聚多巴胺在生物医学方面的应用

张迎秋,周 琳,房绍龙

(山东医学高等专科学校,山东 临沂 276000)

受到海洋贻贝仿生学启发,Lee等[1]利用邻苯二酚类衍生物多巴胺来模仿贻贝足蛋白,在多巴胺的碱性水溶液放入多种类型材料,经过简单浸涂在材料表面形成聚多巴胺(Polydopamine,PDA)涂层,由此PDA展现出很强的粘附特性。基于PDA纳米材料修饰策略的研究开发,PDA还表现出优异的光热转换性能和生物相容性,能赋予纳米材料特殊功能,在生物医学领域中展现出广阔的应用前景。本文对制备PDA的常用方法及其影响因素以及PDA基纳米材料在生物医学领域方面的应用进行综述。

1 聚多巴胺的合成及影响因素

在电化学聚合、酶催化氧化以及溶液氧化等合成PDA方法中,溶液氧化法因制备过程简单、聚合条件温和而最为广泛应用。其合成过程:在氧气存在下,多巴胺在碱性的溶液中发生氧化自聚,随着反应时间增长,溶液颜色逐渐加深,最终得到棕黑色PDA。在此过程中,溶液pH、温度等许多条件都会影响PDA的合成。反应溶液的酸碱度在控制PDA纳米颗粒粒径大小中起到至关重要的作用,较低的溶液pH不利于自聚的发生,会降低PDA的生长速度[2]。Ju等[3]在不使用模板的条件下,在NaOH水溶液中通过多巴胺氧化自聚合成了PDA纳米颗粒。通过调节溶液pH以及温度等,对PDA的形貌和大小进行了控制,随着溶液中NaOH的增多,PDA纳米颗粒逐渐变小。但是当加入NaOH的量超过多巴胺时,只能得到黑色的聚合物。

温度、反应单体浓度同样会影响PDA的形成。Liu等[4]通过反向微乳液法合成出PDA纳米颗粒。在含有氨水的环己烷和Igepal CO-520的混合溶液中,通过调节加入多巴胺的用量以及溶液反应温度,制备得到较小尺寸的球状PDA纳米颗粒。当加入多巴胺(25 wt%)的量从15 μL增加到60 μL时,相应的PDA纳米颗粒的尺寸也从25 nm增大到45 nm。对10～50℃的溶液反应温度进行实验探究,发现与其他温度不同,当溶液反应温度达到50℃时,只能得到块状的PDA材料。选用的溶剂也会影响PDA的合成,不同的溶剂PDA的转化率也不相同[5]。此外,添加的氧化剂(如高碘酸钠、氯酸钾)同样可以影响PDA的聚合,氧化剂是PDA能够发生聚合的关键[6]。

2 在生物医学方面的应用

2.1生物成像 生物成像是阐述生物结构和生理功能过程的一种手段,在临床检查和分析中的应用越来越受到重视。Li等[7]在制得PDA纳米颗粒PDA-RGDC/DOX用于小鼠体内光声(PA)成像,通过实验证实,PDA纳米颗粒除了具有较高光热转换特性外,还可在生物体内用于PA成像。基于PDA的粘附特性,磁性或者发光物质可以轻易与其结合,使制得的PDA纳米材料具有不同成像功能,如Liang等[8]先以谷胱甘肽为配体,合成具有NIR-Ⅱ发光的Au NCs,在其上包覆PDA,以此增强材料光学性能和化学稳定性,随后在装载亚甲基蓝(MB)制得Au NCs@PDA-MB,利用MB对Au NCs的NIR-Ⅱ发光猝灭调控及PDA对MB在不同pH条件下吸附能力不同,用于胃部胃酸pH成像。

