具有核磁共振成像与干细胞保护功能的超顺磁颗粒-钴原卟啉自组装体及其制备方法
阅读说明：本技术 具有核磁共振成像与干细胞保护功能的超顺磁颗粒-钴原卟啉自组装体及其制备方法 (Superparamagnetic particle-cobalt protoporphyrin self-assembly with nuclear magnetic resonance imaging and stem cell protection functions and preparation method thereof ) 是由 马明 舒一盟 陈航榕 于会珠 申杰 张衡 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及具有核磁共振成像与干细胞保护功能的超顺磁颗粒-钴原卟啉自组装体及其制备方法,所述超顺磁颗粒-钴原卟啉自组装体包括：由超小尺寸超顺磁性纳米颗粒以团簇形成的磁性颗粒,以及部分包裹在磁性颗粒表面的钴原卟啉；所述超小尺寸超顺磁性纳米颗粒的组成优选为四氧化三铁纳米颗粒或/和三氧化二铁纳米颗粒,更优选为四氧化三铁纳米颗粒；所述超小尺寸超顺磁性纳米颗粒的粒径为2 nm～10 nm,优选为4 nm～6 nm。(The invention relates to a superparamagnetic particle-cobalt protoporphyrin self-assembly with nuclear magnetic resonance imaging and stem cell protection functions and a preparation method thereof, wherein the superparamagnetic particle-cobalt protoporphyrin self-assembly comprises the following components: the magnetic particle is formed by ultra-small superparamagnetic nano particles in clusters, and cobalt protoporphyrin is partially wrapped on the surface of the magnetic particle; the composition of the ultra-small superparamagnetic nanoparticle is preferably ferroferric oxide nanoparticles or/and ferric oxide nanoparticles, and more preferably ferroferric oxide nanoparticles; the particle size of the ultra-small superparamagnetic nanoparticle is 2nm to 10nm, and preferably 4nm to 6 nm.)
技术领域
本发明涉及一种具有核磁共振成像性能和干细胞保护功能的磁性自组装纳米颗粒及其制备方法和应用，具体涉及一种具有核磁共振成像与干细胞保护功能的超顺磁颗粒-钴原卟啉自组装体及其制备方法和应用，属于无机纳米材料和生物医学领域。
背景技术
