卢思, 戴瑜玺, 宋芊, 李玲

(教育部有机合成与应用重点实验室, 湖北大学化学化工学院, 湖北 武汉 430062)

0 引言

过渡金属基纳米粒子由于其有限尺寸和表面效应所产生的特性,如强烈和广泛的光吸收、强氧化能力、催化活性和强大的机械性能,在生物医学应用中如药物输送、疾病治疗和共振成像方面受到越来越多的关注[1],特别是具有优异催化活性和选择性的过渡金属基纳米催化药物显示出显著的临床潜力[2].金属有机骨架材料(MOFs)因其高孔隙率、高吸附能力和承载生物活性化合物的能力以及现有广泛的可修饰功能化方法而在生物医学领域具有巨大潜力[3-6],其中双金属MOFs具有两种金属中心,较之单金属MOFs具有更加多元的催化活性位点和吸附位点,因此吸附选择性、选择催化性以及结构稳定性等均得到了提升[7].因此具有较高催化活性和选择性的过渡金属基双金属MOFs材料在肿瘤治疗领域中的优势愈加凸显.

肿瘤微环境(TME)是指肿瘤细胞存在的周围微环境,TME与正常组织相比存在显著差异,TME 的特征主要包括弱酸性、缺氧、过表达过氧化氢和谷胱甘肽(GSH,TME 中的主要抗氧化剂)、血管异常、营养消耗高等.因此,具有特异TME 响应性的ROS 介导的肿瘤治疗成为癌症治疗的一大趋势[8].

化疗动力学治疗(CDT)利用TME辅助的瘤内Fenton反应来将内部过氧化氢(H2O2)转化为毒性羟基自由基(·OH)以杀死癌细胞从而实现选择性的肿瘤治疗[9],此疗法已成为一种新的抗肿瘤方式[10-11].因其具有以下优势:1)对 H2O2的更高特异性反应,2)没有外场穿透深度限制,3)对正常组织的副作用更少,4)更理想的 ROS 生成能力,5)没有耐药性、设备限制和外部刺激,所以CDT从很多其他的癌症治疗策略如传统的化学疗法、放射疗法、光动力学疗法和声动力学疗法中脱颖而出[8].

在TME中,含铜类Fenton催化反应,比含Fe和Mn的催化反应更有利,Cu+催化类芬顿反应在微酸性介质中以较高的效率发生[11].

基于以上,拟以铜离子与镧离子构筑具有较高催化活性和一定TME响应性的过渡金属基双金属MOFs材料(Cu/La-MOFs),因为双金属协同作用能够提高材料整体的催化活性,选用铜离子作为非贵变价金属,是因为Cu(II)在被还原成Cu(I)具有更强的催化活性;选用镧离子作为贵金属离子,是因为镧作为稀土金属,可以加速电子转移的速度.通过亚甲基蓝降解实验考察其催化性能.并模拟正常细胞与肿瘤细胞中不同GSH浓度,比较催化性能,探索GSH对Cu/La-MOFs的影响规律,进而评估Cu/La-MOFs作为纳米催化剂的潜在应用价值.

1 实验部分

1.1 材料与方法三水合硝酸铜、六水合硝酸镧、均苯三甲酸、谷胱甘肽(GSH)、碳酸氢钠、磷酸氢二钠、柠檬酸均购于阿拉丁试剂有限公司(上海),无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、亚甲基蓝(MB)、过氧化氢均购于国药化学试剂有限公司(上海).所有试剂均为分析纯,实验用水均为二次去离子水.

用于材料表征的仪器有Bruker D8X粉末衍射仪(Bruker Company, USA)、JSM6510LV扫描电子显微镜(JEOL, Japan)和傅里叶红外分光光度计(PE,USA).

