生物相容性 5-氨基乙酰丙酸/金纳米颗粒负载的 Ethosomal 囊泡用于肥厚性疤痕的体外透皮协同光动力/光热疗法
摘要
生物相容性 5-氨基乙酰丙酸/Au 纳米颗粒负载的乙醇酸囊泡 (A/A-ES) 是通过超声制备的,用于肥厚性瘢痕 (HS) 的协同透皮光动力/光热疗法 (PDT/PTT)。利用超声处理,Au 纳米粒子 (AuNPs) 被合成并同时加载到无毒剂的 ethosomal 囊泡 (ES) 中,并且 5-氨基乙酰丙酸 (ALA) 也以 20% 的截留效率 (EE) 加载到 ES 中。由于同一 A/A-ES 中相邻 AuNPs 之间的等离子体耦合效应,制备的 A/A-ES 在 600-650 nm 显示出强吸收,这可以同时刺激 A/A-ES 产生热量并提高量子产率活性氧 (ROS) 使用 632 nm 激光。体外透皮渗透性研究表明,A/A-ES 作为一种高效的药物载体,可增强 ALA 和 AuNPs 对 HS 组织的渗透。 以人肥厚性瘢痕成纤维细胞 (HSF) 为治疗靶点,HS 的协同 PDT/PTT 表明 A/A-ES 可以通过光热效应和 AuNPs 的局域表面等离子体共振 (LSPR) 提高 ROS 的量子产率,导致高水平细胞凋亡或坏死。总之,制备的 A/A-ES 对 HSF 的 PDT/PTT 协同效率优于单独的 PDT 和 PTT,为 HSF 的治疗提供了令人鼓舞的前景。
背景
肥厚性瘢痕 (HS) 是皮肤真皮损伤后常见且不可避免的问题,其纤维化真皮比正常皮肤厚得多 [1, 2]。组织病理学上,HS 表现为增生性瘢痕成纤维细胞 (HSF) 增多,呈波浪状排列,朝向上皮表面并形成结节结构 [3]。尽管临床上有多种治疗方法,但由于存在诸多限制,HS 治疗仍面临许多挑战。病灶内注射疗法广泛用于临床实践。然而,它受到不舒服的操作和副作用的限制,例如永久性色素减退和皮肤萎缩 [4]。压力疗法的副作用有限,例如组织缺血以及降低组织代谢 [5]。为了克服这些限制,激光治疗作为一种局部和非侵入性方式,通过利用激光照射的优势,已在 HS 治疗中开发和应用超过 25 年 [6]。一般来说,激光疗法根据原理的不同可分为光动力疗法(PDT)和光热疗法(PTT)。
PDT具有选择性高、副作用少等优点,已被用于治疗HS[7]。其原理演变为两个步骤:(a) 光敏剂优先聚集在 HSF 中;(b) 在适当的激光照射下,光敏剂产生细胞毒性活性氧 (ROS),导致 HSF 细胞凋亡 [8, 9]。在各种光敏剂中,5-氨基乙酰丙酸 (ALA) 被证明是皮肤病学局部治疗方式的极好候选者,没有明显的副作用。因此,基于 ALA 的 PDT(ALA-PDT)已于 2010 年获得美国食品和药物管理局的上市许可,广泛用于 HS 治疗 [10]。然而,它的效率因两个限制而存在争议:(a)ALA 对 HS 组织和 HSF 的渗透性差,以及(b)ROS 的低量子产率。为了产生显着的效果,临床上应用了大剂量ALA或高强度激光。不幸的是,高剂量的 ALA 会导致皮脂腺和表皮的损伤,而高强度的激光往往会导致健康组织受损。因此,在 PDT 治疗 HS 中,提高 ALA 的渗透性和 ROS 的量子产率受到了很多关注。最近,发现一种专门设计的脂质体 ethosomal vesicles (ES) 能够克服 HS 中的障碍,用于局部给药并取得显着进展 [11, 12]。在我们之前的工作中,与传统的水醇溶液系统相比,制备的负载 ALA 的 ES(ALA-ES)能够将更多的 ALA 输送到 HS 中 [13]。因此,ES 可以增强 ALA 的渗透性,从而提高 HS 的 PDT 疗效。同时,一种新的PDT与PTT相结合的协同治疗方式有望同时提高ROS的量子产率和HS的治疗效果。