干细胞疗法是一种可以治疗中枢神经系统疾病(例如缺血性脑卒中，阿尔茨海默症和帕金森氏病)的医疗技术。将间充质干细胞移植到因缺血而受到伤害的大脑中已被证明可以诱导脑组织再生并促进脑功能恢复。但是，干细胞疗法的发展仍因干细胞移植后的存活率低和难以监测干细胞在体内预计区域的滞留等问题而受到限制。
核磁共振成像(MRI)技术，作为一种先进的医学影像诊断技术在干细胞治疗领域受到广泛的关注。MRI在临床上拥有足够的组织穿透深度，能够以相当高的空间分辨率非侵入性地显示软组织的影像以及与组织微构架有关的功能信息。MRI在被用于监测移植的干细胞时，除了能够精准确认干细胞的位置信息，还可以提供干细胞周围组织的解剖和病理学信息，包括移植部位周围的水肿或炎症。
近年来，有研究使用掺杂铁离子、锰离子或钆离子的螯合剂和脂质体等作为MRI造影剂(Magn.Res.Med.2004,51,938-944)。但这些材料的合成工艺较为繁琐且锰离子和钆离子对生物体有着较强的潜在毒副作用，大大降低了这些纳米材料在临床应用上的潜力。除了这些问题以外，这些干细胞标记材料并不能起到保护干细胞的作用。钴原卟啉，作为一种重要的卟啉衍生物，可以通过激活ERK/NRF2或ERK/COX-2信号通路并上调血红素加氧酶 -1的表达在缺血环境下保护干细胞，有望成为干细胞移植时的细胞保护剂。然而，用保护性药物和MRI造影剂分别对干细胞进行标记可能会给干细胞研究带来诸多不便。
发明内容
针对现有技术中干细胞MRI造影剂合成方法复杂、不能保护干细胞等技术问题，本发明的目的在于提供一种具有核磁共振成像性能与干细胞保护功能的钴原卟啉/超顺磁性氧化铁复合的磁性自组装纳米颗粒及其制备方法和应用。
一方面，本发明提供了一种具有核磁共振成像性能与干细胞保护功能的超顺磁颗粒- 钴原卟啉自组装体，所述超顺磁颗粒-钴原卟啉自组装体包括：由超小尺寸超顺磁性纳米颗粒以团簇形成的磁性颗粒，以及部分包裹在磁性颗粒表面的钴原卟啉；
所述超小尺寸超顺磁性纳米颗粒的组成优选为四氧化三铁纳米颗粒或/和三氧化二铁纳米颗粒，更优选为四氧化三铁纳米颗粒；
所述超小尺寸超顺磁性纳米颗粒的粒径为2nm～10nm，优选为4nm～6nm。
在本公开中，超顺磁颗粒-钴原卟啉自组装体(或称磁性自组装纳米颗粒)的外层由钴原卟啉包裹。在体内环境下可以缓慢释放钴原卟啉，通过上调血红素加氧酶-1的表达保护干细胞。同时，该超顺磁颗粒-钴原卟啉自组装体内的超小尺寸超顺磁性氧化铁以团簇形式 (形成磁性颗粒)被钴原卟啉包裹其中，且有部分氧化铁颗粒表面裸露并未被钴原卟啉包裹其中。该磁性颗粒所具有的磁性性质，可用于MRI，且成像性能团聚成簇而较单分散超顺磁性氧化铁颗粒有所增强。此外，可利用该磁性颗粒的磁性性质还可对干细胞进行磁标记，增加干细胞标记效率。
较佳的，所述磁性颗粒的粒径为20nm～120nm，优选为40nm～100nm，更优选为60nm～80nm。
在本发明中，所得磁性自组装纳米颗粒将超顺磁性氧化铁和钴原卟啉的优势特性有效地融合为拥有适宜细胞吞噬的均一粒径且水溶性良好的纳米系统，在干细胞治疗与成像方面具有广阔的应用前景。
较佳的，所述超小尺寸超顺磁性纳米颗粒表面经过油酸修饰，即油酸修饰的超小尺寸超顺磁性纳米颗粒。其中，油酸修饰是由Fe3O4纳米颗粒制备过程中引入，用该方法制备的Fe3O4粒径均匀且分散性良好。
较佳的，所述钴原卟啉的含量占所述超顺磁颗粒-钴原卟啉自组装体总质量的20～ 60wt％。
另一方面，本发明还提供了一种制备上述具有核磁共振成像性能与干细胞保护功能的超顺磁颗粒-钴原卟啉自组装体的方法，包括：
