子光热剂的水溶性并且减小对中间体化合物的影响，mpeg-cooh-5000与类弹性蛋白k72的摩尔比例优选为14.4-15:1，n-羟基琥珀酰亚胺和1,3-二异丙基碳二亚胺作为反应的催化剂，去离子水的体积优选为20-30ml。
34.根据本发明，优选地，步骤(4)中，将所述如式ⅰ所示的中间体化合物分散于去离子水中，加入naoh对其羟基进行活化。
35.根据本发明，优选地，步骤(4)中，所述自组装的温度为30-40℃，所述自组装的时间为24-48h；
36.优选地，步骤(4)中，还包括提纯和干燥步骤；
37.所述提纯的步骤优选包括：反应完成后，将反应冷却至室温，然后将反应所得的混合溶液用pd-10脱盐柱进行提纯，去离子水作为洗脱剂，收集产物；
38.所述干燥的步骤优选包括：将提纯出的产物于-80至-70℃真空冷冻干燥箱中干燥24-72h。
39.本发明中，步骤(4)中，中间体化合物与类弹性蛋白k72的摩尔比例优选为13-14:1。
40.本发明的第二方面提供上述制备方法制备的苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂。
41.本发明制备的一种苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂具有良好的水溶性，在激光照射下能够升温，并且具有较高的光热转化效率，另外，苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂在升温降温循环12次后仍然具有良好的光热效果，可见该超分子光热剂在光热治疗癌细胞方面具有良好的应用前景，且在化学、医学、药学等领域均具有一定的启发意义。
42.本发明的第三方面提供上述光热剂作为用于治疗癌症的光热疗法用光热剂的应用。
43.本发明的技术方案具有如下有益效果：
44.(1)本发明利用有机合成的方法制备的苝酰亚胺衍生物中间体化合物具有光热性质良好、易于修饰的优点，合成工艺简单，可进行工业化生产；
45.(2)本发明所用的类弹性蛋白k72没有免疫原性，对人体组织、组织液和血液具有生物可降解性和生物相容性，使其成为构建纳米药物的良好载体；
46.(3)本发明利用有机合成以及合成生物学方法将mpeg-cooh-5000修饰类弹性蛋白k72，不仅有利于提高溶解性及生物相容性，同时也有利于修饰产物的形貌；
47.(4)本发明利用超分子自组装的方法将中间体化合物与mpeg-cooh-5000修饰后的类弹性蛋白k72进行组装反应，在不降低光热转化效率的基础上大大提高了超分子光热剂的水溶性及生物相容性；
48.(5)本发明所制备的苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂在激光照射下产生光热效应作用，5min内能从室温升高温度至75℃左右，有望对肿瘤进行光热治疗。即本发明为肿瘤治疗提供了一种新的治疗材料，以及为纳米药物通过光热效应杀死肿瘤细胞提供一定的参考。
49.本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
50.通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
51.图1示出了根据本发明的一个实施例的一种苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂的合成路线图。
52.图2示出了根据本发明的一个实施例的苝酰亚胺衍生物中间体化合物的氢谱核磁谱图。
53.图3示出了根据本发明的一个实施例的类弹性蛋白k72在聚丙烯酰胺凝胶中的电泳结果图；其中，marker表示用来参照的标准蛋白，显示蛋白大小。
54.图4根据本发明的一个实施例的一种苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂的扫描电子显微镜图。
55.图5为根据本发明的一个实施例的一种苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂的紫外可见吸收光谱；其中，横轴表示波长，纵轴表示吸收强度。
56.图6根据本发明的一个实施例的一种苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂的光热曲线；其中，横轴表示时间，纵轴表示温度。