PTT 也是治疗各种疾病的非凡治疗方法 [14, 15]。目前已成功应用于HS的临床治疗[16]。其机制演变为收集光能、产生热量,然后导致组织汽化、凝固、HSF 细胞凋亡和胶原变性。然而,PTT 对 HS 组织的高强度激光选择性较差,因此在 HS 治疗中具有严重的副作用,如渗出、溃疡和灼烧不适[4]。最近,桥接纳米技术 PTT 被认为是一种具有高选择性和微创光热效应的潜在 HS 治疗方法。更重要的是,基于 Au 纳米粒子 (AuNPs) 作为有效的光吸附剂,PTT 已被证实可提高 ROS 的量子产率,原因有两个:(a) 热 PDT 通过在一定温度下增强 ROS 的产生来显着增加细胞凋亡依赖的方式,以及 [17] (b) AuNPs 可以与 ALA 共轭并由于局部表面等离子体共振 (LSPR) [18, 19] 提高 ROS 的量子产率。因此,基于ALA/AuNP的协同光动力/光热疗法(PDT/PTT)有望克服目前PDT和PTT在HS治疗中的局限性。
最近,基于 AuNP 的协同 PDT/PTT 已通过注射方式广泛用于各种癌症治疗 [20, 21]。与癌症不同,HS 适合使用局部给药 [22]。然而,HS真皮中的胶原束对ALA和AuNPs的渗透存在很大障碍,这限制了HS的PDT/PTT协同治疗效率。因此,如何使 ALA 和 AuNPs 同时渗透到 HS 中对于协同 PDT/PTT 具有最大疗效和最小副作用至关重要 [23, 24]。此外,合适的基于 ALA/AuNP 的协同 PDT/PTT 还应满足以下条件:(a)AuNPs 可以通过 ALA-PDT 中使用的 He-Ne 激光产生热量,以及(b)传递系统应该是高生物相容。然而,报道的各种光敏剂/AuNPs由于渗透性和生物相容性差而不能通过局部透皮给药和HS处理来应用[25]。
在此,本研究开发了具有优异生物相容性和渗透性的 ALA/AuNP 负载 ES(A/A-ES)用于 HS 的协同 PDT/PTT。生物相容性 A/A-ES 由 AuNPs 和负载 ALA 的 ES 通过超声波处理制备, 没有任何毒剂。制备的 A/A-ES 在 600-650 nm 范围内显示出强吸光度,这是由于 A/A-ES 中共载的相邻 AuNP 之间的等离子体耦合。这使得可以使用 He-Ne 激光刺激 A/A-ES 同时产生热量和 ROS,从而促进 HSF 细胞凋亡。在体外研究中,A/A-ES 显示出优异的渗透性,可以同时将 ALA 和 AuNPs 输送到 HS 中。最后,以HSF为靶点,通过细胞内原卟啉IX(PpIX)的积累、ROS的量子产率和HSF的凋亡研究了HS的体外PDT/PTT效率。此外,还通过 TEM 观察到了对 HSF 的渗透性。由于协同效应,A/A-ES 促进 ALA 和 AuNPs 同时渗透到 HS 和 HSF,与单独的 PTT 或 PDT 相比,导致更高水平的细胞凋亡。总之,A/A-ES是一种很有前景的ALA和AuNP外用透皮给药系统,在HS协同PDT/PTT方面具有巨大潜力,为HS治疗打开了一扇新窗口。
结果和讨论
A/A-ES 的特征
超声波是制备 A/A-ES 的关键参数,原因有二:(a) AuNPs 可以在没有任何毒剂的情况下通过超声波形成,这赋予了 A/A-ES 生物相容性; (b) 超声处理可以重新排列脂质双层以形成更多小尺寸和相对较大内部核心的囊泡,这可以加载更多的 ALA 和 AuNP。在这项工作中,AuNPs 是按照以下方案形成的:(a)高反应性的 H• 和 OH• 自由基在气泡内通过 H2O 的均解(方程 1)产生,(b)氧化性自由基 H• 可以提取CH3CH2OH的αH并形成还原自由基CH2•CH2OH(方程式2),并且(c)在气泡内的热解过程中,自由基CH2•CH2OH可以还原Au 3+ 形成AuNPs(方程3)[26]。
