新型近红外光响应稀土上转换纳米载药系统在抗菌治疗中的应用研究

新型近红外光响应稀土上转换纳米载药系统在抗菌治疗中的应用研究

摘要光响应性药物释放系统是非侵入性的，可远程控制的，并且具有高空间和时间分辨率。它在生物医学领域（例如杀菌剂和抗癌）具有重要的应用价值。但是，关于近红外光响应光解药输送系统的光子响应药物输送系统的报道很少，需要改进。这项工作涵盖了稀土纳米颗粒，并用中孔二氧化硅逐渐融合了近红外染料cypate，thamantine和β-环糊精以密封孔口。将需要次的速度开关的自我敏感的光氧化破裂键成功地构建了一种新的近红外光反应稀土纳米医学系统。在该纳米医学系统中负载的loxacin抗生素表现出极低的药物损失率和高808 nm的光释放效率，并且可以通过控制轻度时间来满足不同的剂量需求。体外抗菌实验的结果进一步验证了纳米药物加载系统的光响应性药物释放性能。此外，在980 nm激光激发下，纳米毒品加载系统的上转换发光很强，并且不会影响药物释放，这可以实现纳米加载系统的药物定位和生物成像功能。这项研究为开发高效的照片响应药物加载系统提供了新的想法。

关键字上转换纳米颗粒；近红外的光反应；近红外染料；药物输送；光解

1简介

图1

表面功能化的纳米医学携带系统可以通过不同的外部因素（例如光，pH，温度等）刺激，从而实现了药物的可控释放[1-8]。在这些因素中，光具有清洁，非侵入性，遥控和高空间和时间分辨率的优势。特别是，波长在700到950 nm不等的近红外光具有深层组织渗透，并且不容易引起照片损伤。因此，近红外的光响应性纳米医学携带系统已在生物医学领域受到广泛关注[9-10]。

可以通过近红外光激发稀有地掺杂的上转换的纳米颗粒，并通过连续的光子吸收和稀土离子的能量转移来产生紫外可见的near-infrared光（UV-VIS-NIR）的荧光发射[11-15]。目前，支持纳米医学的纳米颗粒主要受到近红外光的兴奋，以产生紫外线光，从而导致紫外线敏感的基团，例如偶氮苯，硝基苯基，香豆素等，以破坏或异构化，从而破坏纳米级的结构和均匀的药物[16-2-21] [16-21]。但是，紫外发射零件的上转换效率通常很低，需要更高的功率密度激光来辐射[22]，因此它在实际应用中受到限制。另一个近红外的光响应模式是使用可见的光发射激发光敏感的纳米颗粒的光敏剂来产生单线氧。单线氧用于破坏敏感分子以释放药物。目前，可用的单线氧响应分子的类型较少（目前仅硫代酚分子，二硫素分子等）[23-27]，并且该过程也受到能量传递效率和单重氧扩散距离等因素的限制，因此照片响应效率很低。

在这里，我们构建了一种新的纳米医学加载系统，其近红外染料Cypate作为光反应分子。由于低功率密度为808 nm激光器可以直接刺激柏树并引起自敏感氧化和断裂键，因此该系统具有较高的光响应效率。特定的构造方法如图1所示。上转化的纳米颗粒涂有介孔二氧化硅，将塞帕特耦合到二氧化硅孔，然后在连接全金丁烷（AD）后加载该药物。最后，通过β-环糊精（β-CD）和AD的络合物封装了载药的纳米颗粒。 β-CD是一种环状寡糖，无毒，良好的水溶性，大小约为1.5 nm。它更适合二氧化硅中孔，这可以将药物限制在孔中[28]。当808 nm近红外光激发药物加载系统时，Cypate光解会导致AD和β-CD分子掉落，从而释放药物。此外，纳米毒品携带系统被用作实时定位和跟踪生物体和视觉成像病变的探针。它必须具有有效且稳定的发光，并且不能触发药物释放。该系统的980 nm激发上转换发射不会影响cypate键断裂或不受cypate发光的影响，并且可以独立地实现纳米药物携带系统的定位和成像功能。

