关于叶酸功能化沸石咪唑骨架-8纳米载体的研究：用于多柔比星的靶向与可控释放

《Surfaces and Interfaces》：Insight into folate-functionalized zeolitic imidazolate framework-8 nanocarrier for targeted and controlled delivery of doxorubicin

靶向递送纳米载体研究：通过超声化学法成功制备叶酸修饰的ZIF-8纳米颗粒（FPNZ），实现多柔比星高效负载（73.5mg/g），揭示其pH响应释放机制（Higuchi模型），体外实验显示显著增强的抗癌活性。

　　

阮明勇（Luan Minh Nguyen）| 胡娇翠（Giao Thuy Quynh Vu）| 黎玉翠（Ngoc Thuy Trang Le）| 阮谭发（Tan Phat Nguyen）| 阮添东（Tien-Dung Nguyen-Dinh）| 郑娇灵（Dieu Linh Tran）| 冯隆斌（Long Binh Vong）| 阮大海（Dai Hai Nguyen）

越南科学技术研究院先进技术研究所，越南胡志明市第12区Thanh Loc Ward TL29街1B号，邮编700000

摘要

开发用于高效和可控抗癌药物输送的靶向纳米载体仍然是癌症治疗中的一个重要挑战。在本研究中，通过一种简便的声化学方法成功合成了一种新型叶酸功能化的沸石咪唑框架-8纳米载体FA-PEG-NH₂/ZIF-8（FPNZ）。随后，抗癌药物多柔比星（DOX）通过吸附过程装载到FPNZ上，形成了DFPNZ纳米药物输送系统。值得注意的是，1克FPNZ能够吸附约73.5毫克的DOX，这主要归因于π–π堆叠、静电相互作用和氢键的协同作用。DFPNZ的DOX释放行为也得到了系统研究，在生理条件（pH 7.4）下表现出持续释放，在酸性环境（pH 6.8和5.5）下则加速释放。动力学建模进一步证实，释放机制遵循Higuchi模型，表明释放受扩散控制。体外细胞毒性实验表明，与游离DOX相比，DFPNZ对MCF-7和C26细胞的抗癌活性更强。此外，在MCF-7细胞中的细胞摄取研究表明其内化效率较高，支持DFPNZ在靶向癌症治疗中的潜力。

引言

在当代癌症治疗中，多柔比星（DOX）作为蒽环类药物家族的一员，仍然是化疗的基石。这归因于其对多种癌症类型（如乳腺癌、宫颈癌、卵巢癌和肺癌）的强大细胞毒性作用，通过破坏RNA和DNA复制来实现治疗效果，同时还具有降低手术感染风险和无需放射治疗等先进设备的优势[1,2]。然而，DOX在患者体内的生物利用度较低，需要高剂量、重复给药和长期使用以维持治疗效果。这导致了全身毒性、心脏毒性和药物耐药性的广泛报告[[3], [4], [5]]。此外，由于其吸收有限，DOX及其代谢物在废水中被检测到，尤其是在肿瘤医院排放物中，对水生微生物构成二次毒性的风险，并威胁生态系统平衡[6,7]。

为了解决这些挑战，开发和提高DOX的治疗效果至关重要。其中最有前景的方法之一是将DOX整合到纳米载体中，这样可以保护药物、提高其生物利用度并实现可控释放。在研究的各种纳米载体中，沸石咪唑框架-8（ZIF-8）纳米颗粒因其优异的结构特性而受到广泛关注[[8], [9], [10]]。ZIF-8属于多孔配位聚合物类，由锌离子与2-甲基咪唑配体配位形成[11,12]。ZIF-8的高度多孔结构和较大的表面积有助于高效装载DOX[13,14]。此外，ZIF-8中的金属-有机配位键在酸性环境中不稳定，允许在肿瘤微环境中实现pH响应性降解和选择性药物释放[15,16]。另外，ZIF-8表面暴露的金属位点在功能化中起着关键作用，为优化药物输送系统（DDS）的性能提供了机会[17,18]。

