一種由納米材料和外加輻射源組成的實現腫瘤血管阻斷的腫瘤治療藥物的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種納米材料的新用途。該新用途是其在制備腫瘤血管阻斷劑中的應用，所述納米材料具備下述所有性質：(1)表面為親水性；(2)表面帶有電負性；(3)納米材料的尺寸介于50-250nm之間，且該材料具有剛性，使其不易通過腫瘤血管壁孔洞而被卡在所述孔洞；(4)能夠吸收外界輻射能量并在內部轉化成為熱能，同時將所述熱能蓄積，使得所述納米材料的形態結構發生劇烈變化。治療時，將上述納米材料注射到荷瘤生物體內，再對腫瘤部位施加輻射，使納米材料吸收輻射能量而內部溫度迅速升高，當溫度蓄積到一定程度，會使納米材料的形態結構發生改變(爆炸或體積急劇膨脹)，從而導致腫瘤血管內皮細胞的形態結構或功能的改變，破壞腫瘤血管。
【專利說明】一種由納米材料和外加輻射源組成的實現腫瘤血管阻斷的腫瘤治療藥物

【技術領域】
[0001]本發明屬于醫藥領域，具體涉及一種由納米材料和外加輻射源組成的實現腫瘤血管阻斷的腫瘤治療藥物。

【背景技術】
[0002]近年來癌癥的發病率和死亡率均呈上升趨勢，每年全球新增癌癥患者多達1500萬人，嚴重地威脅著人類的健康。傳統的三大腫瘤治療方法即外科手術、放療和化療都是以殺傷腫瘤細胞為主要目標。然而，隨著癌癥研究的日益進展，人們逐漸認識到，腫瘤組織里不僅有腫瘤細胞，還有豐富的腫瘤新生血管，腫瘤組織實際上是由腫瘤細胞和腫瘤新生血管形成的一個完整生態系統。一個腫瘤瘤體要想快速長大，必須依賴腫瘤新生血管的生成，并且腫瘤血管是癌細胞的主要轉移通道，因此，阻斷或破壞腫瘤血管，一方面能切斷腫瘤組織的營養供給，“餓死”腫瘤，另一方面會最大程度地阻斷癌細胞的擴散和轉移。
[0003]實體瘤與正常組織相比，在解剖學和病理學上存在很大差異。正常的血管生長周期是一年，一般由內膜、中膜和外膜三層膜組成。而腫瘤血管的生長周期為4天，結構上只有一層薄薄的內膜，并且由于內皮細胞間隙較大、結構不完整，導致腫瘤血管包含有大量納米尺寸的小孔，血漿能夠透過而出。此外，腫瘤處血運豐富，腫瘤血管還具有血流量多，血壓高的特點，是正常血管壓力的3倍。
[0004]基于正常血管和腫瘤血管差異，針對腫瘤血管特殊性，可以設計特異性地將腫瘤血管破壞的腫瘤治療方法，類似于腫瘤血管阻斷劑(vascular disrupting, agents, VDAs)。VDAs是通過選擇性地破壞惡性腫瘤新生血管從而實現治療癌癥目的的藥物，它靶向已生成的腫瘤血管,通過快速改變內皮細胞形狀或損傷內皮細胞引起內皮細胞凋亡,暴露基底膜,顯著影響毛細血管血流量,從而瓦解實體瘤內部的血管系統,導致腫瘤局部缺血和大范圍壞死。該類藥物中研究最多的是小分子VDAs，現已有多種小分子VDAs進入臨床前期實驗中。但是，大部分VDAs類候選藥被發現有比較嚴重的副作用，例如齊布司他、CA-1P和MPC-6827等I / II期臨床試驗均報道有心血管不良反應如高血壓、心動過速、緩慢性心律失常、心房顫動、心肌梗死，且與劑量呈相關性，這些不良反應限制了其在臨床上的廣泛使用。


【發明內容】

[0005]本發明的目的之一是提供一種納米材料的新用途。
