Hf卟啉金属有机框架量子点合成及其光动力学性能

戚 秀 玉， 宋 学 志， 李 楚 乔， 宫 艺 书， 谭 振 权

(大连理工大学 化工学院盘锦分院，辽宁 盘锦 124221 )

0 引 言

光动力疗法(PDT)因为非侵入、副作用小等原因，近几年来受到研究者们的广泛关注[1]．在特定射线照射下，光敏剂在癌细胞内和氧气发生反应产生活性氧自由基(ROS)，ROS可以损害脂质、蛋白质和DNA，从而诱导癌细胞程序性死亡[2-3]．但是，目前所用普通光敏剂很难在肿瘤附近聚集，因此研究者们开始探究以纳米材料作为载体来进行光动力治疗．

金属有机框架(MOF)材料因为易于设计和合成且种类繁多，近几年来在癌症治疗领域得到了飞速发展[4-5]．比如，MOF被用来运载阿霉素(DOX)、顺铂、RNA等来靶向癌细胞治疗癌症[6-7]．研究者们开始尝试利用MOF材料进行PDT来解决疗法中的癌症组织聚集问题，包括利用MOF运送光敏剂，或者MOF作为光敏剂来解决这个问题．MOF在靶向癌细胞的过程中，粒径对药物功效起着非常重要的作用．大尺寸的纳米粒子可以通过高渗透长滞留效应(EPR)被动靶向在肿瘤血管附近积聚，但很难渗透到肿瘤实质中，较小的纳米粒子可以穿透得更好且容易通过肾脏排出，其中细胞核孔允许小于5 nm的小粒子进入，但小粒子在肿瘤的保留能力较差，这给纳米药物靶向带来了很多问题[8-10]．在纳米药物设计时，为了使纳米药物能够更好地靶向肿瘤，在药物运输的前半程需要纳米粒子的尺寸在100 nm左右，而运输的后半程则需要小尺寸的纳米粒子进行扩散．这促使研究者们广泛采用尺寸调整策略来达到更好靶向患病位置的目的[11]．

采用铪(Hf4+)和四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)组成超小型金属有机骨架量子点(2 nm)，同时用相同的方法得到大颗粒的Hf-TCPP纳米粒子(Hf-TCPP NMOFs)．Hf-TCPP具有良好的光动力治疗效果，因为TCPP是一种卟啉型光敏剂[12-13]．而由于Hf是高序数元素，对X射线具有增敏特性[14]，因此可以同时实现X射线动力治疗(XDT)[15]．为了解决EPR靶向性，利用尺寸调整策略，用脂质体包裹Hf-TCPP量子点(Hf-TCPP QDs)和DOX，制得粒径30 nm的DOX@Hf-TCPP@LIPs．由于小粒子的易扩散属性，Hf-TCPP QDs比Hf-TCPP NMOFs具有更高的ROS产生效率，可以有效提高PDT效果．同时，形成脂质体纳米药物不仅可以增加生物相容性，而且可以增强纳米粒子的靶向性[11，16]，同时可以实现多重治疗的协同，在癌症治疗方面有很大的应用潜力．

1 实验部分

1.1 原料与仪器

原料：所用的溶剂和化学材料购自商业渠道，无须纯化即可使用．

仪器：Nicolet iN10型红外光谱仪；Shimadzu UV-1800型紫外-可见分光光度计；Hitachi F-7000型荧光分光光度计；Shimadzu XRD-7000S型X射线衍射仪．

1.2 合成部分

1.2.1 Hf-TCPP NMOFs的制备 将四氯化铪、TCPP在DMF溶剂中混合，并以冰乙酸作为催化剂，在80 ℃下反应2 h后，加入6 mL DMF，进入反应系统反应另外24 h，离心收集深紫色固体并用DMF洗涤[17]，制备得到Hf-TCPP NMOFs．

1.2.2 Hf-TCPP QDs的制备 将四氯化铪、TCPP在DMF溶剂中混合，并以36%乙酸作为催化剂，在80 ℃下反应2 h后，加入6 mL DMF，进入反应系统反应另外24 h，离心收集深紫色固体并用DMF洗涤，制备得到Hf-TCPP QDs．

1.2.3 脂质体包裹 将1.65 mL氯仿和甲醇混合成为混合溶液，将HSPC(21.41 mg)、胆固醇(5.80 mg)、DSPE(3.9 mg)、Hf-TCPP(0.21 mg)、DOX(0.29 mg)溶于混合溶液中并超声均匀，在旋蒸仪中旋蒸成膜，冷冻干燥过夜．然后加入1 mL PBS在70 ℃水化30 min．冰浴超声5 min后用PBS离心4次并放4 ℃环境中储存[18-19]．

2 结果与讨论

2.1 产物表征

Hf-TCPP QDs的合成方法如图1所示．在采用溶剂法合成过程中，发现传统方法合成的Hf-TCPP NMOFs直径大约为70 nm(图2(a)、(b))，而合成的Hf-TCPP QDs直径在2～4 nm，且形状均一、分散均匀(图2(c))．虽然小分子更易在细胞内扩散以及通过肾脏排出体外，但不能通过EPR效应聚集到肿瘤组织附近．用脂质体包裹Hf-TCPP QDs，同时包裹DOX，制得了30 nm大小的脂质体DOX@Hf-TCPP@LIPs(图2(d))．