Pu等[9]基于PDA的光热与PA成像能力,构建了具有双模式成像的多功能Gd-PDA-Ce6 @ Gd-MOF(GPCG)核-壳结构纳米颗粒。由于GPCG纳米颗粒中金属-有机框架(MOF)结构,该纳米颗粒表现出增强的磁共振(MR)成像能力和高弛豫率(r1=13.72 mM-1s-1和r2=216.14 mM-1s-1)。Gd离子的MR效应与PDA的PAI效应相结合,使GPCG纳米颗粒具有双模式成像能力。体内外实验发现,随纳米材料浓度变化,PA信号强度呈线性增强,MR加权对比信号也有明显变化。基于PA和MR的双模式成像,为GPCG纳米颗粒的肿瘤可视化治疗奠定了良好基础。

2.2药物的装载与释放 近年来,基于PDA的纳米材料在纳米药物递送方面也展现出优异成绩。药物可通过体外超声、光照、温度等刺激得到释放,在肿瘤微环境下药物亦可以受到pH、酶、氧化还原物质等内部刺激进行释放。吴浩等[10]将TMZ以及Pep-1加载到PDA NPs材料,得到pH敏感的药物输送系统Pep-1@PDA-TMZ NPs。一方面,含有Pep-1的该系统可以与1L-13Rα2受体高度亲和,起到精准进入细胞核,提高抗肿瘤治疗作用;另一方面,该系统在低pH的肿瘤环境以及光热作用下,PDA和TMZ、Pep-1之间形成的席夫碱键会发生断裂,使得TMZ药物得到释放。在Pep-1肿瘤靶向、pH、光照刺激药物释放三重作用下,该系统明显降低对正常细胞毒副作用,表现出良好生物相容性以及肿瘤抑制效果。

Du等[11]将PDA包覆到装载有DOX的介孔二氧化硅纳米颗粒MSNs,为增加材料生物相容性以及稳定性,最后利用Fe3+的配位作用将角蛋白包覆到材料表面,得到对pH和谷胱甘肽双重响应的药物控释MSNs-DOX@PDA@keratin纳米材料。通过系列体外实验表明,该纳米材料在酸性pH和谷胱甘肽同时存在条件下比在单纯中性pH条件下DOX的释放量有明显提高。

2.3光热治疗(PTT) PTT是一种肿瘤光学治疗方法,利用近红外光源辐照光热试剂,通过在局部产生足够热量达到有效杀伤肿瘤细胞的目的,具有无创、高选择性的特点[12]。由于PDA在近红外区的高光热转换效率以及高的生物相容性等优势,众多基于PDA的纳米材料被研究应用到PTT当中。Wang等[13]利用多巴胺自聚一锅法制得杂化纳米凝胶MCP。与单一PDA纳米颗粒相比,MCP具有更加优异的光热转换效率。接着在MCP上进一步修饰上功能性聚乙二醇(PEG)和巯基末端环精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)肽制得MCP-PEF-RGD纳米复合颗粒。通过体外细胞实验与小鼠活体实验证明,MCP-PEF-RGD能够成功抑制肿瘤增殖,并表现出良好的肿瘤靶向和生物相容性。

2019年,Zhang等[14]通过氢键将能够在肿瘤酸性微环境下释放H2的氨硼烷(AB)固定到PDA表面得到PDAB纳米颗粒,接着使用4T1肿瘤细胞膜进行包覆以此增强同源靶向能力,最终获得了一种氢气增强光热性能的mPDAB纳米材料。通过系列体内外实验表征显示,H2能够缓解高温诱导炎症反应,抑制休眠肿瘤细胞复苏,起到辅助PTT的作用。在激光照射下mPDAB实现氢气和光热协同治疗,最大程度抑制和消除小鼠右腿4T1肿瘤。