57.图7根据本发明的一个实施例的一种苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂的光热稳定性图；其中，横轴表示时间，纵轴表示温度。
具体实施方式
58.下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施
方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
59.以下通过实施例进一步说明本发明：
60.以下实施例所用的构造好的含有k72基因片段的质粒由生工生物(上海)公司合成，并构建于pet25b表达质粒载体上，用于转化入大肠杆菌原核表达感受态blr(de3)中。
61.所用的3,4,9,10-苝四甲酸二酐购自上海迈瑞尔化学技术有限公司；所用的mpeg-cooh-5000购自陕西新研博美生物科技有限公司；所用的咪唑购自北京兰博利德商贸有限公司；所用的氘代二甲基亚砜购自北京安耐吉能源工程技术有限公司；所用lb培养基与tb培养基均根据通用方式配制；所用氨苄青霉素购自北京鼎国昌盛生物科技有限责任公司；所用的大肠杆菌感受态细胞购自novagen公司；所用的n-羟基琥珀酰亚胺购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；所用的1,3-二异丙基碳二亚胺购自上海迈瑞尔化学技术有限公司。
62.实施例
63.如图1所示，本实施例提供了一种苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂，具体制备方法和部分测试数据如下：
64.(1)苝酰亚胺衍生物中间体化合物的制备：
65.将称取3,4,9,10-苝四甲酸二酐5g(12mmol)，多巴胺4g(25mmol)和咪唑20g于100mlschlenk瓶中，抽真空充氮气或氩气，重复3-5次，在氮气保护下加热至120℃，磁力搅拌反应4h。冷却至90℃后倒入大量去离子水中，搅拌5min，抽滤，用去离子水和甲醇各洗3-5遍，于70℃真空干燥箱中干燥20h，得中间体化合物(如式ⅰ所示)。
66.取其中5-10mg中间体化合物，最优为7mg的苝酰亚胺衍生物中间体化合物溶于0.5ml氘代二甲基亚砜中进行核磁共振氢谱(1hnmr)测试，如图2所示。可见图谱上出现的峰分别对应分子结构中的a-i各组氢，通过积分，得积分面积比与各个对应的峰谱氢数量比基本一致。由氢谱可以看出苝酰亚胺衍生物中间体化合物形成了一种对称的结构。
67.(2)类弹性蛋白k72的制备：
68.将1μl构造好的含有k72基因片段的质粒转化到30μl大肠杆菌感受态细胞中，然后向其中加入1000μl含有15μg/ml氨苄青霉素的无菌lb培养基，37℃摇床培养1h。然后将其倒入含有15μg/ml氨苄青霉素的lb固体培养基上，涂均匀，于37℃培养箱中培养过夜。
69.取其中一株菌落于含有15μg/ml氨苄青霉素的200ml无菌lb培养基中，在37℃下摇床上以225rpm摇动培养，直到细菌溶液的od600达到3-5。取10ml菌液转移到1l含有100μg/ml氨苄青霉素和0.4％甘油的无菌tb培养基中，继续于37℃摇床上以225rpm摇动培养，当od600值达到0.6-0.8时，向其中加入1ml iptg(100mmol/ml)以诱导蛋白质的表达，然后继续培养15小时。
70.在4℃下离心10-20min，从细菌培养物中收集细菌。丢弃上清液后，用5倍体积含有溶菌酶和dna酶的缓冲液重新悬浮细胞。用探头超声仪溶解细胞，直到溶解液变成半透明，超声设置如下：4秒打开，8秒关闭，共超声90min。然后4℃下将溶解液离心30分钟，收集上清液。盐析：将上清液缓慢加入到5m的nacl中，静置1h后于35℃下离心20min。将颗粒重新悬浮在原始量的五分之一超纯水中，静置1h后于35℃下离心20min。得上清液。将上述步骤重复
5-6次，直至nacl浓度为3.5m。最后，得纯化的溶解蛋白质，储存在-20℃冰箱中。
71.取微量类弹性蛋白k72溶于20μl去离子水中，加入10μl 3
×
蛋白印迹上样缓冲液，在95℃下加热10min后制备蛋白检测样品，用于聚丙烯酰胺凝胶电泳分析，结果如图3所示。从图3中可以看出，我们成功制备与提纯了类弹性蛋白k72，其蛋白分子量为36kda。
72.(3)苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂的制备：
