葉酸受體介導(dǎo)的“甲氨蝶呤-川芎嗪”主動靶向納米給藥系統(tǒng)的制備及初步體外抗腫瘤研究

李杰，陳雨晴，王雪瑩，蘇慧，徐世一，高萌萌，王靖怡，肖可新，閻雪瑩*

(1.黑龍江中醫(yī)藥大學，黑龍江 哈爾濱 150040；2.魯南制藥山東新時代藥業(yè)有限公司，山東 臨沂 273400；3.黑龍江中醫(yī)藥大學附屬第一醫(yī)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

宮頸癌是女性常見的惡性腫瘤之一，發(fā)病率及病死率呈上升及年輕化的趨勢，嚴重威脅女性的生命健康[1-3]。中醫(yī)學認為宮頸癌主要歸屬“癥瘕”“崩漏”“陰瘡”等病的范疇，研究表明，中醫(yī)藥治療宮頸癌具有獨特的優(yōu)勢[4]。然而，制約藥物治療最重要的兩個因素為單一用藥治療效果差及藥物靶向性不高，因此，尋找高效、低毒的抗腫瘤藥物成為治療宮頸癌的研究熱點。

川芎在中醫(yī)治療中歷史悠久，東漢《神農(nóng)本草經(jīng)》首次記載其藥效：“主中風入腦頭痛、寒痹，筋脈緩急，金瘡，婦人血閉無子”。川芎嗪為其主要活性成分，已廣泛應(yīng)用于臨床治療心腦血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病及腎臟疾病等[5-8]。近年來，越來越多的基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)川芎嗪可通過多種途徑對腫瘤起到治療及輔助治療的作用，包括抑制腫瘤細胞增殖、誘導(dǎo)凋亡、抑制腫瘤侵襲與轉(zhuǎn)移等[9]。因此，川芎嗪在抗腫瘤及協(xié)同抗腫瘤方面具有潛在的應(yīng)用價值。

甲氨蝶呤為葉酸拮抗劑，是美國FDA批準的抗代謝藥物，其作用機制為競爭性抑制二氫葉酸還原酶，從而抑制DNA及RNA的合成，屬于廣譜抗腫瘤藥物[10-11]。近年來，研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)實體瘤中葉酸受體過表達，而甲氨蝶呤與葉酸結(jié)構(gòu)具有高度相似性，有研究結(jié)果顯示將甲氨蝶呤設(shè)計為納米給藥系統(tǒng)的靶向配體既可增加納米給藥系統(tǒng)的靶向性，又可改善甲氨蝶呤的藥代動力學特性[12-13]。

因此，為構(gòu)建高效、低毒、高腫瘤靶向性的給藥系統(tǒng)，本研究選擇具有良好的生物相容性和生物降解性的殼聚糖作為藥物載體，通過酰胺反應(yīng)將具有雙重作用的甲氨蝶呤與殼聚糖偶聯(lián)，并包裹川芎嗪，構(gòu)建甲氨蝶呤-川芎嗪主動靶向納米給藥系統(tǒng)(MTX-CS-TMP-NPs)，通過葉酸受體的介導(dǎo)，增加藥物在腫瘤組織的濃度，提高療效，降低毒副作用，達到靶向給藥的目的。

1 材料

1.1 儀器

HJ-6A數(shù)顯恒溫磁力攪拌器(金壇市榮華儀器制造有限公司)；KQ5200DB數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；BT25S電子分析天平(德國Sartorius公司)；Axio倒置熒光顯微鏡(德國蔡司公司)；DNM-9602酶標儀(北京普朗新技術(shù)有限公司)；TDL-4低速臺式離心機(上海安亭科學儀器廠)；e2695高效液相色譜儀(美國waters公司)；Nano-ZS90納米粒度及Zeta電位分析儀(上海和泰儀器有限公司)；TGL-16C飛鴿牌高速臺式離心機(上海安亭科學儀器廠)等。

1.2 試劑與藥品

甲氨蝶呤標準品(100138-201505，中國食品藥品檢定研究所)；川芎嗪對照品(wkq16062703，四川省維克奇生物科技有限公司)；川芎嗪原料藥(160911R，南京道斯夫生物科技有限公司)；殼聚糖(脫乙酰度：90.24%，黏度：34 mPa·S，浙江澳興生物科技有限公司)；EDC·HCl(分析純)、NHS(分析純,上海源葉生物科技有限公司)；DMEM培養(yǎng)基(Gibco公司)；胎牛血清(上海依科賽生物有限公司，南美進口)；青霉素-鏈霉素雙抗溶液(美國Sigma公司)；四甲基偶氮唑藍(MTT,Summus 公司)；異硫氰酸熒光素(FITC,美國Sigma公司)；三聚磷酸鈉(分析純,天津市凱通化學試劑有限公司)；甲醇(色譜純,美國迪馬公司)。