[0006]本發明所提供的納米材料的新用途是其作為腫瘤血管阻斷劑藥物，結合與其相匹配的輻射源實現治療腫瘤的目的。
[0007]本發明所述的納米材料具備下述所有性質:(I)表面為親水性，使其能夠經由靜脈注入到生物體內并被運載至腫瘤血管；(2)表面帶有一定電負性，使其與正常細胞及正常組織的血管內壁等不產生非特異吸附性，一方面避免所述納米材料在血管內聚集栓塞，另一方面也使其不易吸附于正常組織或血管壁，避免對正常細胞和組織的傷害；(3)納米材料的顆粒尺寸范圍介于50-250nm之間，且該材料具有剛性(即不易變形)，使其在欲通過腫瘤血管壁孔隙時能夠被卡住；(4)所述納米材料能夠吸收外界輻射能量并在內部轉化成為熱能，同時將所述熱能蓄積，使得所述納米材料的形態結構發生劇烈變化，從而導致腫瘤血管內皮細胞的形態結構或功能的改變，最終破壞腫瘤血管。
[0008]所述納米材料的形態結構發生改變的可能途徑如下:對于具有單晶/多晶結構的納米材料來說，當蓄積的溫度超過材料的相變溫度點(40-150°C )，材料體積迅速地發生膨脹；對于內部疏松并含有結合水的納米材料，蓄積的溫度超過100°C蒸發內部的水產生水蒸氣，當蒸氣壓累積到一定程度超過材料的結合力發生微型爆炸；或者材料驟熱直接發生爆炸；所述的可能途徑均可以作用于腫瘤血管，最終達到高效治療腫瘤的效果。
[0009]本發明所述的納米材料是由主體材料經過水溶性和電負性修飾得到的。所述主體材料是具有可以吸收外界輻射(紅外線、可見光、X射線、交變磁場，射頻等)能量并蓄積熱量的納米材料，可以是單質金屬或非金屬材料，也可以是復合材料，典型的材料例如:富勒烯納米顆粒、內嵌金屬富勒烯納米顆粒、貴金屬納米團簇(包括金納米團簇、銀納米團簇、鉬納米團簇)、四氧化三鐵納米材料、氧化鋅納米材料、硫化鋅納米材料、硒化鎘納米材料、締化鎘納米材料、稀土氧化物納米材料、碳量子點、碳納米角、碳納米管、石墨烯等及其任意組合。
[0010]本發明所述的納米材料具體可為Au@Si02納米顆粒(即荷負電的S12層包覆Au納米顆粒的復合納米粒子，Zeta電勢-34±0.4eV)、水溶性富勒烯納米顆粒、水溶性金屬富勒烯納米顆粒、表面包覆親水層的Fe3O4納米顆粒等。
[0011]本發明所述外界輻射的能量源包括射頻(又稱為無線電波)、微波、紅外光、可見光、激光、X射線和交變磁場等及其任意組合。能量形式盡可能為超短時間脈沖輻射，例如激光脈沖、電磁脈沖(包括射頻脈沖)等，以利于納米材料快速吸收輻射能量而使溫度迅速上升，然后在未及時通過熱交換等方式散失能量前迅速發生形變(膨脹或爆炸)，從而釋放能量。脈沖能量源同時可降低外界輻射對生物體的損傷。
[0012]本發明所使用的納米材料需具備水溶性，能夠經由靜脈注入到生物體內，并隨著血液循環輸送至腫瘤血管處發揮治療作用。為實現此目的，通常可對上述主體材料進行水溶性修飾，使其更具生物相容性。例如在主體材料表面修飾一種或多種親水性化學基團，如:羥基、氨基、巰基、羧基等及其任意組合；還可以在主體材料表面包裹一層親水性無機物如二氧化硅、或直接用親水性生物小分子如氨基酸、肽鏈等包裹主體材料，還可以借助具有生物相容性的載體材料負載主體材料，如脂質體、細胞膜等作為載體，亦可以通過自組裝形成水溶性超分子體系等形式。上述修飾方法均可按照現有技術公開的方法進行修飾。
