金纳米球-氧化石墨烯纳米药物载体的制备及抗癌性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230402

摘要/Abstract

摘要：

采用化学还原法制备了氧化石墨烯-金纳米球（GO-AuNP），利用透射电子显微镜（TEM）、紫外-分光光度计（UV-Vis）和激光粒度仪等对GO-AuNP进行了表征，并利用红外热成像仪对其光热性能进行了研究。将GO-AuNP负载抗癌药物盐酸阿霉素（DOX）制备成纳米药物复合物（GO-AuNP@DOX），并通过荧光分光光度计对DOX的负载和释放进行了检测；结果显示，GO-AuNP@DOX中DOX的释放在弱酸性环境下更优，并且在808 nm激光照射条件下pH=5.3时释放量可以达到30.51%。采用共聚焦显微镜分析了癌细胞对GO-AuNP@DOX的摄取能力；采用CCK-8细胞毒性实验分析了GO-AuNP@DOX的体外杀伤肿瘤细胞能力，细胞毒性实验证明GO-AuNP载体具备良好的生物相容性，体内抗肿瘤实验结果表明，荷瘤小鼠在化疗-光热协同作用可以很好地抑制肿瘤生长。结果表明，GO-AuNP纳米药物载体具有光热转换能力优异、生物相容性优良的优点，其pH/近红外光谱（NIR）双重药物控释性能使药物载体在化疗-光热协同治疗肿瘤方面具有潜在的应用价值。

关键词: 金纳米球, 氧化石墨烯, 药物载体, 抗癌

Abstract:

The present study employed a chemical reduction method to synthesize gold nanoparticles （AuNPs） decorated on graphene oxide （GO） nanomaterials. The produced GO-AuNPs were characterized using advanced analytical techniques such as transmission electron microscopy， UV-visible spectrophotometry， and laser particle size analysis. Furthermore， the photothermal properties of GO-AuNPs were investigated using an infrared thermal imaging camera. Subsequently， the GO-AuNPs were utilized for the loading of an anti-cancer drug， doxorubicin hydrochloride （DOX）， to yield a nanodrug complex （GO-AuNP@DOX）. The loading and release of DOX were determined by fluorescence spectrophotometry， revealing that the DOX release was more favorable under weak acidic conditions. Moreover， it was observed that at pH=5.3， the release amount of DOX reached up to 30.51% under the irradiation of 808 nm laser. The cellular uptake ability of GO-AuNP@DOX by cancer cells was analyzed using confocal microscopy. The in vitro cytotoxicity of GO-AuNP@DOX against tumor cells was evaluated using a CCK-8 cell viability assay， demonstrating the excellent biocompatibility of the GO-AuNP carrier. Additionally， in vivo anti-tumor experiments conducted on tumor-bearing mice revealed that the combination of chemotherapy and photothermal therapy effectively suppressed tumor growth. These results indicate that the GO-AuNP nanodrug carrier possesses outstanding photothermal conversion ability and exceptional biocompatibility， while their pH/NIR dual drug release performance makes it a promising candidate for synergistic chemo-photothermal therapy of tumors.

Key words: Gold nanospheres, Graphene oxide, Drug carrier, Anti-cancer

中图分类号:

O655

郭国英, 赵墨晅, 梁文婷, 弓韬, 董川. 金纳米球-氧化石墨烯纳米药物载体的制备及抗癌性能[J]. 应用化学, 2024, 41(7): 976-986.

Guo-Ying GUO, Mo-Xuan ZHAO, Wen-Ting LIANG, Tao GONG, Chuan DONG. Preparation and Anti‑Cancer Properties of Gold Nanosphere‑Graphene Oxide Nanodrug Carriers[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2024, 41(7): 976-986.