图1 DOX@Hf-TCPP@LIPs的合成Fig.1 The synthesis of DOX@Hf-TCPP@LIPs

图2 TEM图和SEM图Fig.2 TEM image and SEM image

对Hf-TCPP NMOFs和DOX@Hf-TCPP@LIPs进行水合粒径测试发现，Hf-TCPP NMOFs的水合粒径约为91 nm，DOX@Hf-TCPP@LIPs的水合粒径约为38 nm，且粒径分布都比较狭窄(图3)，与电镜分析结果一致．

将合成的Hf-TCPP的XRD谱图(图4(a))与文献[20]进行对比，发现衍射峰基本相同，说明合成的样品为Hf-TCPP NMOF材料．另外，Hf-TCPP QDs的XRD谱图与Hf-TCPP NMOFs相比发生轻微偏移，这主要是由于Hf-TCPP QDs粒径太小，没有形成稳定的晶体边界条件所导致．

(a)Hf-TCPP NMOFs

(a)XRD谱图

从紫外-可见吸收光谱中发现Hf-TCPP QDs和TCPP配体具有相同的紫外-可见吸收峰(图5(a))，说明成功合成了量子点．所制得的脂质体DOX@Hf-TCPP@LIPs同时具有DOX和Hf-TCPP的特征吸收峰(图5(b))，说明成功合成了脂质体纳米药物．

(a)Hf-TCPP和TCPP配体

2.2 ROS测试

为了探究Hf-TCPP在光动力治疗中的应用前景，利用APF荧光探针研究了Hf-TCPP对ROS产生效率．APF荧光探针和ROS反应会生成荧光素，荧光素在激光的激发下会发射荧光．通过比较515 nm的特征荧光强度来分析生成ROS的效率[21]．

首先发现，在没有激光照射的情况下，荧光强度几乎为零，而在660 nm近红外激光的照射下，APF荧光探针的荧光强度大大增强(图6(a))．证明了660 nm激光可以极大促进Hf-TCPP QDs产生ROS．而且随着光照时间的增长，产生活性氧的数量也随之增加(图6(b))．由于该过程几乎没有光毒性，可以通过控制光照条件来诱导ROS的产生，有助于降低药物的副作用．其次，与传统方法合成的Hf-TCPP NMOFs相比，在相同浓度条件下，Hf-TCPP QDs产生的ROS是其2倍(图6(c))．且随着浓度的增加，Hf-TCPP QDs产生ROS的效率也会相应提高(图6(d))．而包裹脂质体之后发现，产生的ROS并没有减少，说明包裹脂质体不会降低ROS的产生效率(图6(e))．进一步研究了ROS的产生条件，在X射线的照射下，Hf-TCPP NMOFs会大量产生ROS，而相同粒径的Cu-TCPP NMOFs则不会产生ROS(图6(f))．这是由于金属元素Hf作为高序数元素，对于X射线具有高敏感性，使得Hf-TCPP也具备了X射线高敏感性，这赋予了Hf-TCPP作为XDT的应用潜力．

图6 不同条件下的APF荧光Fig.6 The fluorescence of APF under different conditions

在研究ROS产生时，发现APF荧光探针不仅在515 nm处有荧光发射峰，在650 nm处也有发射峰(图6(f))．Jia等提出515 nm处的发射峰归属于荧光素的产生，而650 nm处的发射峰则是来源于荧光素异构体的生成[22]．比较不同条件下的荧光发射光谱，在660 nm近红外激光照射下，515 nm处的发射峰强度更大，而在X射线照射下650 nm处的荧光强度更大(图7(a))．这个现象可能是由于X射线具有比660 nm近红外激光更高的能量，从而诱导产生更多的荧光素异构体，使得650 nm处的荧光强度增强．随着X射线照射时间的增加，荧光强度随之增强，而515 nm处的荧光强度增大更为明显(图7(b))．这主要是因为随着照射时间的增加，体系中含有较高浓度的ROS，从而使得荧光素的生成效率比荧光素异构体的转化效率高．除此之外，与Hf-TCPP QDs相比，Hf-TCPP NMOFs在650 nm处有更强的荧光强度，可能是由于空间位阻效应使得荧光素容易被吸附在纳米粒子表面，从而导致了更多的荧光素异构体的产生．

(a)不同照射条件下

3 结 语

本文通过调节催化剂乙酸的浓度，成功合成了量子点Hf-TCPP QDs，透射电镜图表明量子点直径在2～4 nm且分散均匀．根据尺寸调整策略，进一步将量子点和DOX一起包裹在脂质体内，制备了粒径约30 nm的DOX@Hf-TCPP@LIPs脂质体纳米药物，从而可以有效利用EPR效应，同时可以实现化学治疗的协同．Hf-TCPP QDs产生ROS的效率是Hf-TCPP NMOFs的2倍，显示了量子点在光动力治疗中的优越性．同时由于Hf的X射线敏感性，Hf-TCPP在X射线照射下也可以高效生成ROS，揭示了Hf-TCPP在X射线动力治疗中的应用潜力．