1.3 細胞

人宮頸癌細胞株Hela購于上海攬寶儀器設(shè)備公司。

2 方法與結(jié)果

2.1 MTX-CS的合成

參照文獻[14]進行。

2.1.1 甲氨蝶呤活性酯的制備

稱取適量MTX，加入5 mL DMSO溶解，再加入適量縮合劑EDC·HCl和NHS(MTX、EDC·HCl與NHS的摩爾比為1∶1∶2)，30 ℃避光攪拌1 h，得到甲氨蝶呤活性酯的DMSO溶液。

2.1.2 MTX-CS的制備

稱取適量的CS溶解于醋酸-醋酸鈉緩沖溶液(pH=5)中，超聲溶解，在磁力攪拌下，將殼聚糖溶液緩慢加入到甲氨蝶呤活性酯溶液中，30 ℃避光反應(yīng)24 h，然后用1 mol·L-1的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH=9，有沉淀析出。將混合液裝入透析袋中，先在pH=7.4的PBS中透析3 d(每8 h換液1次)，然后于去離子水中透析3 d(每8 h換液1次)。將透析袋內(nèi)的混合液凍干，即得MTX-CS?；瘜W反應(yīng)過程見圖1。

圖1 MTX與CS的偶聯(lián)反應(yīng)

2.2 MTX-CS的結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 傅立葉紅外變換光譜(FTIR)

稱取MTX、CS及MTX-CS的凍干粉末適量壓片。圖2中箭頭所指的峰為3 440 cm-1：O-H和N-H伸縮振動重疊的多重吸收峰;1 650 cm-1：酰胺Ⅰ峰(C=O伸縮振動峰);1 550 cm-1：酰胺Ⅱ峰(N-H面內(nèi)彎曲振動峰)，在MTX-CS中新出現(xiàn)的兩個峰：1 607 cm-1：甲氨蝶呤苯環(huán)的伸縮振動峰；740 cm-1：甲氨蝶呤苯環(huán)的面外彎曲振動峰。由圖2a可知，MTX-CS在1 650 cm-1處 C=O伸縮振動峰明顯增強，3 440 cm-1處O-H和N-H伸縮振動重疊的多重吸收峰明顯減弱，且出現(xiàn)苯環(huán)的特征吸收峰，表明MTX-CS成功合成。

注：a.MTX-CS；b.CS。圖2 紅外掃描圖譜

2.2.2 核磁共振氫譜(1H-NMR)

稱取MTX、CS及MTX-CS的凍干粉末適量，溶于DCl及D2O中，上機檢測。圖3為1H-NMR譜圖，圖3b中，δ=6.94 ppm(2H，d，J=2.0 Hz)，δ=7.55 ppm(2H，d，J=2.129 Hz)為MTX中苯甲酰基的特征化學位移，δ=4.70 ppm(2H，s)為 2,4-二氨基-6-蝶啶基旁邊亞甲基中氫原子的特征化學位移，δ=8.47 ppm(1H，s)為2,4-二氨基-6-蝶啶基中氫原子的特征化學位移，δ=3.17 ppm(3H，s)為甲基中氫原子的化學位移。圖3c中，δ=3.20～5.40 ppm為殼聚糖中氫原子的化學位移，δ=7.68、7.38、3.27 ppm均為MTX的氫原子的特征化學位移，與圖3b相比，這些氫原子的化學位移均向低場移動，δ值增大，這是由于大量的CS與MTX偶聯(lián)后，使MTX與CS形成分子間氫鍵，使MTX分子氫核電子云密度降低，產(chǎn)生去屏蔽作用，化學位移向低場移動，δ值增大。1H-NMR譜結(jié)果也證明CS與MTX成功偶聯(lián)。

注：a.CS；b.MTX；c.MTX-CS。圖3 核磁共振氫譜圖

2.3 離子凝膠法制備納米粒

離子凝膠法是制備殼聚糖納米粒的一種簡單、快速的方法，該方法條件溫和、無需使用有機溶劑，能得到穩(wěn)定性好、粒徑均一的納米粒，因此，本實驗選用離子凝膠法制備殼聚糖納米粒[15]。