图/表 13

图1 GO-AuNP纳米药物载体合成的及负载药物和药物释放的示意图

Fig.1 Diagram of GO-AuNP nanocarrier synthesis and drug loading and drug release

图2 GO（a）、AuNP（b）和GO-AuNP（c）的UV-Vis谱图ρ（GO）=ρ（AuNP）=ρ（GO-AuNP）=5 mg/mL

Fig.2 UV-Vis absorption spectra of GO （a）， AuNP （b） and GO-AuNP （c）

图3 GO和GO-AuNP的Zeta电位（A）和水合粒径（B）

Fig.3 Zeta potentials （A） and size distributions （B） of GO and GO-AuNP

图4 GO-AuNP的TEM图像

Fig.4 Transmission electron microscope （TEM） images of GO-AuNP

图5 GO-AuNP不同组分在NIR照射下（2.0 W/cm2）的温度变化曲线（A）和相应的红外热图像（B）；不同质量浓度GO-AuNP在NIR照射（2.0 W/cm2）下的温度变化图（C）； GO-AuNP在不同功率NIR照射下的温度变化图（D）； GO-AuNP温度周期变化图（E）

Fig. 5 Temperature change curves （A） and corresponding infrared thermal images （B） of different components of GO-AuNP under NIR irradiation（2.0 W/cm2）； Temperature variation graph of GO-AuNP at different concentrations under NIR irradiation（2.0 W/cm2）（C）； Temperature variation graph of GO-AuNP under different power NIR irradiation （D）； Temperature cycle variation graph of GO-AuNP （E）

图6 （A） GO-AuNP对DOX的载药动力学曲线； Lagergren's伪一级（B）和Ho's 伪二级（C）动力学模型的线性拟合图

Fig.6 （A） The adsorption kinetic curves of GO-AuNP on DOX； Linear fitting graphs of the dynamic model for Lagergren's pseudo-first-order （B） and Ho's pseudo-second-order （C）

表1 GO?AuNP对DOX的载药动力学相关参数

Table 1 Parameters related to the drug delivery kinetics of GO?AuNP to DOX

Lagergern's pseudo?first?order kinetic model			Ho's pseudo?second?order kinetic model
q_e/（mg·g^-1）	K₁/h^-1	R²	q_e/（mg·g^-1）	K₂/（g·mg^-1·min^-1）	R²
24.64	0.027 75	0.987 6	41.07	0.001 700	0.999 7

图7 （A） GO-AuNP对DOX的等温吸附图； Langmuir单分子层（B）和Freundlich多分子层（C）吸附模型的线性拟合图

Fig.7 The isothermal adsorption curve of GO-AuNP on DOX （A）； Linear fitting graphs with the Langmuir adsorption isotherm model （B） and Freundlich adsorption isotherm model （C）

表2 GO?AuNP对DOX的等温吸附相关参数

Table 2 Parameters related to the drug isothermal adsorption of GO?AuNP to DOX

Langmuir isotherm model			Freundlich isotherm model
q_m/（mg·g^-1）	K_L/（mg·mL^-1）	R²	n	K_f/（mL·g^-1）	R²
458.8	0.042 80	0.887 0	515.5	1.011	0.995 1

图8 （A） GO-AuNP@DOX在pH=5.3和7.4下的DOX累积释放量；（B） pH=5.3时GO-AuNP@DOX在存在和不存在NIR照射下的DOX累积释放量

Fig.8 （A） Cumulative release of DOX from GO-AuNP@DOX at pH=5.3 and 7.4；（B） Cumulative release of DOX from GO-AuNP@DOX with and without NIR irradiation at pH=5.3

图9 GO-AuNP@DOX与MCF-7细胞（A）和HeLa细胞（B）分别共培养0.5、1.5和4 h后细胞荧光图

Fig.9 Cell fluorescence diagrams of GO-AuNP@DOX after respectively co-culture with MCF-7 cells （A） and HeLa cells （B） for 0.5， 1.5 and 4 h

图10 GO-AuNP@DOX对MCF-7细胞（A）和HeLa细胞（B）的体外细胞毒性试验（n=3）

Fig.10 In vitro cytotoxicity assay of GO-AuNP@DOX on MCF-7 cells （A） and HeLa cells （B）（n=3）

图11 （A） NIR（808 nm， 2.0 W/cm2）照射下0~5 min，PBS组和GO-AuNP@DOX组处理的荷瘤小鼠肿瘤部位的热成像图；（B）不同处理条件下，小鼠的肿瘤组织图

Fig.11 （a） Thermal imaging of tumor sites treated with PBS and GO-AuNP@DOX under NIR irradiation （808 nm， 2.0 W/cm2） for 0~5 min；（B） Tumor tissue images of mice under different treatment conditions