Of-Loxacin（Ofl）是一种常用的广谱抗生素。当前的管理方法主要是通过注射或口服给药以及当地外部给药。对于某些内部入侵手术，例如骨折的内固定，全身给药是术后预防感染的主要治疗方法，导致药物的生物利用度较低，并且增加了全身毒性[29-32]。在这项研究中，OFL用于制备纳米医学加载系统作为药物模型，并验证了纳米医学加载系统的体外抗菌活性。药物的持续释放是通过近红外的光照控制实现的，这有助于调节局部感染区域中氧氟沙星的缓慢释放，改善其生物利用度，并具有良好的临床应用前景。

2结果和讨论

2.1向上转化纳米医学加载系统的构建

图2

The solid-liquid thermal decomposition method developed by this research group was synthesized, and NaYF4:Yb, Er@NaYF4 up-converted nanocrystals (UCNP) [33] were up-converted to the nanocrystals (UCNP) [34], and UCNP was coated with mesoporous silica (MS) by sol-gel method to obtain UCNP@MS.透射电子显微镜（TEM）表明UCNP是六边形的，平均大小为120 nm，并且分散良好（如图2a所示）； UCNP@MS具有球形结构，介孔二氧化硅在UCNP表面均匀涂层，厚度约为30 nm（如图2B所示）。 X射线粉末衍射（XRD）的结果表明，UCNP的所有衍射峰都与六边形相位NAYF4的标准卡一致（JCPDSNO。16-0334）；介孔二氧化硅被覆盖后，UCNP相保持不变，并且无定形介孔二氧化硅的衍射峰出现在2θ= 23°时（如图2C所示）。 UCNP@MS的氮吸附解吸等温线属于IV等温线（如图2D所示）。据计算，其表面积和孔体积分别为267 m2•g -1和0.32 cm3•g -1，孔径约为2.5 nm，表明该材料具有中孔结构，这有助于加载小分子药物。

为了实现纳米药物加载系统的近红外光响应释放性能，我们对UCNP@MS材料进行了多步函数修改。首先，UCNP@MS的介孔二氧化硅表面进行了氨基修饰（UCNP@MS-NH2），而近红外染料Cypate（UCNP@MS-Cypate）; Cypate分子包含两个羧基。由于空间的障碍，其中一个羧基耦合到二氧化硅孔的氨基组，另一个羧基进一步连接到AD宾客分子，以获得UCNP@MS-Cypate-AD。在该材料的抗生素加载后，β-CD和AD的宿主 - 阵料复合物用于阻断孔口，以形成最终的照片响应性药物加载系统，Ofl-ucnp@ms-cypate@ms-cypate@β-cd。

我们分析了材料功能修饰之前和之后的ZETA电位。如图2E所示，由于表面硅羟基的存在，未修饰的UCNP@MS具有-8.3 mV的ZETA电位。修饰氨基后，ZETA电位增加到+44.0 mV。耦合到Cypate之后，纳米颗粒的表面从氨基组变为Cypate羧基，潜在降至-17.9 mV。动态光散射方法（DLS）用于测试材料的粒度和分散。如图2F所示，UCNP@MS，UCNP@MS-CYPATE-AD和OFL-UCNP@MS-CYPATE@β-CD的平均水合粒径分别为237、258和270 nm。相应的多分散指数（PDI）分别为0.150、0.112和0.087。这些结果表明，在修饰过程中，材料的粒径逐渐增加，每个纳米颗粒的大小都是均匀的，几乎没有聚集体。图2G是材料的UV可见核 - 含红外吸收光谱。 UCNP@MS耦合Cypate之后，Cypate的近红外吸收峰出现在800 nm处。药物加载后的L-UCNP@MS-Cypate@β-CD的吸收峰与纯药物OFL的吸收位置一致，这表明该药物的成功载荷。通过计算5.9％（w）获得OFL的加载（请参见支持信息，图S2）。红外吸收光谱进一步验证了材料的功能修饰（如图2H所示）。所有样品在3435、1092和809 cm -1附近均显示出二氧化硅的特征峰。连接Cypate和AD分子后，存在1721 cm -1处的弱酰胺I带吸收峰，并且存在1563 cm -1时的金刚氨酸的特征吸收峰。 Ofl-UCNP@MS-Cypate@β-CD中1468和1419 cm-1处的吸收峰归因于β-CD的骨架振动[35]。