$$ {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{H}\bullet +\mathrm{OH}\bullet $$ (1) $$ \mathrm{H}\bullet +{\mathrm {CH}}_3{\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH}\to {\mathrm{CH}}_2\bullet {\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH}+{\mathrm{H} }_2 $$ (2) $$ {\mathrm{Au}}^{3+}+{\mathrm{CH}}_2\bullet {\mathrm{CH}}_2\mathrm{O}\mathrm{H} +\mathrm{OH}\bullet \to \mathrm{AuNPs}+{\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2\mathrm{O}\mathrm{H}+{\mathrm{H}} _2\mathrm{O} $$ (3)首先,A/A-ES 是通过 UV-Vis 验证的(图 1a)。由于同一 A/A-ES 中相邻 AuNP 之间的等离子体耦合,它在 600-650 nm 范围内具有很强的吸光度 [20]。因此,它可以使用 632 nm 激光照射同时对 HS 进行 PDT 和 PTT。此外,根据图 1b 中的 DLS 分析,A/A-ES 表现出相对窄的尺寸分布,平均尺寸为 166 ± 83 nm。有趣的是,两种尺寸分布归因于卸载的 AuNP 和 A/A-ES。此外,两种分布之间的巨大差异表明 A/A-ES 的数量远多于未加载的 AuNPs。 PDT 效率取决于 A/A-ES 中加载的 ALA 量。受益于跨膜 pH 梯度主动加载方法,ALA 的 EE 为 20%,高于已报道的工作(小于 10%)[27]。还研究了 A/A-ES 的形态。在 SEM 图像上(图 1c),A/A-ES 表现为完整的球形层状囊泡,尺寸为 200 nm,并且可以清楚地观察到 AuNPs 并加载到 ES 中。除了AuNPs,薄片延伸到图1d 中的AuNP 表面,这是ES 的特征[28, 29]。此外,加载不同数量的 AuNP 的制备的 A/A-ES 在附加文件 1 中具有相似的大小:图 S1。因此,A/A-ES 在超声作用下被调整为稳定可变形的结构,这有利于 A/A-ES 挤过 HS 的狭窄空间。综上所述,A/A-ES 已成功制备,其中含有 20% 的 ALA EE,并且在 600-650 nm 处具有强吸光度。其形态也非常有利于穿透性,这与以下体外PDT/PTT研究一致。
结论
生物相容性 A/A-ES 通过渗透到 HS 和破坏 HSF 轻松制备用于 HS 的体外协同 PDT/PTT。利用超声波处理,在没有任何有毒物质的情况下同时合成和加载 AuNP。 A/A-ES 在 600-650 nm 具有强吸光度,因为 ES 中相邻 AuNP 之间的等离子体耦合效应与 ALA 的高 EE(约 20%)。体外透皮渗透性研究表明,A/A-ES 是一种高效的药物载体,可增强 ALA 和 AuNP 对 HS 组织的渗透。 HSF 的体外 PDT/PTT 表明 A/A-ES 可以通过光热效应和 AuNPs 的 LSPR 提高 ROS 的量子产率,导致高水平的细胞凋亡或坏死。总之,与单独的 PDT 和 PTT 相比,生物相容性 A/A-ES 对 HSF 具有更好的协同 PDT/PTT 效率,令人鼓舞的治疗 HS 前景。进一步的工作将集中在疤痕模型中HS协同PDT/PTT的体内研究,相关工作正在进行中。
