一种用于放疗的增敏剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及纳米材料化学和生物化学技术领域，尤其涉及一种用于放疗的增敏剂及其制备方法和应用。

背景技术：

恶性肿瘤在全世界范围内的发病率呈逐年上升的趋势，病死率一直居高不下，严重威胁人类生存健康。放射治疗作为一种非侵入性的肿瘤治疗方法，被广泛用于不同类型肿瘤的治疗。在肿瘤放疗中，肿瘤细胞吸收一定的辐射能量后，射线可以直接与胞内生物大分子相互作用产生自由基，引起dna分子断裂、交联；射线亦可以引起组织中水分子电离，产生自由基，这些自由基再和生物大分子发生作用造成细胞损伤和死亡，从而达到抑制肿瘤生长的效果。

放疗在杀伤肿瘤细胞的同时也会不可避免地对正常细胞造成损伤，造成严重的辐射副作用。因此，临床放疗剂量的选择通常需要在肿瘤治疗效果和放射性损伤之间权衡。乏氧是大部分实体瘤所具有的一个共同特征，乏氧会引起肿瘤细胞放疗抵抗，使肿瘤细胞中放疗不敏感的g1/s期细胞比例增加，同时也会加速dna辐射损伤修复，降低放疗细胞杀伤效果。此外，对肿瘤组织的定位诊断不够精确，导致肿瘤放疗中不能有效区分肿瘤组织和周围正常组织，也会降低放疗效率，增加辐射副作用。

无机纳米材料由于独特的物理化学性质，对高能射线具有非常好的吸收性能，同时与这些高能射线发生相互作用，产生大量二次电子，这些产生的二次电子又会催化肿瘤微环境中水分子、双氧水、氧气等产生大量自由基，从而提高肿瘤细胞敏感性。

但是由于肿瘤微环境是普遍乏氧，目前的这些无机纳米材料放疗增敏剂由于不能改善肿瘤微环境中的乏氧状态，影响对乏氧肿瘤放疗增敏效果，并且放疗不敏感，因而放射剂用量大，对正常组织损伤大。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于放疗的增敏剂及其制备方法和应用，用以解决现有放疗增敏剂无法改善肿瘤微环境中的乏氧状态，放疗不敏感，放射剂用量大，对正常组织损伤大的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种用于放疗的增敏剂，该增敏剂的分子式为bio2-x，分子结构中具有氧缺陷，上述增敏剂的制备原料包括碱金属的氢氧化物和铋酸盐。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步地，碱金属的氢氧化物和铋酸盐的质量比为(0.5～1.5):1。

进一步地，碱金属的氢氧化物为氢氧化钠或氢氧化钾，铋酸盐为铋酸钠或铋酸钾。

进一步地，x为0.15～0.6。

另一方面，本发明还提供了一种增敏剂的制备方法，用于制备上述的用于放疗的增敏剂，包括如下步骤：

步骤1：将碱金属的氢氧化物和铋酸盐溶解，搅拌，得到溶液；

步骤2：将溶液转移至反应容器中，加热，反应一段时间。

进一步地，步骤2之后还包括步骤3：冷却至室温、洗涤、干燥，得到bio2-x。

进一步地，步骤3之后还包括步骤4：将bio2-x溶于表面活性剂中。

进一步地，步骤4具体包括如下步骤：

步骤41：将bio2-x溶于水和乙醇，之后加入表面活性剂，得到混合溶液；

步骤42：将混合溶液超声破碎，静置；

步骤43：取上层分散均匀的溶液，洗涤，冻干备用。

进一步地，所述表面活性剂为吐温-20。

另外，本发明还提供了上述增敏剂在肿瘤放疗中的应用，以及上述制备方法在制备肿瘤放疗增敏剂中的应用。

本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明的增敏剂分子结构中具有大量氧缺陷(如图4和图5所示)，该含有大量氧缺陷的氧化铋可以高效催化过氧化氢产生氧气(如图7所示)，有着类似过氧化氢酶的效果，催化产生的氧气可以改善肿瘤乏氧，提高肿瘤放疗敏感性(如图10-12所示)，从而减少放疗剂的用量，进而减轻对正常组织的损伤，实现在较低放射剂量下对肿瘤非常好的抑制效果。

(2)通过选择具有特定原子序数的金属铋，实现对x射线具有非常好的吸收性能，可以与x射线发生相互作用，催化肿瘤微环境中水分子或者氧气分子等生成对肿瘤具有杀伤性能的自由基(ros)，如图6和图9所示，进一步提高肿瘤细胞放疗敏感性。

(3)本发明的制备方法通过在bio2-x表面修饰表面活性剂，提高放疗增敏剂本身的生物相容性，降低细胞毒性。

(4)本发明所采用的制备方法简便易行、条件温和、可控性好、不需要另外加入有机稳定剂/分散剂、易于实施和推广。

(5)本发明合成的bio2-x增敏剂可实现肿瘤靶向放疗增敏诊疗一体化，在纳米医药、疾病诊断和肿瘤治疗等领域中的应用前景广阔。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例四制备得到的bio2-x透射电镜图片；

