一种多功能性的一氧化氮给体分子、聚合物及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一氧化氮供体化合物技术领域，尤其涉及一种多功能性的一氧化氮给体分子、聚合物及其制备方法和应用。

背景技术：

一氧化氮(no)是一种重要的内源性的气体分子，具有很多的生理作用，包括在血小板聚集和黏附、血管舒张、伤口修复、免疫反应和癌变相关方面。研究证明，低浓度的一氧化氮可以逆转肿瘤或者细菌的多药耐药性，高浓度的一氧化氮则可以直接杀死癌细胞或者细菌。除此之外，低浓度的一氧化氮可有效抑制生物膜的生长，对于成熟的生物膜可以起到分散作用，有利于抗生素的进一步治疗作用；高浓度的一氧化氮在分散生物膜的同时可直接破坏细菌的dna，从而杀死细菌。因此，研究人员开始研究外源性一氧化氮的作用，研究显示外源性的一氧化氮可作为一种有潜力的治疗剂，可用于治疗心血管紊乱、癌症治疗、扩张血管以及临床用于治疗肺动脉高血压。

目前，外源性的一氧化氮供体化合物主要包括有机硝酸盐、有机亚硝酸盐、硫代亚硝基硫醇、二氮烯二醇衍生物(nonoates)以及金属-亚硝基络合物等。研究较多的是二氮烯二醇衍生物，但其合成过程要求比较严格，需要高压条件，同时二氮烯二醇衍生物一般具有短的半衰期，且在生理条件下不稳定，容易自发释放一氧化氮。硫代亚硝基硫醇也有类似的特点，除此之外，硫代亚硝基硫醇对光照、金属离子及还原剂等均有响应。为了提高一氧化氮的可控释放，研究者制备了几种过渡金属-亚硝基配合物，它们含有低能量的金属-亚硝基键作为可见光吸收色团，用于可见光可控释放一氧化氮。然而，由于过渡金属的存在，含金属的一氧化氮释放物往往表现出较强的细胞毒性。因此，安全、可控释放一氧化氮显得尤为重要。

其中，通过光触发释放一氧化氮可以达到可控释放的目的，光响应释放一氧化氮的化合物主要包括硝基苯的衍生物和n-亚硝胺的衍生物，n-亚硝胺衍生物通式可为r′-n(no)-r″，r′和r″一般为烷基链、苯环等结构。然而，硝基苯的衍生物的触发需要较大强度的光照，而高强度的辐照会对生物体造成较大的伤害。相比之下，n-亚硝胺的衍生物在低辐照强度下就可以触发n-n键断裂而释放一氧化氮。目前，光触发释放一氧化氮所需要的光照波长在紫外光的范围，穿透深度受到限制，且光照的强度需要进一步降低。研究发现的可见光触发释放一氧化氮的有机小分子，虽然提高了光照波长，但是这些有机小分子容易被代谢掉，很难富集到病灶部位。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种多功能性的一氧化氮给体分子、聚合物及其制备方法和应用，本申请提供的一氧化氮给体分子可聚合成聚合物，能够在可见光触发下可控释放一氧化氮，提高no的稳定性，避免其过早释放造成安全性问题。

本发明提供一种多功能性的一氧化氮给体分子，具有式i结构：

式i中，r1具有式ii或式iii结构，其中r2为氢或硝基，r3为亚甲基或亚乙基；式i中，r4为氢或甲基；

本发明提供的式i所示的一氧化氮给体分子也称一氧化氮供体分子；所述一氧化氮给体分子结构中，主要含有n-亚硝胺基团和相连的7-氨基-4-甲基香豆素主体结构，其是一种可以在可见光照条件下触发可控释放一氧化氮的分子。

并且，所述的n-亚硝胺结构中n的另一端连接r1。在本发明的一些实施例中，式i中的r1具有式ii结构。式ii中的曲折短线代表连接键合位置；式ii中，亚甲基(ch2)一端碳原子与n连接，苯环上任一不饱和碳原子与o连接。式ii中的r2为氢(h)或硝基(no2)，具体可为硝基；硝基的取代位置没有特殊限定，一般是烷基链的邻位。

在本发明的另一些实施例中，式i中的r1具有式iii结构。式iii中的曲折短线也是连接键合位置；式iii中，亚甲基(ch2)一端碳原子与n连接。式iii中苯环上连接有r2和r3，两者的连接位置不作特殊限制。其中r2为氢或硝基，r3为亚甲基或亚乙基(ch2ch2)。