实验与方法
A/A-ES的准备
180 毫克磷脂酰胆碱(PC,95.8% 大豆卵磷脂,Lipoid GmbH,德国)溶解在 1.8 mL CH3CH2OH、0.6 mL HAuCl4(10 mM,Aladdin,中国上海)和 3.6 mL ALA-柠檬酸缓冲溶液(CBS, 0.01 M,12 mg ALA,pH 4.0),依次滴加到 PC 溶液中。将混合物以 700 rpm 搅拌 10 分钟以制备前体溶液。如方案 1 所示,将前体溶液置于 200 W 的超声波环境中 30 分钟,直至呈现明亮的酒红色。然后,将反应溶液用离心机(8000 rpm,20 分钟)进行以去除残留的 HAuCl 4 和 PC。最后,根据我们之前的工作,将沉积物重新分散在 3 ml ALA 水醇溶液(ALA-HA,2 mg/ml ALA,30% 乙醇)中,并通过跨膜 pH 梯度主动加载方法进行孵育 [13]。在孵化过程中,大量外部未结合的 ALA 通过 ES 双层扩散到 ES 的内部酸性水核中,然后,它们被质子化并被困在 ES 中。孵育后,A/A-ES 已制备完毕。在这项工作中,ALA-ES 是根据我们之前的工作制备的,其 ALA 浓度与 A/A-ES 相同。负载AuNP的ES(Au-ES)制备成A/A-ES,不含ALA,AuNP浓度与A/A-ES相同。
A/A-ES制备示意图
图>A/A-ES 的特征
A/A-ES 用磷钨酸 (1.5 wt%) 负染色,然后通过透射电子显微镜(TEM,JEOL,日本,加速电压为 120 kV)观察。还通过扫描电子显微镜(SEM,JEOL,日本,10 kV 加速电压)检查了 A/A-ES。 A/A-ES 尺寸分布是通过在 NiComp 380ZLS 检测系统(Nicomp,美国)中进行动态光散射 (DLS) 分析来确定的。 ALA 是通过荧光胺衍生方法测定的,详细信息显示在附加文件 1 中。通过超滤方法测定的 ALA 的截留效率 (EE) 显示在附加文件 1 中。最后,UV-Vis 光谱在一个Varian Cary 50 紫外-可见分光光度计(美国珀金埃尔默)。
Franz 扩散池的体外渗透性研究
A/A-ES 的渗透性研究是通过使用 2.8 cm 2 的 Franz 扩散池进行的 有效渗透面积包括供体和受体隔室的受体细胞通过循环水浴保持在 37°C。在上海第九人民医院知情同意和上海第九人民医院批准的 1975 年赫尔辛基宣言的伦理指南的情况下收集 HS 组织。将不含脂肪组织的新鲜 HS 组织(切除后不到 24 小时)安装在受体隔室上,角质层向上至供体隔室。将一毫升 A/A-ES 加入供体室,然后用石蜡膜覆盖供体室以防止蒸发。不同时间渗透后,迅速清洗HS组织以去除HS表面残留的A/A-ES。为了在 HS 中积累 ALA 和 AuNPs 的保留量,将 HS 组织切成小块,并通过在 PBS 中透析 24 小时来提取 HS 组织中的 ALA。分析提取溶液中 HS 组织中 ALA 的保留量。还通过电感耦合等离子体质谱法 (ICP-MS) 分析了保留在透析袋中的 HS 组织的 AuNP 保留量。在被 ALA-ES 渗透 2 小时后,HS 组织被洗涤、固定、脱水、渗透和后固定。包埋在环氧树脂中后,将它们切成超切片(50 nm 厚,垂直于表皮),并在 120 kV 加速电压下使用 TEM 进行观察。
HSF 体外 PDT/PTT
细胞培养
