氨基化羟基磷灰石纳米颗粒的体内组织分布研究
2022-08-29
来源:步旅网
氨基化羟基磷灰石纳米颗粒的体内组织分布研究 谢广平,陆玮新(湖州师范学院医学院,浙江湖州313ooo) 摘要:目的检测羟基磷灰石纳米颗粒(HANPs)在体内的分布情况,为其体内生物安全性评价提供参考。方法在氨基化表 面改性的基础上,对羟基磷灰石纳米颗粒进行 I标记,将 I标记的羟基磷灰石纳米颗粒注射到动物体内,通过放射免疫^y 计数仪检测给药后30 d内体内主要组织的放射性计数,以每克组织含百分比注射剂量(%ID・g )评价羟基磷灰石纳米颗粒 在各组织中分布情况。结果肺、肝脏和脾脏是羟基磷灰石纳米颗粒体内主要分布组织。在给药后1 d,组织蓄积量均超过 本实验结果表明,肺、肝脏和脾脏是羟基磷灰石纳米颗粒体内生物安全性评价应重点关 . 文章编号:1001—2494(2015)08—0695—05 5%ID・g~;在给药后30 d内,羟基磷灰石纳米颗粒在肺组织中的蓄积量发生明显下降,而在肝脏和脾脏中则下降缓慢,蓄积 量仍维持在2%ID・g 以上。结论注的效应组织。 关键词:羟基磷灰石纳米颗粒; I标记;组织分布;生物安全性 doi:10.11669/c ̄.2015.08.009 中图分类号:R944 文献标志码:A /n Vivo Tissue Distribution of Hydroxyapatite Nanoparticles Modiied with Aminopropylftriethoxysilane XIE Guang—ping,LU Wei-xin(School ofMedicine,Huzhou University,Huzhou 313000,China) ABSTRACT:OBJECTIVE To investigate the in vivo tissue distribution of hydroxyapatite nanoparticles(HANPs)and provide impor- rant information for the in vivo biosafety evaluation of HANPs.METHODS The HANPs were modiifed with aminopropyhriethoxysilane (APTS)to introduce amino groups on the surface.The modiifed HANPs were labeled with I and injected into mice.A 7-counter was used to quantitatively assess the radioactivity of the tissues.The accumulation of HANPs in the tissues was expressed as the percentage in— jected dose per gram tissue(%ID・g ).RESULTS The HANPs mainly accumulated in the lung,liver,and spleen.One day post- injection,the accumulation in these tissues WaS over 5%ID・g~.During 30 d after the injection,the accumulation of HANPs in the lung decreased quickly.while the accumulation in the liver and spleen reduced moderately and maintained at more than 2%ID・g~. CONCLUSION This study indicates that lung,liver and spleen are the main tissues for the in vivo biosafety evaluation of HANPs. KEY WORDS:hydroxyapatite nanoparticle; I lebelling;tissue distribution;biosafety 纳米颗粒(nanoparticles,NPs)是一种尺寸介于 0—100 nm之间的常用颗粒样物质,这种尺寸大小 与一些蛋白分子、甚至DNA或RNA处于相同等级, 具有极高的表面位能。