基于非对称型方酸菁染料的纳米材料及其制备方法和应用

本发明属于医药化学领域，具体涉及一种基于非对称型方酸菁染料的纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、传统的癌症诊断手段如核磁共振(mri)、计算机断层扫描(ct)等，存在放射性风险、操作困难、特异性差和灵敏度低等问题。相比之下，光学成像技术，特别是近红外荧光成像技术，因其成像时间短、灵敏度高和测试成本低等优点，为这一问题提供了新的解决路径。近红外荧光成像技术具有强组织穿透能力、避免生物背景荧光和对活体损伤小等优点，弥补了传统诊断手段的缺陷。虽然各种成像技术都有其优缺点，但临床实践中已不局限于单一的成像检测技术。例如，磁共振成像(mri)可以实现病灶的三维断层图像和较高的空间分辨率，但其相对较弱且成像时间长等特点限制了其在肿瘤方面的应用；而近红外荧光成像(nirfi)虽空间分辨率较低，但其成像快速、灵敏度高等特点正好可以弥补mri的不足。将mri和nirfi成像优点结合起来，将为医学临床和科学研究带来更广阔的应用前景。这种结合将有望为癌症的诊断和治疗提供更准确、高效的方法，从而更好地服务于全球的癌症患者。

2、相较于化疗、放疗和手术切除等传统治疗手段，光动力治疗(pdt)具有更高的时空选择性、更小的创伤性和更低的毒副作用。这一新兴的癌症治疗方法，利用特定光源激活无毒或微毒的光敏剂(ps)，生成具有细胞毒性的物质(ros)。这些ros能直接氧化蛋白质、脂质、核酸碱基和氨基酸残基等，从而改变脂质的新陈代谢，上调细胞因子和应激蛋白的表达，最终引发细胞凋亡、坏死或自噬。pdt的机理在于，适当波长的光照射下，ps被激发至单线态激发态，并迅速转换为三线态激发态。在这一状态下，ps与底物发生光动力反应，生成具有细胞毒性的ros。目前，这种光动力反应过程分为i型和ii型两种机制。在i型光化学反应中，三线态的ps通过电子转移与附近底物反应，形成自由基阳离子或自由基阴离子。这些离子会进一步与含氧基质(如水、氧气等)反应，产生超氧阴离子和羟基自由基。相比之下，ii型光化学反应中，三线态的ps直接将能量传递给氧气，生成高反应活性的单线态氧(1o2)。尽管ii型pdt具有高氧依赖性和高耗氧量，但i型pdt的耗氧量较少，有助于克服实体瘤的恶性缺氧困境。这意味着，i型pdt在临床治疗应用方面具有巨大潜力。此外，无机材料如tio2、zno已被报道能高效率地产生超氧阴离子和羟基自由基。然而，单独的无机材料可能存在生物安全性问题，同时短波长也限制了组织穿透深度，不利于深度治疗肿瘤。相比之下，一些用于pdt治疗的有机金属络合物和金属-有机框架虽然避免了氧气依赖和消耗的问题，但它们仍存在重复性差、严重的细胞毒性、生物降解性低和药代动力学复杂等缺点。有机小分子光敏剂为克服无机材料在治疗肿瘤方面的局限性提供了新的解决路径。理想的有机小分子光敏剂需满足以下条件：1)易于制备、具备良好的稳定性与高纯度；2)能够有效地到达并选择性地集中在目标组织中；3)具有优异的光物理和光化学性质，特别是在600-900nm波长范围内有高吸收率；4)具有良好的生物相容性；5)能产生高活性的活性氧(ros)。

3、肿瘤微环境，一个由复杂细胞群体构成的生态系统，包含癌细胞和癌症干细胞的异质性以及多种被招募的基质细胞类型。与正常的组织细胞环境相比，肿瘤微环境具有独特的特征，如缺氧、氧化应激的加剧以及谷胱甘肽(gsh)的过表达。这些特性对各种抗癌治疗方法的效果产生了深远的影响，极大地限制了癌症的治疗。针对肿瘤部位缺氧的问题，研发基于i型光化学过程的创新光动力治疗光敏剂更具有研究意义。这种光敏剂的独特之处在于，它无需氧气参与，能够直接产生具有强大细胞毒性的羟基自由基。肿瘤细胞内存在一种复杂的氧化还原平衡机制，可能会抵抗ros诱导的细胞损伤，从而影响治疗效果。为了克服这一挑战，研究人员正在探索消耗细胞内过表达的谷胱甘肽(gsh)的方法。gsh是一种在肿瘤细胞中高度表达的还原剂，负责消除氧化应激以维持肿瘤细胞的活性。通过消耗过表达的gsh，可以生成更多的ros。此外研究人员利用肿瘤细胞内的高含量的h2o2，设计制备包含过氧化氢酶的纳米平台进行光动力治疗(pdt)，过氧化氢酶是一种关键的催化酶，能将细胞内的过氧化氢(h2o2)转化为氧气(o2)和水过氧化氢酶的过表达，降低肿瘤细胞的生长速度和扩散速率，从而显著改善治疗效果。