精密稱取一定量的MTX-CS，溶于3 mL pH=6.5的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中；另精密稱取適量TPP、TMP，加入2 mL超純水，超聲溶解；將上述TPP溶液2 mL逐滴加入MTX-CS溶液中，保持轉(zhuǎn)速為500 r/min，25 ℃攪拌30 min，即得葉酸受體介導(dǎo)的MTX-CS-TMP-NPs。

2.4 TMP分析方法的建立

根據(jù)《中國藥典》2015版中磷酸川芎嗪含量測定方法，建立HPLC測定TMP的分析方法。

2.4.1 色譜條件

色譜柱：Dikma Diamonsil (C18，4.6 mm×250 mm，5 μm)；流動相：甲醇∶水(55∶45，v/v)；檢測波長：295 nm；柱溫：25 ℃；流速：1 mL·min-1；進樣量：20 μL。

2.4.2 專屬性考察

按“2.4.1”項下的色譜條件，分別進樣TMP對照品溶液、MTX-CS-TMP-NPs溶液及未載TMP納米粒溶液，檢測方法的專屬性。結(jié)果如圖4所示，納米粒的載體材料對TMP的色譜峰無影響。

2.4.3 標準曲線的建立

精密稱取TMP對照品配制成濃度為5、10、25、50、100、200 μg·mL-1的TMP標準溶液。按“2.4.1”項下的色譜條件進行測定，以峰面積(As)為縱坐標對濃度(C)橫坐標進行回歸分析，得標準曲線方程為：As=51956C-9695.5(R2=0.999 8)，結(jié)果表明，TMP在5～200 μg·mL-1范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。

2.4.4 精密度考察

精密配制50 μg·mL-1的TMP標準溶液，按照“2.4.1”項下的色譜條件，日內(nèi)分別連續(xù)進樣6次，記錄峰面積，計算日內(nèi)精密度。RSD值為1.65%，符合含量測定要求。

2.4.5 方法回收率考察

精密配制5、50、150 μg·mL-1的TMP標準溶液，按照“2.4.1”項下的色譜條件，進樣分析，記錄峰面積，采用“2.4.3”的標準曲線方程，計算實測濃度和方法回收率，RSD值<2%，符合含量測定要求。

2.5 MTX-CS-TMP-NPs包封率及載藥量的測定方法

采用超濾離心法測定納米粒中TMP的包封率，精密吸取MTX-CS-TMP-NPs溶液500 μL置于超濾離心管中，4 ℃，轉(zhuǎn)速8 000 r/min，離心15 min收集超濾離心管下層液體，按照“2.4.1”項下的色譜條件，進樣分析，計算MTX-CS-TMP-NPs中游離的TMP的含量為W游，投入的TMP的量為W總，同法重復(fù)3次。結(jié)果顯示，此法測得的TMP包封率準確度較高，重現(xiàn)性好。結(jié)果見表1。包封率及載藥量的計算公式為，EE(%)=(W總—W游)/W總×100%，DL(%)=(W總—W游)/W載×100%。

表1 MTX-CS-TMP-NPs中TMP包封率測定結(jié)果(n=3，%)

2.6 星點設(shè)計-效應(yīng)面優(yōu)化納米粒制備工藝

2.6.1 星點設(shè)計因素、水平及指標

根據(jù)實驗前期考察結(jié)果，固定實驗轉(zhuǎn)速750 r/min，溫度50 ℃，MTX與CS的摩爾比為15∶1，將0.5 mg TMP先加入1.5 mg·mL-1的TPP溶液中，然后按照“2.3”項下方法制備納米粒。以MTX-CS濃度、TPP濃度及TMP用量為考察因素，根據(jù)CCD原理，設(shè)計3因素5水平20個試驗點的效應(yīng)面分析模型。星點設(shè)計因素水平表見表2。以納米粒的平均粒徑(nm)、包封率(%)作為評價指標，對取值越小越好的指標(如：粒徑)和取值越大越好的指標(如：包封率)采用Hassan[63]方法分別進行數(shù)學轉(zhuǎn)換求歸一值dmin和dmax，dmin=(Ymax-Yi)/(Ymax-Ymin)，dmax=(Yi-Ymin)/(Ymax-Ymin)，式中Yi表示各指標每一次實驗測定數(shù)據(jù)，Ymax、Ymin系指各指標的實驗最值。OD=(d1,d2,…,dn)1/n，n為指標數(shù)，星點設(shè)計及結(jié)果見表3。