(1)将超小尺寸超顺磁性纳米颗粒分散在挥发性溶剂中，得到溶液A；
(2)将溶液A和钴原卟啉溶液混合，再加入去离子水，经超声乳化，得到乳液B；
(3)待挥发性溶剂完全挥发后，通过透析处理和离心处理，得到所述超顺磁颗粒-钴原卟啉自组装体。其中，钴原卟啉的加入促成油酸修饰的Fe3O4颗粒的自组装成团簇状，从而可以增强其核磁共振成像性能。同时，本为疏水的Fe3O4颗粒在疏水作用力下与钴原卟啉自组装后，暴露出了钴原卟啉的两个羧基，变为亲水性纳米颗粒，即所得超顺磁颗粒-钴原卟啉自组装体为亲水性纳米颗粒。
较佳的，所述挥发性溶剂选自甲苯、氯仿、乙酸乙酯、正戊烷和正己烷中的至少一种；所述溶液A的浓度为10～20mg/mL，优选为15mg/mL。
较佳的，所述钴原卟啉溶液的浓度为10～40mg/mL；优选地，所述溶液A中超顺磁性纳米颗粒和钴原卟啉的质量比为1：2～9。
较佳的，所述溶液A和钴原卟啉溶液的总体积与去离子水体积的比例为1：40～60。
较佳的，所述超声乳化的条件包括：超声探头工作时间为2秒～8秒，优选4秒～6秒，更优选5秒；超声探头间歇时间为2秒～8秒，优选4秒～6秒，更优选5秒；超声功率为400W～600W；超声的总时间为5分钟～15分钟。
较佳的，所述透析处理所用透析袋的截留分子量为1000～8000D，优选为3500D。
再一方面，本发明提供了一种包含上述超顺磁颗粒-钴原卟啉自组装体的水溶液。
较佳的，所述水溶液中超顺磁颗粒-钴原卟啉自组装体的浓度可为0.001～10mg/mL。
有益效果：
本发明中，所得磁性自组装纳米颗粒的粒径可控制在70nm左右，具有良好的生物相容性和安全性，只由干细胞保护药物与造影剂组成，因其高有效成分占比而具有较低剂量需求，因此该纳米颗粒作为干细胞标记和保护材料在干细胞治疗领域拥有广阔的前景。此外，本发明所采用的材料合成方法简单，原料丰富，且重复性高，适用于大规模生产。
附图说明
图1为实施例1制备的磁性自组装纳米颗粒的透射电镜图像；
图2为实施例1制备的磁性自组装纳米颗粒的扫描电镜图像；
图3为实施例1制备的磁性自组装纳米颗粒的水合粒径曲线，可以发现该颗粒的平均粒径约为73nm；
图4为实施例1制备的磁性自组装纳米颗粒的X射线光电子能谱分析(XPS)；
图5为实施例1制备的磁性自组装纳米颗粒的T2序列核磁共振弛豫率曲线，弛豫率约为243 mM-1·s-1，说明该磁性自组装纳米颗粒有优良核磁共振成像性能；
图6为不同浓度的磁性自组装纳米颗粒对于干细胞活性增强对比图，说明随着磁性自组装纳米颗粒升温浓度的增高，在糖氧剥夺模型下的干细胞活性增强；
图7为磷脂水化后的超顺磁性四氧化三铁颗粒的核磁共振测试结果，弛豫率约为51s-1·mM-1，比钴原卟啉与超顺磁性四氧化三铁颗粒自组装形成的纳米颗粒的弛豫率低；
图8为实施例1-4制备的磁性自组装纳米颗粒的T2序列核磁共振弛豫率曲线对比图。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
为了干细胞治疗的研究和临床转化需要，本发明提供了一种拥有良好生物安全性且合成简便的多功能纳米造影剂材料，同时起到移植干细胞的位置监测以及生存率提高的功能。
在本公开中，多功能纳米造影剂材料指的是具有核磁共振成像性能与干细胞保护功能的超顺磁颗粒-钴原卟啉自组装体，其外层为钴原卟啉，内核为超小尺寸磁性纳米颗粒以团簇形式形成的磁性颗粒，且外层部分包覆该内核。