4、因此，亟需研发一种新型制剂，以应对肿瘤乏氧环境并降低gsh水平，从而优化pdt治疗的效果。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于非对称型方酸菁染料的纳米材料及其制备方法和应用。

2、为解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种非对称型方酸菁染料，其分子结构式如式(1)所示：

3、

4、其中：r1为氢或c1-c20的烷基；r2为氧或丙二氰基。

5、具体地，本发明的方酸菁染料是一种不对称方酸类有机小分子化合物，融合了方酸部分、吲哚部分和噻吩-酚噻嗪基团，即在方酸母核上连接了不同的富电子集团，吲哚和噻吩-酚噻嗪基团，增强了分子内的电荷转移特性，增大了分子的刚性和空间位阻，有效抵御了单线态氧的进攻。相较于传统的对称型方酸菁染料，这种设计不仅增大了斯托克位移，还显著增强了光稳定性，使得该化合物在近红外成像领域具有更广阔的应用前景。经过实验，证实这类有机小分子能够通过i型光动力反应产生羟基自由基，能在肿瘤的缺氧环境中生成ros，从而发挥pdt治疗作用。

6、作为上述方案的进一步改进，所述的非对称型方酸菁染料的分子结构式如式(2)或式(3)所示：

7、

8、作为上述方案的进一步改进，上述非对称型方酸菁染料的制备方法，包括以下步骤：

9、将1，3-方酸作为电子受体结构单元与电子供体结构单元混合，进行偶联反应，制得所述非对称型方酸菁染料；所述电子供体结构单元包括氢或甲基取代的吲哚和噻吩-吩噻嗪共轭单元。

10、优选地，所述电子受体结构单元与电子供体结构单元的摩尔比为(2-3)：1。

11、本发明的第二方面提供了一种纳米材料，包括胶束纳米粒子和mno2-bsa(牛血清蛋白)纳米粒子，所述mno2-bsa纳米粒子通过静电吸附于所述胶束纳米粒子的表面；

12、所述胶束纳米粒子具有包覆结构，其核心为权利要求1或2所示的非对称型方酸菁染料，外包覆层含有两亲性嵌段共聚物和偶联肿瘤靶向多肽的两亲性嵌段共聚物。

13、优选地，所述两亲性嵌段共聚物包括二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇(dspe-peg2000)。

14、优选地，所述肿瘤靶向多肽包括creka，creka为cys-arg-glu-lys-ala五肽，可特异性结合肿瘤血管壁上的微血栓内的纤维蛋白-纤连蛋白复合物，具有肿瘤靶向功能。

15、具体地，本发明的纳米材料包括含有非对称型方酸菁染料和肿瘤靶向多肽的胶束纳米粒子，以及mno2-bsa纳米粒子。该纳米材料可以通过epr效应和creka的主动靶向作用到达肿瘤部位，高效地聚集在肿瘤组织区域。在肿瘤微环境中，系统中的非对称型方酸菁染料被释放，实现近红外荧光成像，同时在近红外(660nm)光照下展现了优异的i型光动力性能，产生羟基自由基，杀死肿瘤细胞；此外，mno2-bsa纳米粒子的加入可以实现t1对比增强磁共振成像，mn2+可发生类芬顿反应，产生额外的羟基自由基，进一步增强了其治疗效果。