具体地，r1可以选自以下式1～7所示基团中的任意一种，进一步优选为式7所示基团：

在本发明式i中，r4为氢或甲基(ch3)；r4连接的结构可以进行聚合。例如r4为甲基，所述一氧化氮给体分子的结构如下：

本发明所述的一氧化氮给体分子具有多功能性，其通过可见光触发可控释放一氧化氮，同时荧光增强。并且，该一氧化氮给体分子可以通过可控聚合反应，制备出能够在可见光触发下释放一氧化氮的聚合物，提高了no的稳定性，避免其过早释放造成安全性问题。

在本发明的实施例中，所述一氧化氮给体分子可按照以下步骤制备：首先对7-氨基-4-甲基香豆素的结构进行修饰，通过氨基与r1结构化合物中醛基反应，生成席夫碱；接着采用还原剂(例如硼氢化物)进行席夫碱还原反应，再通过亚硝化反应，得到可释放一氧化氮的基础化合物(可称一氧化氮释放基元)；将所述一氧化氮释放基元进一步反应，得到可进行聚合的单体分子，即为式i所示的一氧化氮给体分子。上述合成过程简单，操作容易。

相应地，本发明实施例提供一种多功能性的一氧化氮给体聚合物，其为前文所述的一氧化氮给体分子在r4连接的双键处通过可控聚合，所得到的两亲性嵌段聚合物。

本发明涉及的一氧化氮给体聚合物是一种含有光响应n-亚硝胺衍生物基元的两亲性嵌段聚合物，这种高分子材料可通过组装得到纳米粒子，可以在低剂量的可见光触发下可控释放一氧化氮，同时伴随着组装体的荧光增强，从而监测一氧化氮的释放情况。在本发明的实施例中，上述的在可见光触发下释放一氧化氮，即具有光响应性的两亲性嵌段聚合物具有式iv结构：

式iv中，r1具有式ii或式iii结构，r2为氢或硝基，r3为亚甲基或亚乙基；式iv中，r4为氢或甲基；m选自2～80之间的任意整数，n选自2～50之间的任意整数；

本发明实施例式iv所示的两亲性嵌段聚合物中，包括前文所述的一氧化氮给体分子结构；其作为no供体聚合物，可以做到时空可控释放一氧化氮，即在光照触发条件下释放no，不会在生理条件下自发释放no。式iv中，r1、r2、r3和r4等结构说明如前所述，在此不再一一赘述。具体地，所述的两亲性嵌段聚合物如式iv-1所示：

本发明具体实施例以前文所述的一氧化氮给体分子为单体，其双键部分通过可控聚合，例如可逆加成-断裂链转移聚合、原子转移自由基聚合、氮氧自由基聚合等方式，制备出能够在可见光触发下释放一氧化氮的两亲性嵌段聚合物。更具体地，在本发明实施例所述的可释放一氧化氮的单体的r4连接的双键处，亲水性链段和疏水性链段通过可逆加成-断裂链转移聚合(raft)方式，制备得到上述结构的两亲性嵌段聚合物。

本发明式iv中，所述的亲水性链段是聚乙二醇链段，其分子量可为80da～5000da；另一端为疏水性链段，主要是no供体部分。应该注意的是，所述亲水性链段不限于聚乙二醇结构，它的作用主要是稳定组装体，维持在水体系中的稳定性；本领域中常用的包裹疏水核心的亲水聚合物均可以用于本发明。所述两亲性嵌段聚合物的制备方法不限于可逆加成-断裂链转移聚合(raft)，还可以使用本领域技术人员知晓的其它适合的合成方法，例如原子转移自由基、氮氧自由基等其他可控聚合的方式。

在本发明的实施例中，m选自2～80之间的任意整数，n选自2～50之间的任意整数。本发明实施例中的亲水性链段长度可以任意选择，如聚乙二醇(peg)聚合度m＝2～80；疏水性嵌段聚合度n可以在2～50之间选择，可根据条件进行适当改变。本领域技术人员理解，对于本发明来说，聚合度m和n不是关键，只要对本发明没有不利影响即可；本发明实施例可选用m＝20～60，且n＝10～30。具体地，所述两亲性嵌段聚合物的分子量可为3000～30000da。