图2为本发明实施例四制备得到的bio2-x原子力显微镜图片；

图3为本发明实施例四制备得到的bio2-xx射线衍射图谱；

图4为bi2o3和本发明实施例四制备得到的bio2-x中o1s的x射线光电子能谱；

图5为bi2o3和本发明实施例四制备得到的bio2-x的拉曼光谱；

图6为不同处理组ros荧光强度图；

图7为不同浓度bio2-x催化双氧水产生氧气浓度曲线；

图8为相同浓度bio2-x(100μg/ml)催化不同浓度双氧水氧气生成浓度曲线；

图9为不同处理组细胞ros免疫荧光成像；

图10为不同处理组细胞γ-h2ax免疫荧光染色成像；

图11为不同处理组细胞克隆形成照片；

图12为不同处理组小鼠肿瘤生长曲线。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

本发明的一个具体实施例，公开了一种用于放疗的增敏剂，该增敏剂的分子式为bio2-x，分子结构中具有氧缺陷，增敏剂的制备原料包括碱金属的氢氧化物和铋酸盐。

与现有技术相比，一方面，本实施例提供的增敏剂分子结构中具有氧缺陷，该含有氧缺陷的氧化铋可以高效催化过氧化氢产生氧气，有着类似过氧化氢酶的效果，催化产生的氧气可以改善肿瘤乏氧，提高肿瘤放疗敏感性，从而减少放疗剂的用量，进而减轻对正常组织的损伤，实现在较低放射剂量下对肿瘤非常好的抑制效果。另一方面，通过选择具有特定原子序数的金属铋，实现对x射线具有非常好的吸收性能，可以与x射线发生相互作用，催化肿瘤微环境中水分子、氧气分子等生成对肿瘤具有杀伤性能的自由基(ros)，进一步提高肿瘤细胞放疗敏感性。

具体来说，碱金属的氢氧化物为氢氧化钠或氢氧化钾，铋酸盐为铋酸钠或铋酸钾。示例性地，碱金属的氢氧化物为naoh，铋酸盐为nabio3。

为了得到分子结构中具有氧缺陷的bio2-x，必须严格控制naoh和nabio3的比例。经过创新研究发现，naoh和nabio3的质量比小于0.5:1和大于1.5:1时，制备得到的bio2-x分子结构中或者均不能很好地形成氧缺陷，或者形成的氧缺陷数量非常少，因此，影响对肿瘤细胞放疗的敏感性。

而将naoh和nabio3的质量比控制为(0.5～1.5):1，得到的bio2-x分子结构中含有大量的氧缺陷，可以高效催化过氧化氢产生大量氧气，显著改善肿瘤乏氧，提高肿瘤放疗敏感性，从而减少放疗剂的用量，进而减轻对正常组织的损伤，实现在较低放射剂量下对肿瘤非常好的抑制效果。

需要说明的是，本实施例的bio2-x中的x为0.15-0.6。

实施例二

本发明的另一个实施例，公开了一种增敏剂的制备方法，用于制备实施例一的用于放疗的增敏剂，包括如下步骤：

步骤1：将0.8～1.2g碱金属的氢氧化物和1g铋酸盐分散在去离子水中，搅拌，得到溶液；

步骤2：将溶液转移至反应容器中，加热至160～200℃，反应4～10h；

步骤3：冷却至室温、用去离子水洗涤、60～100℃烘干2～8h，得到bio2-x。

需要说明的是，步骤2中，反应时间不能太长，因为时间过长，会生成很多副产物，如铋的其他氧化产物，影响对肿瘤放疗的敏感性；而反应时间过短，会导致反应不完全。将反应时间控制为4～10h，同时控制反应温度为160～200℃，能够保证反应得到的氧化铋含有大量的氧缺陷，如图4和图5所示，并且能够保证目标氧化铋纯度非常高，如图3所示，从而极大提高对肿瘤放疗的敏感性，进而减少放射剂的用量，减轻对正常组织的损伤。

考虑到制备得到的bio2-x如果直接用于生物体，可能会存在一定的细胞毒性，本实施例在制备得到bio2-x后还进行了降低细胞毒性的处理，即在bio2-x表面修饰表面活性剂。

具体来说，包括如下步骤：

步骤41：将400～600mgbio2-x溶于16～24ml水和16～24ml乙醇，之后加入16～24μl吐温-20(tween-20)，得到混合溶液；

步骤42：将混合溶液超声破碎，静置；

步骤43：去除底部沉淀的材料，取上层分散均匀的溶液，离心、洗涤，冻干备用。

采用上述方法制备得到的氧化铋纳米片呈均匀的片状，如图1所示。并且，纳米片非常薄，厚度仅为0.3～0.5nm，如图2所示。通过x射线衍射图谱可以看出，图谱中没有其他杂峰，说明使用上述方法制备得到的氧化铋纯度非常高，如图3所示。通过x射线光电子能谱和拉曼光谱的数据可以得知，氧化铋纳米片含有大量的氧缺陷，如图4和图5所示。