本发明中，通过金属卟啉与疏水性超顺磁性颗粒自组装的方法，将超顺磁性颗粒组装为团簇状亲水性颗粒，表现出较好的核磁共振成像性能。同时，包裹在磁性颗粒外层的钴原卟啉可以通过促进干细胞的血红素加氧酶-1表达在缺血环境下保护干细胞，降低移植后的死亡率。
其中，磁性颗粒是由粒径约为2nm-10nm(优选4nm-6nm)超小尺寸超顺磁性纳米颗粒自组装形成的粒径为20nm-120nm(优选40nm-100nm，更优选60nm-80nm)的纳米颗粒。在可选的实施方式中，超小尺寸超顺磁性纳米颗粒的组成可为四氧化三铁纳米颗粒或 /和三氧化二铁纳米颗粒，优选四氧化三铁纳米颗粒。进一步优选，超小尺寸超顺磁性纳米颗粒表面由油酸修饰。
在本发明中，选用超小尺寸超顺磁性纳米颗粒、钴原卟啉和具有较强挥发性的有机溶剂作为原料，制备得到所述磁性自组装纳米颗粒。该磁性自组装纳米颗粒的制备条件温和，简便快捷，具有较高重复性，将核磁共振成像与干细胞保护成功结合，为成像标记并提高干细胞移植后存活率提供了一种新方法。
在本发明一实施方式中，主要通过超声乳化和静置蒸发两步骤实现了磁性自组装纳米颗粒的制备。在制备过程中，使用一种挥发性有机溶剂(如甲苯)作为超顺磁性氧化铁颗粒的分散剂，乳化后通过静置去除挥发性有机分散剂，合成操作简便、条件温和。而且，该合成方法可以将疏水性颗粒转为亲水性颗粒，以便于给药。因此，本发明的另一目的在于提供一种制备自组装纳米颗粒的方法。以下示例性地说明说明磁性自组装纳米颗粒的制备方法。
将超小尺寸超顺磁性纳米颗粒分散在具有较强挥发性的溶剂中，得到溶液A(或称悬浮液A)。其中，具有较强挥发性的溶剂选自甲苯、氯仿、乙酸乙酯、正戊烷、正己烷等。优选，溶液A中，超小尺寸顺磁性纳米颗粒的浓度为15mg/mL。超小尺寸超顺磁性纳米颗粒为油酸修饰的Fe3O4疏水性颗粒。
将钴原卟啉加入到二甲基亚砜、氯仿、二氯甲烷等溶剂中，形成钴原卟啉溶液。钴原卟啉溶液的浓度为10mg/mL-40mg/mL。
将溶液A和钴原卟啉溶液混合均匀后，得到溶液C。其中，将悬浮液A加入到钴原卟啉的二甲基亚砜溶液中，然后通过涡旋和适当水浴加热等混合方式，使超小尺寸顺磁性纳米颗粒和钴原卟啉在溶液中混合均匀，在此混合过程中并未发生纳米颗粒的团聚，钴原卟啉并未包裹磁性颗粒。优选，水浴的温度可为40℃-60℃，优选为45℃-55℃。
在溶液C中再加入去离子水，经超声乳化，在此混合过程中超小尺寸顺磁性纳米颗粒和钴原卟啉被均匀分散在乳液中，并未发生纳米颗粒的团聚，钴原卟啉并未包裹磁性颗粒，最终形成均匀的乳液B。该溶液C和去离子水的体积比例为1:40-60。其中，超声乳化的条件为：超声探头工作时间为2s-8s，优选4s-6s，更优选5s；超声探头间歇时间为2s- 8s，优选4s-6s，更优选5s；超声功率为400W-600W；超声的总时间为5min-15min。而且，油酸修饰的Fe3O4疏水性颗粒可以利用本发明的微乳液法自组装得到的亲水性纳米颗粒。
在通风环境下避光静置乳液B，使得挥发性较强的溶剂完全挥发，其目的在于去除溶液中磁性纳米颗粒的挥发性有机溶剂，促成自组装，最终得到溶液D。应注意，上述挥发性较强的溶剂的挥发过程不仅限于通风环境下静置等。
将溶液D通过透析除去未反应的钴原卟啉和分散稳定剂溶液(当钴原卟啉由二甲基亚砜溶解时，则此处溶液组分应为水和二甲基亚砜)，离心处理，得到磁性自组装纳米颗粒。其中，透析所选透析袋的截留分子量可为3500D。离心处理的转速为5000～13000转/ 分钟，时间可为5～20分钟。