[0013]本發明所使用的納米材料應帶有一定的電負性，電負性修飾方法包括直接在主體材料表面通過共價鍵引入電負性官能團，如羥基、羧基和氨基酸等，亦可以通過帶有電負性的載體進行非共價作用包覆，如羥基化的二氧化硅層、羧基化的碳膜、肽鏈等。使得材料不易被細胞吞噬或被正常組織及血管吸附，即使接觸也會被迅速彈開，這樣在納米材料發生形變(膨脹或爆炸)時可降低對正常細胞或生物組織的損傷。
[0014]當然為了簡化修飾的步驟，也可以通過選擇合適的修飾方法，同步實現對主體材料的水溶化修飾和負電修飾。
[0015]本發明所使用的納米材料的尺寸分布一般應該在50_250nm范圍內，并且該材料需要具有一定的剛性(不易變形)，使其不能穿過腫瘤血管內皮細胞間的納米孔隙，且又能夠利用腫瘤血管內外壓力差緊緊地貼合在血管壁的孔隙部位，以利于納米材料迅速發生形變(膨脹或爆炸)時更有效地損傷腫瘤血管內皮細胞。
[0016]本發明的目的之二是提供一種用于治療腫瘤的藥物套裝。
[0017]本發明所提供的藥物套裝由上述納米材料和提供與其相匹配的輻射能量源的裝置組成。
[0018]藥物套裝可具體為金納米團簇+脈沖激光；富勒烯納米顆粒+脈沖激光；金屬富勒烯納米團簇+射頻；四氧化三鐵納米顆粒+交變磁場等。
[0019]關于上述能量源，本領域技術人員可以根據現有技術的教導，依據形成所述納米材料中主體材料對不同輻射能量的吸收性質,做出合理的選擇。
[0020]本發明的目的之三是提供一種基于上述納米材料能特異性阻斷腫瘤血管的腫瘤治療方法。
[0021]本發明所提供的腫瘤治療方法，包括下述步驟:
[0022]I)向需要治療的荷瘤生物體注射給予有效劑量的納米材料；
[0023]2)用與所述納米材料相匹配的輻射能量源對所述生物體的腫瘤部位進行輻照。
[0024]本發明中所述的“有效劑量”是指當通過本發明的方法給予生物體納米材料時，足以向生物體有效傳遞用于治療疾病的活性成分的量。
[0025]本發明中所述的生物體是指包括人在內的哺乳動物。
[0026]本發明所述的輻照為靜脈注射納米材料O-1h后輻照一段時間，例如10min-lh。
[0027]上述腫瘤治療方法優選的注射方式為靜脈注射，直接在血液中發揮作用，無需滲透，所用的藥劑量小，療效高。
[0028]本發明所使用的納米材料通過特異性地阻斷腫瘤血管治療腫瘤，是利用腫瘤組織內血管與正常血管的差異，因而具有廣譜性，適用于一切實體腫瘤，包括:肝癌、肺癌、結腸直腸癌、腎癌、胰腺癌、骨癌、乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌、食管癌、胃癌、口腔癌、鼻癌、喉癌、肝癌、膽管癌、宮頸癌、子宮癌、睪丸癌、腦膜瘤、皮膚癌、黑色素瘤、肉瘤(如纖維肉瘤、粘液肉瘤、脂肪肉瘤、軟骨肉瘤、骨原性肉瘤、脊索瘤、血管肉瘤、內皮肉瘤)等。
[0029]本發明所采用的納米材料為尺寸在50-250納米之間的特定納米粒子，能夠在吸收外界特定波長的輻射能量(紅外線、可見光、X射線、交變磁場，射頻等)后發生形變(膨脹或爆炸)。使用時將納米材料靜脈注射到荷瘤生物體內，經血液輸運至腫瘤。由于腫瘤血管壁細胞之間存在著大量的納米孔隙，尺寸較小的納米材料將通過這些空隙進入腫瘤體內，但尺寸合適并具有一定剛性的納米材料(即具有本發明所述性質的納米材料)被這些納米孔卡住，并因血管內外壓差而使其長時間滯留于這些腫瘤血管細胞間隙處。這時再對腫瘤附近施加合適波長的輻射，使納米材料吸收輻射能量而內部溫度迅速升高，當溫度蓄積到一定程度，使得所述納米材料的形態和/或結構發生改變(如發生爆炸或體積急劇膨脹)。由于納米材料被血管內外血壓差作用密切接觸腫瘤血管孔隙，其所發生的迅速形變導致周圍腫瘤血管內皮細胞受損凋亡,暴露基底膜,從而顯著影響毛細血管血流量,破壞腫瘤血管的輸運血液功能，使腫瘤細胞失去營養供給而被餓死。