2.2讨论系统中Cypate光解的效率和机制

图3

我们对上面准备的纳米医学加载系统进行了光电效率测试。在808 nm激光器下连续辐照功率密度为0.5W•cm-2，并测试其吸收光谱的变化每4分钟。如图3a和3b所示，系统中木塔特的吸收峰强度首先迅速下降，然后变化呈平坦，分别降至60％和30％，共10分钟和30分钟。最初的材料溶液为浅绿色，在40分钟后几乎无色。 As a control, we synthesized the material OFL-UCNP@MB@MS-cypate@β-CD, where the photosensitizer methylene blue (MB) absorbed the upconverted red light excited by 980 nm and generated 1O2, further destroying cypate The polymethyne chain of the system is limited by upconversion efficiency, energy transfer efficiency and diffusion distance in 1O2 water.光裂解效率非常低。 980 nm的30分钟只能将柏酸的吸收降低6％（如图3B，曲线B所示），并且光响应效应远小于OFL-UCNP@MS-CYPATE@β-CD系统，直接由808 nm激发。此外，在980 nm激光照明下，纳米药物加载系统中OFL-UCNP@MS-CYPATE@β-CD的吸收几乎没有变化（如图3B，曲线A），表明该系统中的CYPATE在980 NM Immulumination和980 nm nm and and and and to and and to and and to and and to and-nm live not and to and to nm afters and-nm not-nm a trace not a trace nm a trace noce not a trace nm a trace nm a trace noce not a trace nm a。 发布。

在808 nm激光兴奋下，柏酸酯的快速光降解是由染料的自敏光氧化反应引起的。研究表明，这种类型的近红外氰蛋白染料的光降解的主要机制是，该染料吸收光并激发它至三重态，然后使氧分子敏感并产生1O2和1O2以攻击染料中的多酰胺链，从而导致分子链中的分解（如图3C所示）。我们使用2,2,6,6-四甲基哌啶（TEMP）作为1O2捕获剂，然后将纳米医学携带系统辐照5分钟，然后进行顺磁共振（ESR）测量。图3D显示该系统产生非常强大的氮气自由基速度信号，进一步验证了系统的光裂解机制[36]。

2.3纳米药物加载系统的光自动药物释放和抗菌应用

图4

为了验证纳米药物加载系统的受控释放性能，我们首先测试了OFL-UCNP@MS-Cypate@ms-cypate@β-CD系统在808 nm Laser激光器（功率密度0.5 w•cm-2）中释放到环境中的抗生素OFL的吸收曲线的变化。如图4A所示，随着光线的延长，OFL吸收峰继续增加，表明药物释放量继续增加。然后，我们在不同的光时检查了纳米药物加载系统的药物释放过程以及在黑暗环境中纳米药物加载系统的药物释放过程（图4B）。结果表明，在黑暗条件下120分钟后，只有6.9％的OFL释放，表明药物加载系统具有良好的包装效应，并且在非反应条件下的药物损失率非常低。随着激光照射时间的增加到10分钟，20分钟和40分钟。在最低时，系统的OFL释放率逐渐增加，释放量又依次为29.9％，41.2％和50.9％；当辐照时间增加到60分钟，90分钟和120分钟时，OFL释放曲线与40分钟相似，这表明系统中的大多数Cypate在40分钟后已裂解，并且持续的光不再影响系统的药物释放。该结果与图3A中柏酸酯的光降解效率一致。随着808 nm激光辐射，柏酸的光降解效率逐渐降低。因此，在一定程度上增加了一定程度的时间后，cypate键被完全损坏，并且药物释放速率的增加不再明显。照片控制的释放实验表明，纳米药物加载系统可以触发低功率808 nm下的药物的释放，可以通过不同的光时（0〜40分钟）有效控制药物释放速率。此外，在980 nm激光照射下，纳米药物携带系统具有良好的发光稳定性（如图4C所示），并且不会受到药物释放的干扰。因此，它可以在药物释放过程中扮演探针定位和成像的功能。