在溶液D进行离心处理过程中加入去离子水重悬，得到磁性自组装纳米颗粒的水溶液。其中，离心处理的转速为5000～13000转/分钟，时间可为5～20分钟。在可选的实施方式中，通过控制加入去离子水的量实现水溶液的浓度的调节。
作为一个水溶液制备的示例，将超顺磁性四氧化三铁纳米颗粒与钴原卟啉在有机溶剂中混合，加入水中超声乳化为均匀乳液，静置蒸发挥发性溶剂，透析后离心并用水重悬，得到钴原卟啉/超顺磁性氧化铁磁性颗粒的水溶液。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
油酸修饰的超顺磁性Fe3O4纳米颗粒制备过程：
将1.08g六水合氯化铁和4.87g油酸钠溶于含8mL乙醇，6mL去离子水和14mL正己烷的混合溶液中，在70℃油浴下反应6h后用乙醇洗涤三次得到油酸铁；取上述油酸铁0.9g 溶于含0.142g油酸，1.75g十四烯和3.25g十八烯的混合溶液中，在氮气氛围下加热至 300℃反应1h，待冷却至室温后用正己烷和乙醇的混合溶液洗涤三次，最终得到油酸修饰的超顺磁性Fe3O4纳米颗粒；
将平均颗粒直径为5nm的油酸修饰的超顺磁性Fe3O4纳米颗粒以15mg/mL的浓度分散在甲苯中。取1.5mg钴原卟啉，溶于50μL二甲基亚砜中，并加入150μL上述Fe3O4溶液，通过涡旋震荡混合均匀后水浴加热到50℃保持10min。然后，将混合溶液加入到10mL去离子水中，以600W的功率，工作5s，间歇5s的超声程序超声乳化5min形成均匀乳液。乳液在通风环境下静置24h后，用3500D的透析膜对乳液进行透析。透析12h后，离心收集颗粒并加去离子水重悬，得到产物磁性自组装纳米颗粒的水溶液。所得磁性自组装纳米颗粒中钴原卟啉的含量为55.31wt％。
本实施例1所得磁性自组装纳米颗粒的平均颗粒直径约为60nm，形貌均一性好，参见图1和图2。
图3为本实施例1制备的超顺磁性Fe3O4/钴原卟啉自组装复合纳米颗粒的水合粒径曲线，水合粒径约为73nm；
图4为本实施例1制备的超顺磁性Fe3O4/钴原卟啉自组装复合纳米颗粒的XPS图谱，显示了3个特征峰，分别对应于Co2p，N1s和Fe2p轨道，证明了Co，N和Fe元素的存在。
图5为本实施例1制备的超顺磁性Fe3O4/钴原卟啉自组装复合纳米颗粒的T2序列核磁共振弛豫率曲线，弛豫率约为243mM-1·s-1，证明了该磁性自组装纳米颗粒的优良核磁共振成像性能。
实施例2
将平均颗粒直径为5nm的超顺磁性Fe3O4纳米颗粒以15mg/mL的浓度分散在甲苯中。取1.0mg钴原卟啉，溶于50μL二甲基亚砜中，并加入150μL上述Fe3O4溶液，通过涡旋震荡混合均匀后水浴加热到50℃保持10min。然后，将混合溶液加入到10mL去离子水中，以400W的功率，工作5s，间歇5s的超声程序超声乳化5min形成均匀乳液。乳液在通风环境下静置24h后，用3500D的透析膜对乳液进行透析。透析12h后，离心收集颗粒并加去离子水重悬，得到产物磁性自组装纳米颗粒的水溶液。所得磁性自组装纳米颗粒中钴原卟啉的含量为37.33wt％。
实施例3
将平均颗粒直径为5nm的超顺磁性Fe3O4纳米颗粒以15mg/mL的浓度分散在甲苯中。取2.0mg钴原卟啉，溶于50μL二甲基亚砜中，并加入150μL上述Fe3O4溶液，通过涡旋震荡混合均匀后水浴加热到50℃保持5min。然后，将混合溶液加入到10mL去离子水中，以 600W的功率，工作5s，间歇5s的超声程序超声乳化15min形成均匀乳液。乳液在通风环境下静置24h后，用3500D的透析膜对乳液进行透析。透析24h后，离心收集颗粒并加去离子水重悬，得到产物磁性自组装纳米颗粒的水溶液。所得磁性自组装纳米颗粒中钴原卟啉的含量为46.78wt％。