[0030]本發明所使用的納米材料在吸收輻射能量發生迅速形變(快速膨脹或爆炸)時，如果位于正常血管或器官，由于納米材料表面電負性與它們相斥而遠離這些血管與器官表面，所以對正常血管或生物器官損傷很小；而如果納米材料通過位于腫瘤血管的內皮細胞間隙，當吸收輻射能量發生迅速形變(快速膨脹或爆炸)時會重傷附近的內皮細胞，改變周圍腫瘤血管內皮細胞形態及功能，導致細胞調亡，暴露基膜，最后產生腫瘤血管破損營養物質流失，快速餓死腫瘤細胞。
[0031]本發明所使用的納米材料通過特異性地阻斷腫瘤血管來治療腫瘤，導致大量腫瘤細胞餓死或受損，死亡后的腫瘤細胞被機體吸收，會激發機體的免疫反應，進一步產生抗腫瘤效應。
[0032]本發明所使用的納米材料通過特異性地阻斷腫瘤血管治療腫瘤，給藥方式為靜脈注射，藥物直接在血液中發揮作用，無需滲透，所用的藥劑量小，療效高，能夠送達生物體全身，因此，不但能夠治療原發腫瘤，還可治療已在全身擴散的后期腫瘤。
[0033]由于上述治療方法對腫瘤的殺傷是純物理性損傷，因此也不存在抗藥性的問題；
[0034]本發明所使用的納米材料通過特異性地阻斷腫瘤血管治療腫瘤，通過迅速損傷腫瘤血管內皮細胞，引發腫瘤血管內皮細胞凋亡，暴露基膜，血管損壞，繼而腫瘤細胞因缺乏營養死亡，整個過程發生在2-5個小時內，因而具有快速治療腫瘤的效果。
[0035]本發明提供的腫瘤治療方法利用納米材料高選擇性地阻斷腫瘤血管，特異性強，威力大，直接快速，并且安全高效，對正常組織傷害性小，是一種非常具有前景的新型腫瘤治療方法。
[0036]綜上，本發明提供的腫瘤治療方法具有以下優點:(I)具有廣譜性，對任何實體腫瘤都有效；(2)水溶化的納米材料經血液循環直接作用于腫瘤血管壁(內皮細胞)，給藥方式簡單、靶向作用強；(3)治療效果具有放大效應，由于一個血管內皮細胞支持50-100個腫瘤細胞生長，所以破壞腫瘤血管后，抑制腫瘤的效果會成倍放大；(4)副作用小，只針對具有孔隙的腫瘤血管，而正常組織的血管由于結構不同，不易受到損害；(5)物理破壞腫瘤血管，沒有耐藥性問題；(6)腫瘤轉移也依賴于血管，故能抑制腫瘤轉移與擴散；(7)作用時間短，一旦腫瘤血管出血或阻塞阻斷營養供給，腫瘤細胞缺血發生壞死的時間不超過2h ;(8)治療不受限于腫瘤的位置及深度，并且對晚期腫瘤亦具有治療效果；(9)保護和激活免疫；
(10)較強的鎮痛效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1為納米材料特異性破壞腫瘤血管內皮細胞示意圖，圖中黑色顆粒指代滿足于本發明所述性質即可以發生形變(快速膨脹或爆炸)的納米材料；綠色顆粒指代未滿足本發明所述性質的納米顆粒；紫色部分指代納米材料發生作用后導致腫瘤血管內皮細胞凋亡。
[0038]圖2為水溶性Au@Si02納米顆粒的透射電鏡照片。
