蚕丝蛋白调控无机纳米粒子自组装体及其抗肿瘤性能研究

蚕丝蛋白调控无机纳米粒子自组装体及其抗肿瘤性能研究无机纳米粒子由于其特殊的物理性质与化学性质在癌症治疗领域得到了广泛的研究。自组装是一种简单的调控方式,通过模板改变纳米粒子的形状或排列优化其应用性能。家蚕丝蛋白具有良好的生物安全性与自组装特性,本研究以家蚕丝蛋白(丝素和丝胶)为生物模板调控无机纳米粒子的自组装。本论文以二氧化硅纳米粒子(SiO2)与金纳米粒子(AuNPs)为研究对象,探索丝蛋白调控二氧化硅与金纳米粒子自组装形成纳米球或纳米纤维的最佳条件,并对其调控机理进行探讨。在此基础上,检验二氧化硅/丝蛋白复合纳米材料药物载体的功效,金/丝蛋白复合纳米材料的光热效应,通过细胞培养与动物体内实验,证明丝蛋白/纳米粒子自组体能有效抑制肿瘤生长。本论文研究工作主要包括以下4部分:(1)蚕丝蛋白调控二氧化硅纳米粒子自组装构建复合纳米粒子首先采用蚕丝纤维(脱胶丝素纤维和电纺丝素纳米纤维)为模板进行二氧化硅纳米粒子自组装调控的尝试。结果表明,蚕丝纤维能够诱导硅纳米粒子生成二氧化硅微管。丝素纤维制备的微管孔径大、不稳定,而丝素纳米纤维为模板制备的二氧化硅微管孔径约500nm,表面光滑,结构稳定。在此基础上,采用丝素蛋白(SF)与丝胶蛋白(SS)为软模板,调控二氧化硅纳米粒子的成核与自组装。结果表明浓度范围在0.1mg/mL至10mg/mL的丝素蛋白能够调控二氧化硅自组装成纳米球,而浓度范围在0.01mg/mL至1mg/mL的丝胶蛋白能够调控二氧化硅自组装成纳米纤维。而且,改变氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和硅酸四乙酯(TEOS)的浓度,皆可调控二氧化硅纳米球与二氧化硅纳米纤维自组体的尺寸与形貌。形成二氧化硅纳米自组体的同时,其二级结构与表面电位均发生了变化,表明丝蛋白是通过氢键和静电引力的作用实现了对二氧化硅纳米粒子自组装。(2)二氧化硅/丝蛋白复合纳米粒子用于抗肿瘤药物载体将二氧化硅/丝素纳米球(Si/SF)与二氧化硅/丝胶纳米纤维(Si/SS)作为药物载体,对抗肿瘤药物盐酸阿霉素(DOX)和紫杉醇(PTX)进行装载,并研究药物在载体中的释放行为。结果表明,二氧化硅/丝蛋白复合纳米粒子具有很高的药物装载能力,对DOX的装载率达到30%,对PTX的装载率也接近10%;体外释放结果表明,DOX能在二氧化硅/丝蛋白复合纳米粒子中持续释放并具有pH响应性。Si/SF纳米球与Si/SS纳米纤维分别与HeLa细胞进行共培养12h和24h,通过胞内定位与细胞毒性发现,Si/SF纳米球能进入HeLa细胞,而Si/SS纳米纤维则粘附在细胞表面,对HeLa细胞半致死抑制浓度(IC50)>1mg/mL,说明纳米球与纳米纤维形状载体具有生物安全性。将DOX装载到二氧化硅/丝蛋白复合纳米粒子与HeLa细胞共培养1,2,3和5d,对细胞活力进行比较分析。结果显示,DOX经过Si/SF纳米球和Si/SS纳米纤维的装载,能够快速到达肿瘤细胞,更早发挥作用,抑制肿瘤细胞的生长。因此,与单纯DOX相比,装载DOX的二氧化硅/丝蛋白复合纳米粒子能够更有效的杀死肿瘤细胞。(3)蚕丝蛋白调控金纳米粒子自组装成纳米纤维。采用溶胶法制备并用聚乙烯亚胺(PEI)修饰合成表面带正电荷的金纳米粒子。将丝素蛋白与金纳米粒子反应,调控金纳米粒子的自组装。结果表明,丝素蛋白浓度范围在25μg/mL至200μg/mL的情况下,可调控金纳米粒子成纤维状排列,并且改变丝素浓度、调控时间及PEI的分子量与浓度,可调控金纳米粒子形成不同的自组装形貌。电势分析与结构测试表明丝蛋白利用静电引力对金纳米粒子进行调控,其二级结构在调控过程中从α-螺旋转变为β折叠。(4)金粒子/丝蛋白纳米纤维光热抑制肿瘤生长对丝蛋白调控生成的金粒子复合纳米纤维(AuNPs/SF)进行光谱分析。结果表明,与单分散金纳米粒子相比,金纳米粒子自组装体的吸收峰红移,在近红外区域具有更高的光吸收。光热成像测试表明AuNPs/SF纳米纤维在808nm激光照射下具有更高的光热转换效率。随后采用乳腺癌细胞MCF-7与Bcap-37及荷瘤裸鼠为模型分别研究了AuNPs/SF纳米纤维在体外与体内光热抑制肿瘤的能力。体外实验表明,经过808nm激光照射6min,100μg/mL浓度的AuNPs/SF纳米纤维能够完全杀死MCF-7和Bcap-37细胞,而相同浓度的AuNPs对细胞的致死率只有50%。体内实验表明,对肿瘤原位注射AuNPs/SF纳米纤维并进行光照处理能够有效控制肿瘤生长,光照2周后裸鼠肿瘤接近消失。而PBS组与AuNPs处理组的肿瘤未见明显抑制现象,仍然继续生长。因此,相较于单分散金纳米粒子,金粒子/丝蛋白纳米纤维能更有效的杀死肿瘤细胞并抑制肿瘤组织的生长。本研究以蚕丝蛋白为模板成功调控了二氧化硅纳米粒子和金纳米粒子的自组装,一方面提高了二氧化硅纳米粒子作为药物载体的载药效率及对肿瘤细胞的致死能力,另一方面改善了金纳米粒子的光学性质,增强金纳米粒子在近