实施例4
将平均颗粒直径为5nm的超顺磁性Fe3O4纳米颗粒以15mg/mL的浓度分散在甲苯中。取0.5mg钴原卟啉，溶于50μL二甲基亚砜中，并加入150μL上述Fe3O4溶液，通过涡旋震荡混合均匀后水浴加热到50℃保持5min。然后，将混合溶液加入到10mL去离子水中，以 300W的功率，工作5s，间歇2s的超声程序超声乳化5min形成均匀乳液。乳液在通风环境下静置24h后，用3500D的透析膜对乳液进行透析。透析12h后，离心收集颗粒并加去离子水重悬，得到产物磁性自组装纳米颗粒的水溶液。所得磁性自组装纳米颗粒中钴原卟啉的含量为23.17wt％。
实施例5
将平均颗粒直径为5nm的超顺磁性Fe3O4纳米颗粒以15mg/mL的浓度分散在甲苯中。取1.5mg钴原卟啉，溶于50μL二甲基亚砜中，并加入150μL上述Fe3O4溶液，通过涡旋震荡混合均匀后水浴加热到50℃保持10min。然后，将混合溶液加入到10mL去离子水中，以 300W的功率，工作5s，间歇5s的超声程序超声乳化15min形成均匀乳液。乳液在通风环境下静置36h后，用3500D的透析膜对乳液进行透析。透析24h后，离心收集颗粒并加去离子水重悬，得到产物磁性自组装纳米颗粒的水溶液。所得磁性自组装纳米颗粒中钴原卟啉的含量为53.24wt％。
对比例1
将不同浓度的实施例1制备的超顺磁性Fe3O4/钴原卟啉自组装复合纳米颗粒水溶液(0、1.25、2.5、5μg/mL)分别与大鼠骨髓间充质干细胞共培养6h，同时将培养基更换为无糖无血清的DMEM培养基，并将细胞放入缺氧小室中。将小室中空气更换为95％N2/5％O2后继续培养12h。然后，将细胞从小室中取出，更换培养基为含糖含血清的DMEM培养基，继续培养12h，用CCK-8法检测各组细胞活性。
如图6所示，随着实施例1制备的超顺磁性Fe3O4/钴原卟啉自组装复合纳米颗粒浓度的增高，在糖氧剥夺模型下的干细胞活性逐渐增强，表明了实施例1制备的超顺磁性Fe3O4/ 钴原卟啉自组装复合纳米颗粒有着保护干细胞的作用。
图7为磷脂水化后的超顺磁性四氧化三铁颗粒的核磁共振测试结果，弛豫率约为51 s-1·mM-1，比钴原卟啉与超顺磁性四氧化三铁颗粒自组装形成的纳米颗粒的弛豫率低。上述磷脂水化后的超顺磁性四氧化三铁颗粒制备过程如下：将40mg二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺、2mg胆固醇、20mg表面活性剂(普郎尼克-68)和2mmol油酸修饰的四氧化三铁颗粒溶于5mL氯仿中，超声混合均匀。在40℃下旋转蒸发1h除去溶剂，直至容器壁形成一层均匀的脂质薄膜。加入5mL去离子水，超声振荡至膜脱落，得到磷脂水化的超顺磁性四氧化三铁颗粒。其中，磷脂水化是想提供一个对比样。通过比较T2弛豫率，说明用钴原卟啉自组装形成团簇状结构能提升超顺磁性纳米颗粒的核磁共振成像性能。
图8为实施例1-4的核磁共振测试结果对比图，T2弛豫率分别约为243、165、108、171s-1·mM-1。由以上数据可知，钴原卟啉与超顺磁性四氧化三铁以一定比例自组装时，核磁共振性能最佳。
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