实施例三

(1)取0.5gnaoh和1gnabio3分散在15ml去离子水中，搅拌2个小时将其分散均匀；

(2)将搅拌均匀的溶液转移至50ml水热釜中，160℃反应10小时。冷却至室温后，用去离子水清洗5遍，60℃烘8小时；

(3)将400mgbio2-x溶于16ml水和16ml乙醇，之后加入16μl吐温-20(tween-20)，得到混合溶液；

(4)将混合溶液在超声池中超声(300w)30分钟；

(5)使用超声细胞破碎仪破碎12小时，破碎完成后取出，盖上封口膜静置一夜，去除底部沉淀的材料，取上层分散均匀的溶液；

(6)12000rpm离心5分钟，继续用去离子水清洗三遍，然后将其冻干备用。

对合成的氧化铋进行表征，透射电镜显示合成的氧化铋纳米片呈均匀的片状。原子力显微镜图片，通过数据证明合成的氧化铋纳米片非常薄，只有0.5nm。

实施例四

(1)取0.8gnaoh和1gnabio3分散在20ml去离子水中，搅拌2个小时将其分散均匀；

(2)将搅拌均匀的溶液转移至50ml水热釜中，180℃反应6小时。冷却至室温后，用去离子水清洗5遍，80℃烘4小时；

(3)将500mgbio2-x溶于20ml水和20ml乙醇，之后加入20μl吐温-20(tween-20)，得到混合溶液；

(4)将混合溶液在超声池中超声(300w)30分钟；

(5)使用超声细胞破碎仪破碎12小时，破碎完成后取出，盖上封口膜静置一夜，去除底部沉淀的材料，取上层分散均匀的溶液；

(6)12000rpm离心5分钟，继续用去离子水清洗三遍，然后将其冻干备用。

对合成的氧化铋进行表征，透射电镜显示合成的氧化铋纳米片呈均匀的片状，如图1所示。原子力显微镜图片，通过数据证明合成的氧化铋纳米片非常薄，只有0.3nm，如图2所示。

实施例五

(1)取1.2gnaoh和1gnabio3分散在25ml去离子水中，搅拌3个小时将其分散均匀；

(2)将搅拌均匀的溶液转移至50ml水热釜中，200℃反应4小时。冷却至室温后，用去离子水清洗5遍，100℃烘2小时；

(3)将600mgbio2-x溶于24ml水和24ml乙醇，之后加入24μl吐温-20(tween-20)，得到混合溶液；

(4)将混合溶液在超声池中超声(300w)30分钟；

(5)使用超声细胞破碎仪破碎12小时，破碎完成后取出，盖上封口膜静置一夜，去除底部沉淀的材料，取上层分散均匀的溶液；

(6)12000rpm离心5分钟，继续用去离子水清洗三遍，然后将其冻干备用。

对合成的氧化铋进行表征，透射电镜显示合成的氧化铋纳米片呈均匀的片状，原子力显微镜图片，通过数据证明合成的氧化铋纳米片非常薄，只有0.4nm。

为了进一步证明本发明的bio2-x纳米片对肿瘤细胞放疗的增敏性，本发明还进行了一系列实验，实验结果参见图6-12。

由图6可以看出，与其他组相比bio2-x+x-rayros产生效率最高。

由图7可以看出，本发明含有氧缺陷的氧化铋纳米片可以催化双氧水产生氧气，并且随着氧化铋浓度升高催化双氧水产生氧气的浓度也相应升高。

由图8可以看出，在相同浓度氧化铋条件下，随着双氧水浓度升高，氧气产生效率也相应提高。

由图9可以看出，bio2-x+x-ray组处理的细胞，产生的ros浓度最高。

由图10可以看出，bio2-x+x-ray组处理的细胞，dna损伤最显著，说明材料在细胞层次上具有非常显著的放疗增敏效果。

由图11可以看出，bio2-x+x-ray组处理的细胞，细胞存活率最低，进一步证明材料在细胞水平上具有非常好的放疗增敏效果。

由图12可以看出，bio2-x+x-ray肿瘤治疗组小鼠，与单独x-ray治疗组相比，对小鼠肿瘤抑制效果最明显，证明材料在活体上同样具有非常好的放疗增敏效果。

综上所述，一方面，本发明合成的超薄氧缺陷氧化铋可以高效催化肿瘤微环境中双氧水产生氧气，改善肿瘤乏氧，提高肿瘤放疗敏感性；另一方面，由于含有高原子序数元素铋，可以在x射线照射下提高肿瘤部位ros产生效率，进一步提高肿瘤放疗敏感性。

本发明通过引进放疗增敏剂，可以提高肿瘤放疗敏感性，实现在较低放射剂量下对肿瘤非常好的抑制效果，从而减轻对正常组织的损伤。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。