进一步地，所述两亲性嵌段聚合物(即一氧化氮给体聚合物或一氧化氮供体聚合物)可以形成纳米组装体，具体如直径为10nm～300nm的聚合物组装体。该聚合物组装体可在低剂量的可见光照射下释放一氧化氮，相比小分子，提高了no的稳定性，避免其过早释放造成安全性问题，不会在很短的时间内被代谢掉。

此外，该聚合物组装体在光照后，在释放no的同时，聚合物自身香豆素基元的荧光增强，可以间接反映no的释放情况，无需再加入其它探针证明no的释放；伴随着一氧化氮供体的荧光增强同步跟踪一氧化氮的释放，起到示踪作用，实时监测no的释放。

本发明还提供如前文所述的一氧化氮给体聚合物在制备负载型疏水药物中的应用；所述的一氧化氮给体聚合物可以为纳米组装体形式，能够负载抗生素等疏水性药物。所述负载药物的聚合物组装体在可见光光照触发后结构变化，可同时可控释放no和药物，从而实现协同治疗。例如，所述纳米组装体可以用于疏水药物的运输，与一氧化氮起到协同治疗的作用。

值得注意的是，对于本发明来说，负载的抗生素药物不仅限于环沙丙星，其它疏水性药物均可以负载于该聚合物纳米粒子中(比如：万古霉素、呋喃妥因及部分喹诺酮类等疏水性药物)，可以根据需要选择合适的药物进行负载。

本发明还提供如前文所述的一氧化氮给体聚合物在制备用于分散生物膜的药物中的应用；具体地，所述两亲性嵌段聚合物以聚合物组装体形式负载抗生素药物，在可见光触发下释放一氧化氮和抗生素药物，用于协同分散生物膜。

本发明实施例提供如前文所述的一氧化氮给体聚合物的制备方法，包括：

以前文所述的一氧化氮给体分子为单体，r4连接的双键部分通过可控聚合，得到两亲性嵌段聚合物；

将所述两亲性嵌段聚合物通过加水或纳米闪沉的方式，得到直径为10nm～300nm的聚合物组装体。

其中，可控聚合形成两亲性嵌段聚合物的内容如前所述，具体以一氧化氮给体分子和聚乙二醇基大分子链转移试剂(pegmacroraftagent)为原料，通过raft方式制备得到。所述的两亲性嵌段聚合物能够通过自组装的方式得到纳米组装体；具体可通过加水或纳米闪沉的方式，得到直径为10～300nm的组装体，通常是聚合物纳米粒子水分散液。

在一个优选实施方式中，所述聚合物纳米粒子水分散液按照如下步骤形成：将所述两亲性嵌段聚合物溶解在作为共溶剂的有机溶剂中，在一定温度和搅拌条件下加入净化水(例如超纯水)中，然后在一定温度下用透析的方式除去有机溶剂；具体是将所得的聚合物纳米粒子于一定温度放置在透析袋中，以透析除去所述有机溶剂，从而获得所述聚合物纳米粒子水分散液(其中包括几十到一百多纳米尺寸的纳米粒子)。本发明实施例采用共溶剂，以纳米闪沉的方式组装，可以多种有机溶剂(包括但不限于二甲基亚砜、n,n-二甲基甲酰胺、1,4-二氧六环、四氢呋喃等)作为共溶剂，均可以得到稳定的纳米级别聚合物组装体。

附图说明

图1示出了本发明实施例1中的单体couno的核磁氢谱；

图2示出了本发明实施例1中的单体couno的质谱图；

图3示出了本发明实施例1中的单体couno的高效液相色谱图；

图4示出了本发明实施例1中的两亲性嵌段聚合物bp1(peg45-b-pcouno14)的核磁氢谱；

图5示出了本发明实施例1中的两亲性嵌段聚合物bp1的凝胶渗透色谱(gpc)图；

图6示出了本发明实施例1中的聚合物纳米粒子的透射电子显微镜(tem)照片；

图7示出了本发明实施例1中的聚合物纳米粒子在光照触发下一氧化氮释放的定量曲线；

图8示出了本发明实施例1中的聚合物纳米粒子在光照触发下荧光的变化曲线；

图9示出了本发明实施例4中的聚合物纳米粒子在光照后释放疏水性抗生素(环丙沙星，ciprofloxacin)的释放曲线；

图10示出了本发明实施例4中负载药物的聚合物纳米粒子用于分散生物膜的实物图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了进一步理解本申请，下面结合实施例对本发明提供的多功能性的一氧化氮给体分子、聚合物及其制备方法和应用进行具体地描述。