表2 星點設(shè)計因素水平

表3 星點設(shè)計表及結(jié)果

2.6.2 數(shù)據(jù)處理及模型擬合

采用Design-Expert 8.0.7統(tǒng)計學軟件進行回歸方程擬合。結(jié)果表明，OD值與自變量以二項式方程擬合時，R2最大，因此選擇二項式擬合模型進行預(yù)測。二項式方程及回歸模型的方差分析如下。

OD=0.95+0.022A-0.020B-0.13C+0.22AB-0.017AC+0.11BC-0.19A2-0.13B2-0.23C2(R2=0.910 0，P<0.0001)。所建立的模型有意義(P<0.05)，失擬項P=0.259 3(P>0.05)，表明模型擬合程度好。各因素對OD值影響大小為：C>A>B。采用Design-Expert 8.0.7統(tǒng)計學軟件繪制因變量OD與3個自變量的三維效應(yīng)面和二維等高線圖，見圖5。根據(jù)總評歸一值OD的二維等高線和三維效應(yīng)面圖，利用Design-Expert 8.0.7統(tǒng)計學軟件可以得到優(yōu)化的最優(yōu)處方為：MTX-CS濃度為3.84 mg·mL-1，TPP的濃度為1.36 mg·mL-1，TMP的用量為1.87 mg，此條件下制備的納米粒粒徑的預(yù)測值為154.11 nm，包封率的預(yù)測值為71.47%。

圖5 OD值與不同因素的二維等高線和三維效應(yīng)面

2.6.3 模型驗證試驗

根據(jù)確定的最優(yōu)處方工藝條件，平行制備3份MTX-CS-TMP-NPs，測其平均粒徑及包封率，結(jié)果顯示平均粒徑和包封率的實測值與預(yù)測值的偏差均<5%，表明該模型預(yù)測性良好，符合設(shè)計要求。

2.7 納米粒的表征

2.7.1 形態(tài)觀察

從圖中可以看出，納米粒呈球形，分布均一，粒徑與激光粒度儀檢測結(jié)果基本一致，見圖6、圖7。

圖6 MTX-CS-TMP-NPs掃描電子顯微鏡照片

圖7 MTX-CS-TMP-NPs透射電子顯微鏡照片

2.7.2 粒徑分布及電位

采用Zetasizer Nano- ZS90納米粒度及 Zeta電位分析儀測定粒徑和電位分布，結(jié)果見圖8、圖9。TX-CS-TMP-NPs平均粒徑為156.6 nm，PDI為0.144，分布較均勻，zeta電位為+19.9 mV。

2.8 MTX-CS-TMP-NPs的細胞毒性研究

2.8.1 細胞毒性實驗

采用DMEM完全培養(yǎng)基分別配制川芎嗪濃度為5、25、50、100、200、400 μg·mL-1的川芎嗪溶液組(free TMP)、川芎嗪納米粒溶液組(CS-TMP-NPs)、甲氨蝶呤川芎嗪納米粒溶液組(MTX-CS-TMP-NPs)、葉酸溶液與甲氨蝶呤-川芎嗪納米粒溶液組(free FA+ MTX-CS-TMP-NPs)以及濃度為4.5、22.5、45、90、180、360 μg·mL-1的甲氨蝶呤溶液組(free MTX)，其中游離葉酸溶液的濃度為100 μg·mL-1。取對數(shù)生長期的Hela細胞，調(diào)整細胞密度為2.5×104/mL，接種于96孔板中，每孔加入200 μL單細胞懸液，于37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h后吸棄舊培養(yǎng)液，分別吸取200 μL上述溶液加入96孔板中，每組各濃度設(shè)6個復(fù)孔，每組均設(shè)對照組與空白組。

將上述細胞繼續(xù)培養(yǎng)24 h后，采用MTT法進行測定并按公式計算細胞的增殖抑制率。細胞增殖抑制率(%)=(對照組OD492 nm-實驗組OD492 nm)/(對照組OD492 nm-空白組OD492 nm)×100%。

圖8 MTX-CS-TMP-NPs粒徑分布圖

圖9 MTX-CS-TMP-NPs電位圖

表4 不同實驗組對Hela細胞的抑制率

2.9 熒光倒置顯微鏡定性觀察Hela細胞對納米粒的攝取情況

2.9.1 MTX-CS-FITC-NPs的制備

精密稱取11.52 mg MTX-CS溶于3 mL pH=5.5的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中，另精密稱取2.72 mg TPP，1.00 mg FITC加入2 mL超純水中，超聲溶解；將上述濃度為1.36 mg·mL-1的TPP溶液2 mL逐滴加入濃度為3.84 mg·mL-1的3 mL MTX-CS溶液中，轉(zhuǎn)速為750 r/min，50 ℃攪拌30 min，即得FITC濃度為200 μg·mL-1的MTX-CS-FITC-NPs。CS- FITC-NPs的制備方法同上。