16、本发明的第三方面提供了上述纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

17、(1)将非对称型方酸菁染料溶于有机溶剂后，滴加至含两亲性嵌段共聚物和肿瘤靶向多肽的水溶液中，进行混合、透析，得胶束纳米粒子水溶液，记为cy nps水溶液；

18、(2)在牛血清蛋白水溶液中加入高锰酸水溶液，分散，得含mno2和牛血清蛋白的水溶液，记为mno2-bsa nps水溶液；

19、(3)将步骤(1)制得的cy nps水溶液与步骤(2)制得的mno2-bsa nps水溶液混合，经透析，得所述纳米材料，记为cy@mno2 nps水溶液。

20、具体地，本发明的纳米材料在制备时，通过纳米沉淀法，先将上述非对称型方酸菁染料与dspe-peg2000-creka自组装，制备稳定且尺寸均匀并具有肿瘤靶向功能的脂质体纳米粒子，即胶束纳米粒子cy nps；然后将其与核磁成像剂mno2-bsa纳米粒子混合，使mno2-bsa纳米粒子静电结合在胶束纳米粒子cy nps表面，形成多功能肿瘤微环境响应型纳米材料cy@mno2 nps。该纳米材料不仅具备精准靶向肿瘤细胞的能力，而且面对复杂的肿瘤微环境可展现出双重优势：一方面，通过消耗过量的gsh，保护光敏剂；另一方面，还原得到的mn2+，能在h2o2催化下触发类芬顿反应，生成更多的羟基自由基。这一特性使得该纳米材料在近红外光的照射下，能够对缺氧乳腺癌细胞进行i型光动力治疗。

21、优选地，所述cy nps水溶液与所述mno2-bsa nps水溶液的体积比为1：(1-2)。

22、优选地，步骤(1)中，所述有机溶剂包括四氢呋喃。

23、优选地，步骤(1)中，所述非对称型方酸菁染料溶于有机溶剂后所形成的溶液(溶液a)的浓度为1-10mg/ml，所述含两亲性嵌段共聚物和肿瘤靶向多肽的水溶液(溶液b)的浓度为2-20mg/ml，溶液a与溶液b的体积比为(0.01-1)：1。

24、优选地，步骤(1)中，所述混合为先超声5-30min，然后搅拌，以使有机溶剂挥发。

25、优选地，步骤(1)中，所述透析为采用0.22μm的微孔滤膜，透析12-36小时。

26、优选地，步骤(2)中，所述牛血清蛋白水溶液(溶液c)的浓度为10-100mg/ml，所述高锰酸水溶液(溶液d)的浓度为10-100mg/ml，溶液c与溶液d的体积为(0.04-4)：1。

27、优选地，步骤(2)中，所述分散为采用超声分散15-30min。

28、优选地，步骤(3)中，所述混合为搅拌0.5-1小时。

29、优选地，步骤(3)中，所述透析为采用0.22μm的微孔滤膜，透析12-36小时。

30、本发明的第四方面提供了上述非对称型方酸菁染料或纳米材料在肿瘤细胞生物成像领域中的应用。

31、本发明的第五方面提供了一种磁共振成像制剂，包括上述纳米材料。

32、本发明的第六方面提供了上述非对称型方酸菁染料或纳米材料在制备光动力抗肿瘤药物中的应用。

33、优选地，所述肿瘤包括乳腺癌。

34、本发明的上述技术方案相对于现有技术，至少具有如下技术效果或优点：

35、(1)本发明的非对称型方酸菁染料，通过在方酸母核上连接了不同的富电子集团，吲哚和噻吩-酚噻嗪基团，增强了分子内的电荷转移特性，增大了分子的刚性和空间位阻，有效抵御了单线态氧的进攻；表现出优越的稳定性，较大的斯托克位移，并能通过i型光动力反应，在不需要氧气的参与下，即可生成具有强大细胞毒性的羟基自由基，在肿瘤的缺氧环境中生成ros，从而发挥pdt治疗作用。这一发现为乏氧肿瘤的治疗提供了新的思路，预示着这类化合物在肿瘤光动力治疗领域具有巨大的发展潜力。

36、(2)本发明通过纳米沉淀法，先将非对称型方酸菁染料与dspe-peg2000-creka自组装，制备稳定且尺寸均匀并具有肿瘤靶向功能的脂质体纳米粒子cy nps；再与核磁成像剂mno2-bsa纳米粒子偶联，形成多功能肿瘤微环境响应型纳米材料cy@mno2 nps。这一体系不仅具备近红外荧光(nirfi)和磁共振成像(mri)双模态成像，实现在活体内监测纳米粒子的分布，为精确指导pdt治疗提供了有力手段，通过ⅰ型光敏剂cy nps协同mn2+化学动力学，共同产生的羟基自由基进行抗肿瘤治疗。这一创新策略实现了癌症诊疗一体化，为优化pdt的设计与应用提供了宝贵的策略，对推动临床肿瘤治疗的发展具有重要意义。