[0039]圖3為水溶性Au@Si02溶液在760nm激光作用下迅速產生大量氣泡，表明一些納米顆粒發生了爆炸。
[0040]圖4為使用Au@Si02納米顆粒進行激光脈沖作用的腫瘤在治療24h后效果圖。
[0041]圖5為經過AulgS12納米顆粒和激光脈沖治療后腫瘤血管的環境掃描電鏡照片(圖中黃色箭頭為腫瘤血管受損處)。

【具體實施方式】
[0042]下面通過具體實施例對本發明進行說明，但本發明并不局限于此。
[0043]下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。
[0044]下述實施例中使用的具備本發明全部所述性質的納米材料為水溶性AuO羥基化的 S12 納米顆粒，其制備方法參照文獻(J.Am.Chem.Soc.2014，136，7317 ；Angew.Chem.1nt.Ed.2010，49，3777)
[0045]圖2為上述水溶性Au@Si02納米顆粒的透射照片，顆粒的尺寸約為80_100nm左右，羥基化的S12包覆層的厚度為7nm左右。由于所修飾的S12表面帶有羥基集團，故該AuOS12納米顆粒表面具有電負性，Zeta電勢值測定為-34±0.4eV。
[0046]實施例1:Au@Si02水溶液在激光作用下產生氣泡實驗
[0047]如圖3所示，AuiS12水溶液(濃度25mg/mL)在760nm激光脈沖(平均功率500mff, 16ff/cm2)作用下產生大量的氣泡，說明通過金納米顆粒在激光脈沖作用下可以產生熱量，由于外部包裹一層隔熱的S12層，不與外界進行快速能量交換，當內部熱量積聚到一定程度，產生爆炸。而經過激光處理后的樣品不再產生爆炸作用。
[0048]實施例2 =AuiS12納米材料在激光作用下腫瘤治療及效果驗證
[0049]1、建立荷瘤鼠動物模型:
[0050]抽取腹腔接種H22肝癌細胞株的小鼠腹水，離心去上清液計數，接種細胞濃度為1VmL的細胞懸浮液50 μ L于每只小鼠右側大腿皮下。待生長5_7天后，腫瘤大小在5mm
左右進行實驗。
[0051]2、動物實驗活體磁共振成像及腫瘤治療實驗:
[0052]通過尾靜脈注射AuOS12水溶液(濃度25mg/mL,其中Au濃度10mg/kg) 200 μ L于荷瘤鼠體內。對腫瘤部位施加760nm激光脈沖30min，分別采集各個時間點腫瘤組織、腎臟和肝臟的成像情況。
[0053]圖4為使用本發明方法治療24h后腫瘤的照片，經治療后腫瘤內部中空，外部結痂，大部分的腫瘤組織被機體消解。
[0054]圖5顯示經過Au@Si02處理2天后的腫瘤在射頻作用后腫瘤血管的環境掃描電鏡照片，可以觀察到經過AulgS12納米材料和激光脈沖作用后，腫瘤血管發生大范圍內皮細胞壞死脫落，露出血管基膜，說明AuOS12納米材料在激光作用下的爆炸沖擊力可以快速有效地摧毀腫瘤血管，最終“餓死”腫瘤組織，達到高效快速治療的作用。
【權利要求】
1.一種納米材料在制備腫瘤血管阻斷劑中的應用； 所述的納米材料具備下述所有性質:(1)表面為親水性，使其能夠經由靜脈注入到生物體內并被運載至腫瘤血管；(2)表面具有電負性，使其與正常細胞及正常組織的血管內壁產生排斥性；(3)納米材料的顆粒尺寸范圍介于50-250nm之間，且該材料具有剛性，使其在通過腫瘤血管內壁孔隙時而被卡住，被由于腫瘤血管內外壓力差而長期滯留該處；(4)所述納米材料能夠吸收外界輻射能量并在內部轉化成為熱能，同時將所述熱能蓄積，使得所述納米材料的形態結構發生劇烈變化，從而導致腫瘤血管內皮細胞的形態結構或功能的改變。