为了进一步改善纳米医学加载系统的功能验证，我们使用了准备的纳米医学加载系统进行体外抗菌施用。用金黄色葡萄球菌作为靶细菌，在600 nm处监测细菌悬浮液的光密度（OD600 nm），以评估纳米医学加载系统的体外抗菌活性。金黄色葡萄球菌（1×106 CFU•ML-1）和OFL-UCNP@MS-CYPATE@β-CD（1μg•μl-1）被添加到Luria-Bertani（LB）培养基中，并在808 Nm Laser Light 30分钟后孵育10 h。同时，建立对照组来评估纳米医学加载系统的抗菌活性，通过抑制金黄色葡萄球菌的增殖。

如图4D所示，未达到1.41的对照组的细菌光密度，而OFL-UCNP@MS-CYPATE@MS-CYPATE@β-CD纳米纳米药物加载系统和实验组的光控释放的抗菌作用仅为0.34，显示出明显的抗体效应。我们比较了没有光系统的细菌光密度值为1.33，抗菌作用并不明显。此外，仅808 nm没有细菌抑制作用。考虑到Cypate是一种光热试剂，我们还比较了系统的抗菌效应，而无需OFL载荷UCNP@MS-Cypate@β-CD。结果表明，光线30分钟后，该组的细菌光密度为1.24，仅略低于对照组的光密度。原因是纳米系统中的cypate仅耦合到材料表面，并且其数量受到限制并逐渐氧化，因此光热抗菌效应受到限制，并且对纳米药物加载系统的影响可以忽略。所有抗菌实验结果都再次证实了我们设计的纳米药物加载系统具有良好的近红外光响应和释放性能。此外，在共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）下，可以观察到与金黄色葡萄球菌共孵育的纳米药物加载系统的上转换成像（如图4E所示）。纳米药物加载系统与细菌结合在一起，并在980 nm激光激发下显示明显的上转换绿光发射，因此可以将纳米药物加载系统用作药物定位和生物成像的同时用作发光探针。

为了评估OFL-UCNP@MS-Cypate@β-CD纳米疗法加载系统的生物相容性，我们选择了人类正常的肝细胞（LO2）并通过MTT方法测试了其细胞毒性。结果表明，在不同浓度的材料（0、125、250、500和1000μg•ml-1）孵育2小时后，LO2细胞的存活率并没有太大变化，所有变化都超过95％（请参阅支持信息，图S3），这反射了@ms-cypate@ms-cypate@ms-cypate@ms-cypate@ms-cypate@mscypate@mscypate@ms-cypate@ms-cddym@β-cddym@β-cdd.cypypate，它在体内输送药物的良好潜力。

3结论

这项工作成功地构建了一个新的近红外光响应稀土，上转换纳米药物的加载系统Ofl-ucnp@ms-cypate@β-cd。该系统将UCNP用作核心和甲壳甲孔二氧化硅，并在孔口连接近红外染料cypate和AD分子，并使用AD和β-CD的络合来阻止药物。该纳米药物加载系统用于加载抗生素外氧化物的loxacin ofl。研究结果表明，OFL稳定地封装在中孔中，并在较低的功率密度808 nm激光下迅速响应。由于需要次的木塔特在系统中的自敏光氧化反应，键断裂，药物加载系统的光响应效率很高，并且控制不同的光时可以满足定量药物递送的需求。体外抗菌实验表明，OFL-UCNP@MS-Cypate@β-CD为808 NM激光照射下的抗菌效应远高于非光照条件，进一步验证了纳米吸毒系统的光控释放性能。此外，在980 nm激光激发下，纳米毒品携带系统具有强大的上转换发光，可以实现多功能设计，例如纳米毒品携带系统的定位和成像。

赛quard

公司资料：Shenyang Mode Pharmaceutical Technology Co.，Ltd。是由行业退伍军人组成的研发团队，专门研究近红外第二区小型动物活荧光成像系统的研究和开发。如有必要，可以随时进行沟通，欢迎合作。

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