1.2 不同比例Cu/La-MOFs的制备以Cu/La-MOFs(2∶1)为例,通过改进的溶剂热法来合成.将0.563 g的三水合硝酸铜和0.505 g的六水合硝酸镧混合溶于3.5 mL无水乙醇、3.5 mL DMF与3.5 mL去离子水的混合溶剂中,记为溶液A;然后将0.42 g的均苯三甲酸溶于相同的混合溶剂中,记为溶液B.将溶液A缓慢滴加到溶液B中,并在室温下搅拌30 min后,将混合溶液转移到聚四氟乙烯反应釜中,于85 ℃下反应12 h.反应结束后待反应物自然冷却至室温,离心分离,并用去离子水和无水乙醇交替洗涤三次,于60 ℃下烘干,得到Cu/La-MOFs(2∶1).

按照不同的试剂比例,采用相同的合成方法得到系列MOFs材料,如表1所示.

表1 其他比例MOFs配比

1.3 亚甲基蓝的降解为了考察不同比例Cu/La-MOFs产生羟基自由基(·OH)的能力,比较降解MB的性能.向25 mmol/L NaHCO3缓冲溶液中加入0.01 mg·mL-1MB,10 mmol/L H2O2和0.5 mg·mL-1Cu/La-MOFs(溶液总体积为5 mL)后,在37 ℃下放置使其反应1 h,用紫外-可见光谱仪通过在665 nm处测定吸光度变化比较·OH诱导的MB降解效率.

1.4 GSH对亚甲基蓝降解的影响为了考察不同GSH浓度下Cu/La-MOFs产生羟基自由基(·OH)的能力,比较降解MB的性能.以浓度为1 mmol/L的实验组为例,向25 mmol/L NaHCO3缓冲溶液中加入0.01 mg·mL-1MB,0.001 5 g GSH,10 mmol/L H2O2和0.5 mg·mL-1Cu/La-MOFs(溶液总体积为5 mL)后,在37 ℃下放置使其反应1 h,用紫外-可见光谱仪通过在665 nm处测定吸光度变化比较·OH诱导的MB降解效率.

1.5 不同细胞模拟环境下的亚甲基蓝降解固定GSH浓度,用pH 5.8和pH 7.4的磷酸缓冲液分别模拟癌细胞与正常细胞的pH环境,考察在不同细胞环境中Cu/La-MOFs对亚甲基蓝降解性能的影响.

2 结果与讨论

2.1 Cu/La-MOFs的表征Cu/La-MOFs的SEM图像如图1所示,Cu-MOFs粒径约7 μm,Cu/La-MOFs(1∶1)粒径约为10 μm,Cu/La-MOFs(1∶2)粒径约为15 μm,Cu/La-MOFs(2∶1)粒径约为10 μm,棒状La-MOFs长约为5 μm;Cu-MOFs为正八面体构型;Cu/La-MOFs(1∶1)和单金属Cu-MOFs构型相似,为八面体构型;Cu/La-MOFs(1∶2)和Cu/La-MOFs(2∶1)构型相对于八面体有些许形变,棱角不再分明,各个面偏饱满;La-MOFs为棒状构型.

图1 不同比例Cu/La-MOFs的SEM图像

Cu/La-MOFs的XRD图谱如图2所示.Cu-MOFs的样品在2θ=6.66°、9.43°、11.58°、13.38°、14.60°、17.44°以及19.00°等处均出现HKUST-1的特征衍射峰,与文献报道的一致[12-13].La-MOFs在2θ=13.36°、17.34°以及18.97°等处均出现La-BTC的特征衍射峰,与文献报道的一致[14-15].Cu/La-MOFs(1∶1)、Cu/La-MOFs(2∶1)特征峰中既出现了Cu-MOFs的特征峰,也出现了La-MOFs的特征峰,而Cu/La-MOFs(1∶2)由于La的含量高,XRD的特征衍射峰与La-MOFs的XRD峰类似,说明向Cu-MOFs中成功掺杂La离子,合成出三种比例的Cu/La-MOFs.

图2 不同比例Cu/La-MOFs的XRD图

Cu/La-MOFs的红外图谱如图3所示.在1 370 cm-1和1 624 cm-1以及1 578 cm-1和1 439 cm-1处的振动峰对应于配体均苯三甲酸的羰基特征峰,与文献报道的一致[12,16];相对于Cu-MOFs和La-MOFs,Cu/La-MOFs的红外峰均发生位移,说明成功合成出Cu/La-MOFs.