这些特殊的尺度效应和表面 HANPs体内生物应用和安全性评价提供参考依据。 1材料和方法 1.1 主要试剂和耗材 效应使得NPs能顺利进入细胞,并可能对DNA、 RNA、蛋白质等大分子物质的结构和功能产生直接 影响 1-2]。因此,评价NPs对生物体的潜在危害性 已成为纳米材料生物安全性评价的重点问题。羟基 磷灰石纳米颗粒(hydroxyapatite nanoparticles, HANPs(华东理工大学生物材料研究所,粒径 20 nm左右)。无水乙醇、甲苯、氢氧化钠、乙二酸、 偏重亚硫酸钠、甘氨酸、Ⅳ,Ⅳ二甲基甲酰胺(DMF) 等试剂均为分析纯(国药集团化学试剂有限公司)。 氨基丙基三乙氧基硅烷(aminopropyltriethoxysilane, HANPs)具有良好的生物相容性,常作为支架材料而 APTS),对羟基苯丙酸琥珀酰亚胺脂[3一(4-hydroxy— pheny1)propionic acid N-hydroxysuccinimide ester, 应用于组织工程等领域 引,最近也有研究报道,由 于HANPs能够吸附各种药物分子,在药物载体方面 具有广阔的应用潜能 。本实验将以HANPs作为 研究对象,通过建立HANPs的 I标记技术和放射 性定量检测,研究HANPs在体内的分布特性,为 BH试剂]和氯胺T(Ch.T)氧化剂(Sigma化学公 司)。碘化钠(Na I)(PerkinElmer@公司),快速薄 层层析硅胶纸(ITLC/SG)(德国Gelman公司),KM 系小鼠(上海西普尔.必凯实验动物公司)。放射免 基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(Y4110665);浙江省公益技术应用研究项目(2012C33115) 作者简介:谢广平,男,副教授 研究方向:纳米材料的生物安全性研究Tel:(0572)2321582 E-mail:xgp96@sina.con 中国药学杂志2015年4月第5O卷第8期 Chin P^om,.2015 april,Vo1.50 No.8 疫 计数仪(上海原子核研究所Et环仪器厂),放射 性活度仪(北京261厂)。 1.2 HANPs的表征 将HANPs分散于无水乙醇中,40 kHz频率下超 声震荡30 rain,得到HANPs乙醇溶液,采用TEM、 PCS和Zeta sizer对纳米颗粒进行形态观察、粒径分 析和表面Zeta电位检测。 1.3 HANPs的氨基化表面改性 参照现有文献[8]的方法,对HANPs进行氨基 化表面改性。将HANPs置于无水乙醇溶液中,40 kHz频率下超声震荡30 rain,用无水乙醇反复清洗 后备用。按照1:5(偶联剂一乙醇=1:5,V/V)的比 例配置硅烷偶联剂稀释溶液。在90 mL无水乙醇中 加人10 mL上述硅烷偶联剂稀释溶液,调整反应体 系pH值为8.5,室温下继续搅拌水解1 h。将200 mg HANPs加入到水解偶联剂溶液中,6O℃的水浴 中搅拌反应6 h,过滤,用乙醇洗涤,真空干燥得到改 性的氨基化纳米颗粒。采用TEM、PCS和Zeta sizer 对氨基化HANPs进行表征。 1.4 HANPs的 I标记 取5 g BH试剂苯溶液于小反应管内,氮气吹 干后,依次加入2 DMF和1.5 Na I溶液(60 MBq),然后加入5 L(20 g)ch—T溶液,室温下 反应1 rain后马上加入5 (60 g)的偏重亚硫酸 钠和50 ILL(200 txg)的碘化钾溶液(0.05 mo]・L pH 7.4的磷酸缓冲液新鲜配制),混匀终止反应。 在上述反应液中加入5 I.LL DMF,250 重蒸馏苯, 再小心吸出苯溶液于小反应管中,并氮气吹干,即 得挖 I—BH标记物。