参考文献 18

1	DOLATKHAH M， HASHEMZADEH N， BARAR J， et al. Stimuli-responsive graphene oxide and methotrexate-loaded magnetic nanoparticles for breast cancer-targeted therapy［J］. Nanomedicine， 2021， 16（24）： 2155-2174.
2	HAN H S， CHOI K Y. Advances in nanomaterial-mediated photothermal cancer therapies： toward clinical applications［J］. Biomedicines， 2021， 9（3）： 305.
3	CHEN J Q， NING C Y， ZHOU Z N， et al. Nanomaterials as photothermal therapeutic agents［J］. Prog Mater Sci， 2019， 99： 1-26.
4	NGUYEN V D， MIN H K， KIM D H， et al. Macrophage-mediated delivery of multifunctional nanotherapeutics for synergistic chemo-photothermal therapy of solid tumors［J］. ACS Appl Mater Interfaces， 2020， 12： 10130-10141.
5	WEN C， CHENG R， GONG T， et al. Cyclodextrin-cholic acid-hyaluronic acid polymer coated Fe₃O₄-graphene oxide nanohybrids as local chemo-photothermal synergistic agents for enhanced liver tumor therapy‍［J］. Colloids Surf B-Biointerfaces， 2020， 199： 111510.
6	WANG X， MA Q， WEN C， et al. Folic acid and deoxycholic acid derivative modified Fe₃O₄ nanoparticles for efficient pH-dependent drug release and multi-targeting against liver cancer cells［J］. RSC Adv， 2021， 11： 39804-39812.
7	GONG T， WANG X， MA Q， et al. Triformyl cholic acid and folic acid functionalized magnetic graphene oxide nanocomposites： multiple-targeted dual-modal synergistic chemotherapy/photothermal therapy for liver cancer［J］. J Inorg Biochem， 2021， 223： 111558.
8	BEIK J， ALAMZADEH Z， MIRRAHIMI M， et al. Multifunctional theranostic graphene oxide nanoflakes as MR imaging agents with enhanced photothermal and radiosensitizing properties［J］. ACS Appl Bio Mater， 2021， 4（5）： 4280-4291.
9	YANG L， KIM T H， CHO H Y， et al. Hybrid graphene-gold nanoparticle-based nucleic acid conjugates for cancer-specific multimodal imaging and combined therapeutics［J］. Adv Funct Mater， 2021， 31（5）： 2006918.
10	张雅静，王晓辉，徐亚娟，等. 石墨烯纳米载药体系的制备及对肿瘤细胞的杀伤作用［J］. 应用化学， 2021， 38（6）： 693-703.
	ZHANG Y J， WANG X H， XU Y J， et al. Preparation of graphene nano-drug carrier system and its killing effect on tumor cells［J］. Chin J Appl Chem， 2021， 38（6）： 693-703.
11	张雅静，季鹏，韩德明，等. 石墨烯纳米载药体系的制备及对人口腔鳞癌细胞杀伤效果［J］. 应用化学， 2019， 36（5）： 564-570.
	ZHANG Y J， JI P， HAN D M， et al. Preparation of graphene nano drug-loading system and its killing effect on human oral squamous cell carcinoma cells［J］. Chin J Appl Chem， 2019， 36（5）： 564-570.
12	CHENG S J， CHIU H Y， KUMAR P V， et al. Simultaneous drug delivery and cellular imaging using graphene oxide［J］. Biomater Sci， 2018， 6（4）： 813-819.
13	BLOISE N， STRADA S， DACARRO G， et al. Gold nanoparticles contact with cancer cell： a brief update［J］. Int J Mol Sci， 2022， 23（14）： 7683.
14	李铸衡，马立娜，刘殿骏，等. 金纳米粒子的细胞毒性［J］. 应用化学， 2016， 33（9）： 1009-1016.
	LI Z H， MA L N， LIU D J， et al. Cytotoxicity of gold nanoparticles［J］. Chin J Appl Chem， 2016， 33（9）： 1009-1016.
15	HU W G， YAN Z Y， LI H M， et al. Development of a new colloidal gold immunochromatographic strip for rapid detecting subgroup a of avian leukosis virus using colloidal gold nanoparticles［J］. Biochem Eng J， 2019， 148（15）： 16-23.
16	AL RUGAIE O， JABIR M， KADHIM R， et al. Gold nanoparticles and graphene oxide flakes synergistic partaking in cytosolic bactericidal augmentation： role of ROS and NOX2 activity［J］. Microorganisms， 2021， 9（1）： 101.
17	GONG T， WANG X， ZHU H， et al. Folic acid-maltodextrin polymer coated magnetic graphene oxide as a NIR-responsive nano-drug delivery system for chemo-photothermal synergistic inhibition of tumor cells［J］. RSC Adv， 2023， 13（18）： 12609-12617.
18	WANG C， HUANG L， SONG S， et al. Targeted delivery and pH-responsive release of stereoisomeric anti-cancer drugs using β-cyclodextrin assemblied Fe₃O₄ nanoparticles［J］. Appl Surf Sci， 2015， 357： 2077-2086.