73.称取72mg mpeg-cooh-5000，36mg类弹性蛋白k72，10mgn-羟基琥珀酰亚胺(nhs)和6μl1,3-二异丙基碳二亚胺(dic)于20ml去离子水中，35℃下磁力搅拌反应16h。然后称取10mg苝酰亚胺衍生物中间体化合物溶于3ml去离子水中，加入微量的naoh活化苝酰亚胺衍生物中间体化合物的羟基，然后以0.5ml/min的速度缓慢滴加到上述反应中，反应继续在磁力搅拌下于35℃组装24h。
74.将反应冷却至室温，然后将反应所得的混合溶液用pd-10脱盐柱进行提纯，去离子水作为洗脱剂，收集第一个流出物，即为产物。将提纯出的产物于-80℃真空冷冻干燥箱中干燥36h。
75.对制得的苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂进行透射电子显微镜拍照，结果如图4所示。由图4可得所制得的纳米超分子光热剂具备体积小(30nm)，比表面积大，且具有很好的水溶性。
76.测试例
77.本测试例对实施例制备的苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂的光热性能和光热稳定性能进行测试研究，具体如下：
78.在研究苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂的光热性能和光热稳定性能之前，我们首先对其进行了紫外可见吸收光谱的测试研究，如图5所示。实施例制备的苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂具有较广泛的吸收范围并且在450-550nm处具有较强的吸收，因此经过综合考虑，我们选取520nm的激光波长来进行光热性质和光热稳定性能的研究。
79.(1)光热性能的研究：将苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂用去离子水配制成0.5mg/ml的溶液，取100μl溶液于1.5ml离心管中，用波长为520nm、功率为0.4w/cm2的激光器照射溶液体系5min，至温度升至最高，然后停止使用激光照射，直至降到室温，全程使用光热成像仪记录，每10s间隔记录一下温度。如图6所示，体系在5min内最高温度能升到75℃左右，表明该超分子光热剂具有很好的光热性能。
80.根据以下方程式，我们对所测得的数据进行了光热转换效率(η)的计算：
[0081][0082]
其中h为传热系数，a是容器的表面积，q
dis
表示溶剂和容器介导的激光散热，i是激光功率，a
520
是520nm处的吸光度。
[0083][0084]
其中，∑im
icp，i
≈mc
water
，m是去离子水的质量，c
water
是去离子水的比热容(c
water
＝
4.2j/(g
·
℃))。τs是相关的时间系数，为：
[0085]
t＝-τslnθ
[0086]
其中，θ是一个无量纲参数，称为驱动力温度：
[0087][0088]
其中，t
max
和t
surr
分别是最高稳态温度和环境温度。
[0089]
根据以上公式及我们测得的苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂的光热数值，计算得光热转化效率为49.6％，可见该超分子光热剂具有较高的光热转化效率。
[0090]
(2)光热稳定性的研究：将苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72自组装的纳米超分子光热剂用去离子水配制成0.5mg/ml的溶液，取100μl溶液于1.5ml离心管中，用波长为520nm、功率为0.4w/cm2的激光器照射溶液体系5min，至温度升至最高，然后停止使用激光照射，直至降到室温，将该升温降温过程循环12次，全程使用光热成像仪记录，每10s间隔记录一下温度，所得数据如图7所示。由图7可以看出超分子光热剂具有良好的光热稳定性，在经过多次升温降温后仍然具有较好的光热性能及较高的光热转化效率。
[0091]
综上所述，本发明的超分子光热剂是通过利用有机合成、超分子自组装和生物合成学的方法有效的将苝酰亚胺衍生物与类弹性蛋白k72组装成纳米颗粒。所制得的超分子光热剂具有良好的水溶性，并且在激光照射下产生光热效应。另外，所制备的超分子光热剂具有体积小、稳定性高的优点。即本发明制备了一种新颖的水溶性超分子光热剂，在光热治疗肿瘤方面具有潜在的应用价值，并为将多种合成方法糅合在一起来制备纳米光热剂提供了一定的参考。
[0092]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。