Chen等[15]制备了一种Cu2+掺杂介孔聚多巴胺纳米材料CuPDA,用于低温下的PTT。一方面CuPDA中的Cu2+可以催化H2O2发生芬顿反应,消耗瘤内谷胱甘肽,提高PDA的光热转换效果,另一方面CuPDA所产生的热量反过来又可以加快芬顿反应速率。为诱导细胞内H2O2累积,提高CuPDA的肿瘤靶向能力,分别在其表面加载β-拉帕酮以及透明质酸HA,得到CuPDA-Lapa@HA。小鼠实验过程中,808 nm激光照射(1 W/cm2,10 min)下,小鼠肿瘤部位温度虽然未超过45℃,但CuPDA-Lapa@HA对肿瘤具有明显抑制作用。

2.4诊疗一体化平台 在肿瘤治疗的过程中,研究人员为了实现对肿瘤的大小、形貌的评估,得到有效的治疗信息反馈,将各种不同方式的成像与治疗手段相结合,制备得到诊疗一体化平台[16],在最近的几十年里,诊疗一体化平台得到了飞速的发展。

Wang等[17]在磁性普鲁士蓝纳米颗粒(Fe3O4@PB)的表面分别包覆PDA、铝酞菁(AlPc)、牛血清白蛋白(BSA)制备出一种660 nm近红外激光诱导的Fe3O4@PB@PDA/AlPc/BSA纳米诊疗平台,用于MR/光声/荧光成像引导的PTT以及光动力治疗(PDT)。该平台表现出优异的生物稳定性以及超顺磁性,使得其能够很好的在肿瘤部位积聚,这有利于增强PTT以及PDT的治疗效果。在4T1荷瘤小鼠体内注射该平台24 h后,与心脏、肾脏和肺部相比,在肿瘤部位观察到明显荧光、MR和PA的信号,经评估,与单一的治疗方式相比,在660 nm激光照射下,光热-光动力协同治疗的方式具有更好的治疗效果,可以明显抑制小鼠体内肿瘤的生长。证明了Fe3O4@PB@PDA/AlPc/BSA在多模式成像方面的突出能力。

Chen等[18]以氧化自聚得到PDA为核,利用单宁酸(TA)与Fe3+形成TA-Fe交联壳,附在PDA表面得到纳米诊疗平台PDA@TA-Fe。小鼠活体实验表明,经尾静脉注射24h后,荷瘤小鼠肿瘤部位的T1/ T2加权MR成像对比明显增强,PDA@TA-Fe在808 nm和1064 nm 激光下,光热转化效率分别为29%和41%,在弱酸性肿瘤微环境中,TA-Fe交联壳逐渐分解,TA将Fe3+还原为Fe2+,通过芬顿反应生成羟基自由基,PTT产生的热量将加速反应过程,加快诱导肿瘤细胞凋亡。从而实现T1/ T2加权MR成像引导的光热-化学协同肿瘤诊疗。

田耕等[19]通过液相合成法制得二硒化铁纳米粒子(FeSe2NPs),接着用PDA进行包覆,得到具有T2加权MR成像和良好光热治疗功能的FeSe2-PDA NPs。通过小鼠活体实验发现,该诊疗平台的r2弛豫效率为129.47 mM-1s-1,在808 nm近红外光(2 W/cm2,5 min)照射下,实验组小鼠肿瘤部位温度迅速升高至 56.3℃,在MR成像指导下能够对癌细胞具有良好杀伤能力。活体实验中对荷瘤小鼠进行光热肿瘤消融后,肿瘤消失且14 d内未复发。

3 结语

研究者们已经构建了多种多样的PDA基纳米材料,在生物成像,药物运输、光热转换等生物医学领域展示出巨大前景。但仍面临以下问题:(1)PDA聚合过程复杂,聚合机理及精确的分子结构尚不明确,大部分PDA基纳米材料是在实验室理想条件下进行小批量的合成,要想实现PDA基纳米材料大规模的合成,并在不同的应用中取得最佳性能,仍需要对其制备条件以及结构进行深入探究;(2)尽管许多报道表明PDA表现出优异的生物相容性,但为了研发出更适合临床医学使用的PDA基纳米材料,PDA的生物降解性能及毒性也需要重点关注。