然而，基于ZIF-8的DDS主要依赖于增强的渗透性和保留效应来渗透和积累在肿瘤中，这可能限制了其在血管结构复杂和肿瘤微环境复杂的癌症中的治疗效果。为了解决这一限制，引入能够增强与癌细胞识别和相互作用的特定配体是一种可行的策略[19,20]。例如，叶酸（FA）是一种靶向配体，能够选择性地结合到癌细胞表面过度表达的叶酸受体上，从而促进受体介导的内吞作用并增加药物进入肿瘤的量[21,22]。此外，聚乙二醇胺（PEG-NH₂）可以提高DDS的稳定性，延长循环时间，并减少过早清除[23,24]。因此，用FA和PEG-NH₂对ZIF-8进行功能化不仅提高了DDS的稳定性和分散性，还增强了其肿瘤靶向能力，为癌症治疗提供了一种有前景的方法。

基于这些基础，我们开发了一种新型叶酸功能化的纳米载体FA-PEG-NH₂/ZIF-8（FPNZ），具有很强的靶向和可控DOX输送潜力。FPNZ具有以下优势：（i）通过声化学方法简便快速合成；（ii）颗粒大小可调，低于200纳米；（iii）药物装载和pH响应性释放行为特征明确；（iv）通过叶酸受体介导的内吞作用实现高效细胞内化。

材料

六水合硝酸锌（Zn²⁺）、2-甲基咪唑（2-MIM）、多柔比星（DOX）、聚乙二醇12000（PEG）、磷酸盐缓冲盐水（PBS）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）、1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺（EDC）、叶酸（FA）、4-硝基苯氯甲酸酯（NPC）、乙二胺（EDA）和RPMI-1640培养基均购自Sigma-Aldrich。甲醇（MeOH）、乙醇（EtOH）和二甲基亚砜（DMSO）来自Thermo Fisher Scientific，胎牛血清（FBS）

FPNZ纳米载体的制备

FA-PEG-NH₂/ZIF-8（FPNZ）纳米载体的逐步制备过程如图1a所示。首先，我们通过Zn²⁺离子与有机配体2-甲基咪唑（2-MIM）之间的配位合成了pH敏感的ZIF-8（Z）框架。该过程在室温下快速高效地进行，仅需要大约15分钟。随后，直接生长了对叶酸具有高亲和力的叶酸靶向配体FA-PEG-NH₂（FPN）

结论

总之，FPNZ纳米载体通过简便的声化学方法成功合成。通过FT-IR、XRD、DLS、TGA、SEM、TEM、EDX和ζ电位等综合表征确认，FPNZ保留了Z框架和FPN靶向配体的有利结构特征。此外，FPNZ显示出73.47%的药物包封效率（EE）和7.35%的释放系数（LC），药物包封主要受π–π堆叠、氢键和静电相互作用驱动。

CRediT作者贡献声明

阮明勇（Luan Minh Nguyen）：概念构思、方法论、研究、数据分析、初稿撰写、审稿与编辑、项目管理。胡娇翠（Giao Thuy Quynh Vu）：研究、方法论、数据管理、数据分析、可视化。黎玉翠（Ngoc Thuy Trang Le）：方法论、数据管理。阮谭发（Tan Phat Nguyen）：数据管理、研究。阮添东（Tien-Dung Nguyen-Dinh）：方法论、研究。郑娇灵（Dieu Linh Tran）：方法论、研究。冯隆斌（Long Binh Vong）：方法论、验证

CRediT作者贡献声明

阮明勇（Luan Minh Nguyen）：审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法论、研究、数据分析、概念构思。胡娇翠（Giao Thuy Quynh Vu）：可视化、方法论、研究、数据分析、数据管理。黎玉翠（Ngoc Thuy Trang Le）：方法论、数据管理。阮谭发（Tan Phat Nguyen）：数据管理。阮添东（Tien-Dung Nguyen-Dinh）：方法论、研究。郑娇灵（Dieu Linh Tran）：方法论、研究。冯隆斌（Long Binh Vong）：验证、方法论

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了越南科学技术研究院（VAST）在项目编号NCXS01.01/24-26下的支持。