2.9.2 Hela細胞對納米粒的攝取實驗

采用pH=7.4的PBS溶液配制濃度為200 μg·mL-1的FITC溶液及濃度為100 μg·mL-1的葉酸溶液，采用完全培養(yǎng)基將MTX-CS-FITC-NPs、CS-FITC-NPs及free FITC溶液稀釋至25 μg·mL-1(按FITC濃度計算)。取對數(shù)生長期的Hela細胞，調(diào)整細胞密度為1×105/mL，接種于12孔板中，每孔加入1 mL單細胞懸液，37 ℃，5% CO2培養(yǎng)箱中貼壁培養(yǎng)24 h，棄去舊培養(yǎng)液，將濃度為25 μg·mL-1的free FITC、MTX-CS-FITC-NPs、CS-FITC-NPs及free FA+ MTX-CS-FITC-NPs組分別接種于上述12孔板中，每組設(shè)3個復(fù)孔，培養(yǎng)24 h后，棄去培養(yǎng)液，用PBS洗滌3次，于熒光倒置顯微鏡下觀察細胞對納米粒的攝取情況，實驗結(jié)果見圖10。

注：A.MTX-CS-FITC-NPs; B.CS-FITC-NPs; C.free FA+MTX-CS-FITC-NPs; D.free FITC。圖10 Hela細胞對殼聚糖納米粒的攝取結(jié)果圖

如圖10A顯示，MTX-CS-FITC-NPs與Hela細胞孵育24 h后熒光強度最高，其攝取機制主要為Hela細胞表面的葉酸受體與MTX-CS-FITC-NPs表面的MTX特異性結(jié)合，通過細胞內(nèi)吞作用主動攝取納米粒。而free FA+MTX-CS-FITC-NPs與Hela細胞孵育24 h后熒光強度最弱，這是由于大量游離的FA與Hela細胞表面的葉酸受體特異性結(jié)合后，使細胞表面的葉酸受體達到了過飽和的狀態(tài)，MTX-CS-FITC-NPs表面的MTX不能與Hela細胞的特異性位點結(jié)合，從而失去了主動靶向的作用。圖10 D結(jié)果顯示，Hela細胞幾乎不攝取游離的FITC，表明未包封的FITC不影響實驗結(jié)果。以上實驗結(jié)果表明，殼聚糖納米粒經(jīng)MTX修飾后，有效地提高了對Hela細胞的靶向性，Hela細胞對其攝取增加，這一結(jié)果與細胞毒性結(jié)果一致。

3 討論

本研究通過酰胺反應(yīng)將具有雙重作用的甲氨蝶呤與殼聚糖偶聯(lián)，并包裹川芎嗪，制備葉酸受體介導(dǎo)的殼聚糖主動靶向納米給藥系統(tǒng)，通過星點設(shè)計-效應(yīng)面處方優(yōu)化確定最佳工藝即MTX-CS(偶聯(lián)率為14.58%)濃度為3.84 mg·mL-1，TPP的濃度為1.36 mg·mL-1，TMP的用量為1.87 mg，溫度為50 ℃，轉(zhuǎn)速為750 r/min，納米粒掃描電鏡圖粒與透射電鏡圖顯示納米粒呈球形，分布均一，平均粒徑為156.6 nm，PDI為0.144，分布較均勻，zeta電位為+19.9 mV，同時體外細胞毒性實驗與攝取實驗均證明MTX-CS-TMP-NPs通過EPR效應(yīng)及靶向分子作用，將藥物靶向釋放于葉酸受體過表達的宮頸癌組織，有效提高了對Hela細胞的靶向性，降低化療藥物的毒副作用，增加藥物的生物利用度，并發(fā)揮協(xié)同抗腫瘤的作用。

川芎在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用已有幾千年的歷史，療效確切。川芎嗪作為川芎的主要有效成分，顯示了廣泛的藥理作用，且多數(shù)藥理活性的作用機制已經(jīng)明確[16]，具有巨大開發(fā)潛力。本研究期望為川芎嗪的進一步開發(fā)和應(yīng)用提供理論和實驗依據(jù)，為中藥有效成分與現(xiàn)代化制劑技術(shù)研究開發(fā)提供參考。