[1]	张越, 梁蕊, 赵灿男, 李春梅. 氧化石墨烯-DNA纳米探针用于三磷酸腺苷的检测与药物递送[J]. 应用化学, 2024, 41(1): 118-127.
[2]	郝威娜, 周超, 狄海萍, 邓林红. 基于氧化石墨烯-透明质酸-聚乙二醇的复合超分子水凝胶的制备及性能[J]. 应用化学, 2023, 40(12): 1672-1681.
[3]	夏昉, 许子英, 王赫, 赫玉芳. 基于文献计量的氧化石墨烯特征分析[J]. 应用化学, 2023, 40(10): 1448-1455.
[4]	赵跃华, 王大鹏. 氨基化氧化石墨烯和脂肪酸在水-油界面的共吸附动力学[J]. 应用化学, 2022, 39(8): 1274-1284.
[5]	邵姗, 张剑, 邓凯强, 杨杰, 杨绍明. 镍钴双金属-卟啉有机框架复合纳米材料构建的无酶传感器检测多巴胺[J]. 应用化学, 2022, 39(7): 1098-1107.
[6]	牛青芳, 艾欣, 王奕璇, 贺方玖, 罗彼, 梁文婷, 董川. 三维还原氧化石墨烯/β-环糊精复合物的合成及其电化学检测水中左氧氟沙星[J]. 应用化学, 2022, 39(7): 1129-1137.
[7]	徐一鑫, 王爽, 全静, 高婉婷, 宋天群, 杨梅. 二硫化钼量子点/还原氧化石墨烯复合材料的制备及其光催化降解有机染料、四环素和Cr（VI）[J]. 应用化学, 2022, 39(5): 769-778.
[8]	刘文彬, 杨莎莎, 黄国林, 樊利娇, 谢宇铭. 磷酸化黄原胶/氧化石墨烯的合成及其对铀的选择性吸附[J]. 应用化学, 2021, 38(6): 658-667.
[9]	张雅静, 王晓辉, 徐亚娟, 刘文书, 赵丽辉. 石墨烯纳米载药体系的制备及对肿瘤细胞的杀伤作用[J]. 应用化学, 2021, 38(6): 693-703.
[10]	肖海梅, 蔡蕾, 张朝晖, 陈珊, 周姝, 符金利. 磁性氧化石墨烯/MIL-101(Cr)表面金属离子印迹聚合物制备及其对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)选择性吸附[J]. 应用化学, 2020, 37(9): 1076-1086.
[11]	郜思衡, 杨宇, 毋金玲, 秦利霞, 康诗钊, 李向清. 氧化石墨烯/超细银粒子复合物的制备及其光电性能[J]. 应用化学, 2020, 37(8): 923-929.
[12]	王伟, 李娟, 白茹, 韩珍, 冯雪薇, 孙越. 无金属可见光诱导原子转移自由基聚合法制备聚丙烯酰胺@氧化石墨烯/纳米钯复合物修饰电极及其对乙醇的检测[J]. 应用化学, 2020, 37(5): 595-603.
[13]	霍朝晖, 杨晓珊, 陈晓丽, 张刚, 尹伟, 曹曼丽, 史蕾, 邱燕璇. 纳米银/二维石墨相氮化碳/还原氧化石墨烯复合材料的制备及其光催化降解抗生素[J]. 应用化学, 2020, 37(4): 471-480.
[14]	于志强, 曲江英, 李杰兰, 臧云浩, 顾建峰, 高峰. 氧化石墨烯基柔性发电机的构筑及其水蒸发发电性能[J]. 应用化学, 2020, 37(10): 1164-1171.
[15]	于志强, 曲江英, 李杰兰, 臧云浩, 顾建峰, 高峰. 氧化石墨烯基柔性发电机的构筑及其水蒸发发电性能[J]. 应用化学, 2020, 37(10): 0-0.