图3 不同比例Cu/La-MOFs的红外图谱

2.2 亚甲基蓝的降解Cu/La-MOFs对MB的降解性能如图4所示.La-MOFs的降解率为12.2%,降解性能并不明显.Cu-MOFs的降解率为73.1%,这是由于铜离子是变价金属离子,在与H2O2的反应中,Cu-MOFs中的Cu(II)与Cu(I)之间的循环能够产生·OH,降解性能比较好.比较Cu/La-MOFs(1∶1)和Cu-MOFs的降解率,说明双金属间的协同作用的确会增加材料的降解效率;Cu/La-MOFs(1∶1)的降解率为92.5%,大于La-MOF与Cu-MOFs降解率的总和(85.4%),达到了1+1>2的效果.Cu/La-MOFs(1∶2)的降解率为56.4%,说明镧离子比例的增大会减弱材料的降解效率;而Cu/La-MOFs(2∶1)的降解率为93.2%,相比Cu/La-MOFs(1∶1),变化不大,说明铜离子比例达到饱和后,继续增加铜离子比例对材料的降解效率不再有明显的影响.故选用Cu/La-MOFs(1∶1)做阻抗测试.

图4 不同比例Cu/La-MOFs对MB的降解率

Cu/La-MOFs、Cu-MOFs、La-MOFs的阻抗测试如图5所示,Cu/La-MOFs、Cu-MOFs、La-MOFs的半径依次增大.半径越小,电子转移速率越快,催化效率越高,这与MB降解实验结果显示基本一致.说明在Cu-MOFs中掺入La2+会促进电子转移,从而提高催化效率.

图5 不同MOFs的阻抗测试

2.3 GSH对亚甲基蓝降解的影响比较不同GSH浓度下Cu/La-MOFs(1∶1)对MB的降解性能,结果如图6所示;Cu/La-MOFs(1∶1)材料随着GSH浓度的增加,亚甲基蓝降解率依次为:81.9%、98.5%、34.5%、22.6%、16.7%、3.2%.比较GSH浓度为1 mmol/L和2 mmol/L时,可以发现2 mmol/L GSH条件下MB降解性能更好,这是由于GSH使得铜离子还原为催化效果更强的亚铜离子,产生更多的·OH,所以MB的降解率都有较多提升.

图6 Cu/La-MOFs(1∶1)在不同GSH浓度下对MB的降解率

但是随着GSH浓度继续增加,MB降解率下降,而在GSH浓度较低时,随着GSH浓度的增加,催化效率增强,这是因为Cu/La-MOFs可以消耗GSH,避免羟基自由基被GSH消耗.当GSH浓度过高时,Cu/La-MOFs不足以完全消耗GSH,因此导致催化效率降低.

2.4 不同细胞模拟环境下的亚甲基蓝降解模拟了癌细胞与正常细胞的pH值与GSH 浓度,考察细胞环境对MB降解性能的影响,结果如图7所示.用pH=7.4、GSH=0.5 mmol/L来模拟正常细胞环境,此时亚甲基蓝降解率为35.1%;用pH=5.8、GSH=2 mmol/L来模拟癌症细胞环境,此时甲基蓝降解率为95.3%.实验表明Cu/La-MOFs(1∶1)在肿瘤环境中有很高的MB降解率,即在肿瘤环境中的催化性能更好,能产生更多的·OH.

图7 Cu/La-MOFs(1∶1)在不同细胞模拟环境下对MB的降解率

3 结论

双金属的MOFs材料的降解MB效果好于单金属MOFs材料;在双金属MOFs材料当中,铜离子的比例越高,Cu/La-MOFs的降解效率相应的就越高.Cu/La-MOFs在模拟正常细胞环境下MB降解率不高,说明Cu/La-MOFs在模拟正常细胞环境中仅产生少量的·OH;相比较而言,在模拟癌症细胞环境下MB降解率超过90%,说明在癌细胞环境中产生浓度较高的·OH.因此,Cu/La-MOFs有望减少对正常细胞的副作用,用于化学动力学治疗.