实施例1

第一步，制备一氧化氮释放基元，通过醛基与氨基反应生成席夫碱，接着进行席夫碱还原，最后通过亚硝化反应得到一氧化氮释放基元。该合成过程简单，操作容易。为了更清楚的帮助理解，以下主要选择其中一个r1结构化合物举例说明，具体反应式如下所示：

制备方法：7-氨基-4-甲基香豆素1.75g(10mmol)和对醛基苯甲醇2.04g(15mmol)溶于100ml无水乙醇中，加热回流16h(避光)浓缩除去溶剂，得黄色固体；加入20ml乙醇室温搅拌30min，抽滤，乙醇洗涤，得产物黄色固体2.8g(9.56mmol)。将得到的黄色固体产物溶解于20ml四氢呋喃和10ml甲醇中，再加入0.363g(9.56mmol)硼氢化钠，室温还原反应4h，反应完全，向反应结束后的混合液中加入少量稀盐酸，浓缩除去部分溶剂。将还原后的产物溶解于10ml四氢呋喃和10ml冰醋酸中，再加入0.792g(11.47mmol)亚硝酸钠水溶液20ml，室温反应30min，有黄色固体出现，将该反应液加入大量水中，析出大量黄色固体产物，抽滤，干燥得黄色固体产物2.9g(9.2mmol)。

第二步：将上述得到的一氧化氮释放基元进一步制备可以进行聚合的单体分子。所述单体分子在可见光照条件下发生n-n键的裂解，从而释放一氧化氮，在释放一氧化氮的同时伴随着供体分子的荧光增强。反应在室温进行，操作简单，易于合成。具体的反应式如下所示：

制备方法：将0.5g(1.54mmol)一氧化氮释放基元(可聚合单体的前体)溶于25ml无水四氢呋喃中，加入0.287g(1.851mmol)甲基丙烯酸异氰酸乙酯和15μldbtl(二月桂酸二丁基锡)，室温反应10h，浓缩溶剂，柱层析纯化(例如采用二氯甲烷和甲醇等一种或多种组合的溶剂)，得淡黄色固体产物，即为一氧化氮释放单体0.66g(产率：89％)。其结构和纯度通过核磁氢谱、质谱和高效液相色谱验证，结果分别如图1-3所示，这些充分证明了所合成的一氧化氮释放单体结构。

第三步：将上述得到的一氧化氮释放单体聚合得到两亲性嵌段聚合物。具体反应式如下：

制备方法：将pegmacroraftagent以及上述光响应的一氧化氮释放单体(该一氧化氮给体分子可称为couno单体)，通过可逆加成-断裂链转移聚合(raft)法，得到在低剂量可见光辐照条件下释放一氧化氮的两亲性嵌段聚合物。亲水嵌段为聚乙二醇(peg)，其链段长度可以任意选择(如peg聚合度m＝2～80)；疏水嵌段聚合度n可以在n＝2～50之间选择，可根据条件进行适当改变。为了更清楚地帮助理解，以下选用m＝45和n＝14的聚合物为例说明：

将216mg(0.45mmol)couno单体，67.4mg(0.03mmol)peomacroraftagent(合成方法参考macromolecules,2008,41,12)和v70引发剂(2,2-偶氮双(4-甲氧-2,4-二甲基戊腈))1.4mg(0.0045mmol)加入含有磁子的封管中，再加入0.8ml二甲基亚砜(dmso)溶解。充分脱气，最后脱气一次后封管，置于37℃的油浴中。聚合反应15小时后，终止反应，所得聚合物溶液中加入少量四氢呋喃，沉淀于无水乙醚中，重复沉淀三次，真空烘箱干燥，得到微黄色聚合物bp192mg(产率：32.2％)。得到的两亲性嵌段聚合物bp1的结构通过其核磁氢谱与gpc进行表征，结果显示于图4-5。核磁图谱和gpc数据都充分证明了所合成的聚合物结构，记为peo45-b-pcouno14。

第四步：通过上述得到的两亲性嵌段聚合物制备组装得到纳米粒子。采用共溶剂，纳米闪沉的方式组装，所用共溶剂可进行选择，不仅限于1,4-二氧六环、二甲基亚砜以及n,n-二甲基甲酰胺等；最终得到的纳米粒子粒径为20nm-300nm。具体如下：