2.根據權利要求1所述的應用，其特征在于:所述納米材料由下述至少一種材料經過水溶性和電負性修飾得到:富勒烯納米顆粒、內嵌金屬富勒烯納米顆粒、貴金屬納米團簇、四氧化三鐵納米材料、氧化鋅納米材料、硫化鋅納米材料、硒化鎘納米材料、締化鎘納米材料、稀土氧化物納米材料、碳量子點、碳納米角、碳納米管和石墨烯。
3.根據權利要求1或2所述的應用，其特征在于:提供所述外界輻射能量的能量源選自下述至少一種:射頻、微波、紅外光、可見光、激光、X射線和交變磁場。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的應用，其特征在于:所述外界輻射能量的能量形式為超短時間脈沖輻射，其能量源優選:激光脈沖、電磁脈沖。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的應用，其特征在于:所述納米材料為荷負電的S12層包覆Au納米顆粒形成的復合納米粒子即Au@Si02納米顆粒、水溶性富勒烯納米顆粒、水溶性金屬富勒烯納米顆粒或表面包覆親水層的Fe3O4納米顆粒。
6.一種用于治療腫瘤的藥物套裝，由權利要求1-5中任一項所述的納米材料和提供與所述納米材料相匹配的輻射能量源的裝置組成。
7.根據權利要求6所述的藥物套裝,其特征在于:所述納米材料為Au@Si02納米顆粒，與其相匹配的輻射能量源為脈沖激光；所述納米材料為水溶性富勒烯納米顆粒，與其相匹配的輻射能量源為脈沖激光；所述納米材料為水溶性金屬富勒烯納米團簇，與其相匹配的輻射能量為射頻；所述納米材料為表面包覆親水層的Fe3O4納米顆粒，與其相匹配的輻射源為交變磁場。
8.一種腫瘤的治療方法，包括下述步驟: 1)向需要治療的荷瘤生物體注射給予有效劑量的權利要求1-5中任一項所述的納米材料； 2)用與所述納米材料相匹配的輻射能量源對所述生物體的腫瘤部位進行輻照。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于:所述的生物體是指包括人在內的哺乳動物；所述注射的方式為靜脈注射； 所述的輻照為靜脈注射納米材料O-1h后輻照一段時間，例如10min-lh。
10.根據權利要求1-5中任一項所述的應用、權利要求6-7所述的藥物套裝、權利要求8-9所述的治療方法，其特征在于:所述腫瘤為實體腫瘤；所述實體腫瘤，包括:肝癌、肺癌、結腸直腸癌、腎癌、胰腺癌、骨癌、乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌、食管癌、胃癌、口腔癌、鼻癌、喉癌、肝癌、膽管癌、宮頸癌、子宮癌、睪丸癌、腦膜瘤、皮膚癌、黑色素瘤、肉瘤。
【文檔編號】A61K41/00GK104127873SQ201410366213
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】王春儒, 甄明明, 王太山, 舒春英, 張國強, 鄒頭君 申請人:中國科學院化學研究所