HSF的分离培养采用以下常用方法:新鲜HS组织切片(1mm 3 ,切除后不到 6 小时)通过使用 I 型胶原酶(Invitrogen,美国)消化以获得单细胞悬浮液。 HSF 在含有 10% 胎牛血清(FBS,Gibco,美国)和 5% CO2 的 Dulbecco 改良 Eagle 培养基(DMEM,Invitrogen,美国)中生长。应每 3 天更换一次培养基,细胞在 80% 汇合时传代。传代二、三细胞用于后续实验。
生物相容性分析
在评价A/A-ES的生物相容性时,HSF以2 × 10 3 接种于96孔板中。 细胞/孔。培养基分别更换为不含 FBS 的培养基和新鲜制备的不同浓度的 ALA-ES、Au-ES 和 A/A-ES。 12 小时后,按照制造商的说明,使用细胞计数试剂盒-8(CCK-8,Dojindo,日本)测量细胞活力。
PDT/PTT程序
HSF以4 × 10 4 接种于12孔板 细胞/孔。 12 小时后,培养基分别含有新鲜制备的 ALA-ES、Au-ES 和 A/A-ES(14%,v /v ),用不含 FBS 的培养基替换 6 小时。处理后,HSF 用 PBS 洗涤并在培养基中孵育 1 小时。然后,它们被 He-Ne 激光(632 nm 波长,40 mW/cm 2 ,上海激光技术研究所,中国)20 分钟。然后,将培养基更换为含有 10% FBS 的新鲜 DMEM 再培养 24 小时,为后续实验做准备。此外,HSF经A/A-ES和辐照后进行前缀、脱水和包埋,制备用于TEM检查的超切片。
细胞内 PpIX 和 ROS 生成分析
通过使用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM,Leica TCS SP5,德国)检测 HSF 中细胞内 PpIX 的积累和 ROS 的产生。使用 DCFH-DA 进行 ROS 生成测定并遵循制造商的说明。将带有细胞的盖玻片安装在载玻片上,并在 405 nm 激发/635 nm 发射下观察 PpIX 和 488 nm 激发/560 nm 发射下 ROS。所有数据均采用LAS AF软件进行分析。
细胞凋亡和坏死检测
经Annexin V-FITC双染和碘化丙啶(PI)双染后,流式细胞仪分析HSF的凋亡和坏死情况。根据Annexin V-FITC/PI细胞凋亡检测试剂盒的方案制备样品,然后通过BD FACSCalibur(BD Biosciences,Mountain View,USA)进行分析。数据分析采用FlowJo 7.6软件。
统计分析
除非另有说明,数据均表示为平均值 ± SD。使用双尾学生测试 (P <0.05) 除非另有说明。
缩写
- A/A-ES:
-
5-氨基乙酰丙酸/Au纳米颗粒负载的乙醇型囊泡
- ALA:
-
5-氨基乙酰丙酸
- ALA-ES:
-
加载 ALA 的 ES
- ALA-PDT:
-
基于ALA的PDT
- Au-ES:
-
负载AuNP的ES
- AuNPs:
-
金纳米粒子
- CLSM:
-
共聚焦激光扫描显微镜
- DLS:
-
动态光散射
- DMEM:
-
Dulbecco 改良 Eagle 培养基
- EE:
-
包封率
- ES:
-
嗜酸性囊泡
- FBS:
-
胎牛血清
- HS:
-
增生性瘢痕
- HSF:
-
增生性瘢痕成纤维细胞
- ICP-MS:
-
电感耦合等离子体质谱法
- LSPR:
-
局域表面等离子体共振
- PDT:
-
光动力疗法
- PDT/PTT:
-
光动力/光热疗法
- PpIX:
-
原卟啉Ⅸ
- PTT:
-
光热疗法
- ROS:
-
活性氧
- SEM:
-
扫描电镜
- TEM:
-
透射电子显微镜
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