将1mg两亲性嵌段聚合物bp1溶解于1ml四氢呋喃中，室温高速搅拌条件下闪沉于纯净水中，将闪沉结束后的组装体放置于透析袋中(mwco7000da)，室温透析于水中，透析12小时后除尽有机溶剂。得到纳米组装体，tem结果证实为直径大小约20nm的纳米粒子，图6示出了所得纳米粒子的tem表征结果。

实施例2：光照触发释放一氧化氮

通过griess试剂定量一氧化氮的释放：使用410nmled(7.5mw/cm²)灯光照上述得到的纳米粒子组装体，取不同光照时间的组装体与等体积的griess试剂混合，避光37度培养10min后，测试混合后液体的紫外吸收光谱，并通过526nm处的吸光度定量一氧化氮释放量。

测试结果表明：随着光照时间的延长，聚合物纳米粒子释放一氧化氮的量逐渐增加，最终趋于平衡，说明该聚合物纳米粒子具有光响应性，并且会释放一氧化氮，图7示出了所得纳米粒子光照条件下释放一氧化氮的定量曲线。

实施例3：光照触发释放一氧化氮的同时，组装体自身荧光增强

使用410nmled(7.5mw/cm²)灯光照上述得到的纳米粒子组装体，在光照不同的时间时进行荧光发射光谱测试。

测试结果表明：随着光照时间的延长，荧光发射光谱中450nm处的荧光增强(激发波长为405nm)，在光照的同时聚合物纳米粒子的表观颜色由最初几乎无色变为最终显蓝色荧光。说明在光照触发释放一氧化氮的同时，组装体自身荧光增强，因此可以间接反映一氧化氮的释放，测试结果显示于图8。

实施例4：聚合物组装体用于药物运输

具体实验如下：称取0.5mg环丙沙星(ciprofloxacin)和2mg聚合物(实施例1中第三步所得产物)，溶解于0.1mldmso和0.9mlthf，共1.0ml，一定转速下闪沉于4ml水中，取出0.5ml组装后负载药物的样品，加入超滤离心管离心(mwco10000da，8000rpm,离心30min，温度25度)，下层滤液冻干，ph2的酸水溶解后测紫外光谱定量，计算负载量。负载量约为：11.5％；负载率为：52％。

将一定浓度负载药物后的组装体分别光照20min、光照10min(410nmled，7.5mw/cm²)和不光照(各取800μl)加入释放cell(测试药物释放的容器)，置于30ml样品瓶中，加入6mlph5.5的醋酸钠缓冲液，37度，磁力搅拌。设置取样时间节点，取出样品瓶中的透析液，重新加入6mlph5.5的醋酸钠缓冲液继续透析，重复取样。将取出的透析水冻干，然后溶解，测试释放曲线(与标准曲线对比定量)。

测试结果表明：相比于不光照的对照组，分别光照20分钟和10分钟的实验组可以在相同的时间释放更多的药物，且光照20分钟的释放药物更多。由此表明，在没有光照的条件下，药物释放量很少，通过光照触发药物释放，可以达到可控释放药物的目的，测试结果显示于图9。

实施例5：聚合物组装体用于分散生物膜

具体实验如下：将在24孔板中成长了7h的生物膜按照不同的处理共培养30分钟(处理方式分别为：对照组(加入pbs缓冲液)，36μg/ml游离药物(环丙沙星)，36μg/ml单独聚合物组装体(实施例1中第三步所得产物，没有负载药物)，36μg/ml实施例4中负载环丙沙星的聚合物组装体)，然后使用410nmled(7.5mw/cm²)灯光照20分钟(分为对照组和实验组，对照组不进行光照)，然后再培养1小时(180转，37度)。除去上层悬浮菌液，1毫升pbs洗涤24孔板壁一次，加入1毫升结晶紫染色，静置20分钟，然后1毫升pbs洗涤24孔板壁，重复两次。

实验结果如图10所示，相比没有加入组装体和加组装体但没有进行光照的对照组来说，加入组装体并进行光照的实验组对生物膜均有分散作用，而且负载药物的组装体生物膜相比单纯的一氧化氮组装体及游离的环丙沙星药物分散效果更加明显。由此表明，该光触发释放一氧化氮的聚合物纳米粒子具有潜在的生物膜分散作用，且负载药物的聚合物组装体同时释放一氧化氮和药物，可以起到协同分散生物膜的作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于使本技术领域的专业技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，是能够实现对这些实施例的多种修改的，而这些修改也应视为本发明应该保护的范围。