取装有 I-BH试剂的小反应管 置于冰浴中,加入1 mg・mL 的氨基化HANPs乙 醇溶液,冰浴中搅拌反应30 rain,再加入150 IxL 0.2 tool・L 的甘氨酸溶液,室温下继续搅拌反应 15 rain,以除去过量的 I—BH试剂。上述反应液用离 心法进行纯化,ij ̄,b从上述小反应管中取出反应液到 5 mL的离心管中,加入2 mL体积分数50%乙醇水溶 液,超声振荡20 rain后,4 oC,3 000 r・rain 离心10 arin,吸去上清液,沉淀物即为HANPs的 I标记产物 ( I.HANPs)。用4 mL体积分数50%乙醇水溶液分 二次离心洗涤沉淀物,再用2 mL乙醇洗涤沉淀物后, 加入1 mL乙醇,超声振荡20 rain,一20℃放存备用。 1.5 HANPs标记产物的鉴定和体外稳定性检测 采用ITLC/SC法进行鉴定,以ITLC/SG为载 体,用2.5%BSA(W/W)的0.O1 tool・L~pH 7.4 的PBS缓冲液展开,取2 IxL HANPs标记产物溶液, Chin只h。m J.2015 apr/1.VoL 50No.8 点样后室温展开20 rain,然后将每条层析纸剪成1 em等距离的小纸条,放人放射性测量试管中进行每 分钟放射性计数(epm)测定。以 I—BH标记物、 I 为对照,原点位置为 I—HANPs。根据原点位置放射 性计数占整条迁移带的比例来判断 I-HANPs的纯 度。将 I.HANPs重悬于0.O1 tool・L~pH值为 7.4的PBS溶液中,室温保存,每天提取2 IxL,采用 ITLC/SG法对溶液进行展开,通过^y计数仪检测原 点位置cpm值,根据原点位置上的cpm与整个纸层 析条带cpm的比值来计算未解离的标记产物的百 分率,从而评价 I.HANPs的体外稳定性。 1.6动物体内分布实验 雄性KM系小鼠30只,体质量(20±1)g。通 过尾静脉向动物注射 I.HANPs生理盐水溶液,质 量浓度为1 mg・mL一,剂量为10 mg・kg~,每只动 物注射量为200 L。静脉注射给药后,分别于1,3, 5,7和30 d随机从各组动物中抽取6只并通过断颈 方式处死,收集动物血液,提取心、肺、肝脏、脾脏、肾 脏、胃、小肠、骨(左侧股骨)、大脑等组织,将血液和 组织放入放射免疫测量塑料管中进行称重,然后通 过 计数议进行epm检测。根据组织epm数值、组 织的重量和注射给药(injected dose,ID)总放射性计 数等参数,按照下列公式计算单位组织含百分比注 射剂量(%ID・g ),%ID・g~=[(组织cprn/组 织质量)/给药总cpm]X 100%。 1.7数据处理 实验各检测点放射性物质计数按照 I衰变方 程进行校正,C=C ・e ・ 粥巧 ,其中C为实际放 射性计数,C。为检测到的放射性计数, 为 I的半 衰期(59.6 d),t为检测点天数,e为常数 2.718 281 828。应用SPSS14.0软件对实验数据进 行统计分析,采用t检验对组间数据进行比较,P< 0.05认为差别具有统计学意义。 2结果 2.1纳米颗粒表征结果 分别对HANPs氨基化前后的理化性能进行 HANPs的TEM形态观察和PCS粒径检测,结果见 图1,从图1中可以看出,氨基化未对HANPs的形态 结构和粒径产生明显的影响,所检测的HANPs为粒 径在20 nm左右的颗粒样结构。采用Zeta,sizer对 HANPs进行表面Zeta电位检测,结果表明氨基化前 后的HANPs表面都呈现负电位,改性Zeta电位为 一13.8 mV,改性后为一10.4 mV。 中国药学杂志2015年4月第50卷第8期 口H 、口0 【I置鲁8《 2 0 8 6 4 2 0 0 。5 10 15 r/d 2O 25 30 图3 HANPs体内主要组织蓄积量及其时间变化情况.n=6, ±s A一注射1 d后体内各组织蓄积量;B一注射30 d内组织蓄积量的变化 Fig.3 The accumulation of HANPs in tissues during 30 d.n=6.元±s A—the accumulation of NANPs on 1 d post injection:B—the changes of accumulation during 30 d post injection 本实验的结果表明,在静脉注射给药后,HANPs 在肝脏、脾脏和肺等组织中表现出明显的蓄积(图 较缓慢,30 d时组织蓄积量仍处于比较高的水平。 这些结果说明,HANPs在肝脏和脾脏中存在明显的 滞留效应,这种滞留效应的发生可能和组织细胞作 3A),说明这3种组织是HANPs体内主要分布组 织,这与现有的研究结果及笔者前期相关研究结果 相似 ,“ 。HANPs在肝脏和脾脏中蓄积可能与这 用有关。纳米颗粒的粒径大小在其细胞吞噬过程中 具有非常重要的作用 IS-19]。现有的体外研究发现, 小尺寸的纳米颗粒更容易被巨噬细胞所吞噬 J,原 因可能是由于小尺寸纳米颗粒的高表面活性和在竞 些组织的血流灌注速率和毛细血管内皮屏障的特点 有关。一方面,肝脏和脾脏的组织血流灌注率比较 高,HANPs经静脉注射后可以很快灌注于这些组织 中,并且由于这些组织含有丰富的血液,所以随着血 液灌注的HANPs也较多。另一方面,这些网状内皮 系统组织中的毛细血管内皮细胞间连接较为疏松, 争识别细胞膜表面受体方面的优势。小尺寸纳米颗 粒的高表面活性可以提高其蛋白结合率从而促进其 被细胞表面受体识别、结合和吞噬。基于热动力学 理论和细胞膜表面受体扩散动力的竞争机制,小尺 寸的纳米颗粒更有机会与细胞膜表面受体结合,从 而更容易被内吞进入细胞 。表面电位也是影 存在一些大小约为100 nm的“缺口”样结构,这就 使得灌注于这些组织的HANPs可以进一步向组织 间隙中扩散l1 。由于这种扩散作用,组织中的 HANPs并不会随着血液浓度的下降而减少,反而会 逐渐增加,出现蓄积效应。另外,肝脏和脾脏含有丰 富的巨噬细胞,分布于组织中的纳米颗粒,被血清蛋 白包裹后,容易被巨噬细胞表面受体识别并启动细 胞内吞过程而被吞噬_l 。这些因素共同作用,促 使HANPs在肝脏和脾脏中表现出比较高的蓄积量。 本实验还发现,HANPs在大脑中分布的量都处于非 响纳米颗粒细胞吞噬的重要因素,对于负电位的纳 米颗粒,则更容易被巨噬细胞所吸附并吞噬 。本 实验中的HANPs粒径在20 nm左右,表面电位为 一10.4 mV,这种小粒径和负电位有利于被肝脏和 脾脏中的巨噬细胞所吞噬而滞留于这些组织中。 HANPs在体内主要组织间的分布情况可以提 示HANPs体内主要效应组织,这些组织则是 HANPs体内生物安全性评价应重点关注的组织。 常低的水平(图3B),说明氨基化的HANPs不能通 过血脑屏障进入脑组织。 本实验结果发现肝脏、脾脏和肺组织是HANPs体内 主要蓄积组织,而大脑等组织中的HANPs的蓄积量 通过对体内组织进行30 d定量检测,发现 HANPs各组织中的蓄积量在各检测期点的变化具 却非常低。提示,肝脏、脾脏和肺组织是HANPs体 内生物安全性评价应重点关注的对象,而脑组织体 内生物安全性则相对较为可靠。在HANPs作为药 物载体应用时,应考虑到HANPs在主要组织间分布 有时间效应,即随着时间延长而表现为逐渐下降的 趋势。在肝脏和脾脏中,虽然在各检测期间内 HANPs的蓄积量发生逐渐下降,但下降的幅度相对 Chin P 0m J.2015 april.Vo1.50 No.8 情况的差异性对承载药物发挥药效的影响作用。本 中国药学杂志2015年4月第50卷第8期 实验获得的HANPs在体内主要组织中蓄积的准确 定量数据,为评价HANPs在体内可能引起组织损伤 的风险提供了参考依据。 REFERENCES tissue distirbution of piperine lipid nanospheres[J].Pharmazie, [12] YANG Z,LE0N J,MART1N M。et a1.Pharmacokinetics and biodistribution of near—infrared fluorescence polymeric nanoparti— 2oo8,63(5):352.355. cles[J].Nanotechnology,2009,2O(16):165101. 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