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蟾毒灵类沸石咪唑酯骨架材料-8 纳米粒的制备及抗肿瘤评价
王海军①,王俊鹏①,高元森①,
陈施翰①,郝海军②
作者单位:
①联勤保障部队第 988 医院
②上海市中药研究所
[摘 要] 目的 制备蟾毒灵类沸石咪唑酯骨架材料-8 纳米粒(Buf-ZIF-NPs),评价其对肝癌荷瘤小鼠的体内抗肿瘤作用。方法 采用包封率为指标,响应面法优化纳米粒处方工艺。X 线粉末衍射和透射电镜进行理化性质表征,透析袋法比较体外释药行为。采用 H22 肿瘤细胞建立肿瘤模型,比较抗肿瘤效果。HE 染色法观察肿瘤组织病理学变化。结果 Buf-ZIF-NPs 平均包封率、载药量、粒径和 Zeta 电位分别为(86.62±0.82)%、(21.30±0.16)%、(78.96±3.12)nm 和(26.01±0.74)mV。蟾毒灵以无定形态存在,Buf-ZIF-NPs 外貌呈六边形态。在弱酸性介质中累积释放度均大于 80%,在弱碱性介质中累积释放度均低于 50%,具有明显的 pH 敏感性。在给药剂量(均为 2.0 mg·kg-1)相同前提下,Buf-ZIF-NPs 将蟾毒灵抑瘤率由 37.11%提高至 69.07%,且肿瘤细胞坏死程度高于蟾毒灵组。结论 该 Buf-ZIF-NPs 具有良好的 pH 敏感性,增强了蟾毒灵对肝癌荷瘤小鼠的抗肿瘤药效。
[关键词] 蟾毒灵;类沸石咪唑酯骨架材料-8;pH 敏感;荷瘤小鼠;抗肿瘤
[中图分类号] R283.6
[文献标识码] A
[文章编号] 1008-9926(2026)2-0129-08
[DOI] 10.3969/j.issn.1008-9926.2026.02.001
肝癌是发生在肝脏的一种恶性肿瘤,发病率和病死率逐年递增,但临床上药物治疗面临着药效低、不良反应大等问题。蟾毒灵是中药蟾酥的主要活性成分,通过抑制肿瘤生长及增殖、抑制肿瘤血管生成、诱导肿瘤细胞凋亡、抑制侵袭和转移等机制发挥抗肝癌活性[1],因此蟾毒灵可作为抗肝癌药物研发的候选药物之一。蟾毒灵在 pH 2.0~7.4 磷酸盐缓冲液中的平衡溶解度均小于 50 μg·ml-1[2],较强的疏水性导致药物溶出度极低,极大影响了蟾毒灵的成药性。目前已有蟾毒灵胶束、白蛋白纳米粒、脂质体、脂质纳米粒等研究[1, 3],尽管改善了蟾毒灵溶解度、溶出度等缺陷,但由于体内靶向性较差,严重影响了抗肿瘤药效[4, 5]。
肿瘤组织附近的 pH 值相对较低,且肿瘤细胞内含体和溶酶体的微环境也呈偏酸性,而正常组织器官的 pH 值相对较高。所以基于这种 pH 差异构建 pH 敏感纳米制剂有助于触发肿瘤部位定向释药,进而提高肿瘤靶向性、降低不良反应、增强药效等。目前 pH 敏感纳米制剂主要借助 pH 敏感的高分子材料进行载药[6],但材料合成工艺尚不成熟,得率较低,且价格昂贵。类沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8)是由有机配体 2-甲基咪唑和金属锌离子(Zn2+)自组装形成的一种金属有机骨架材料[7-9],其中 Zn2+ 是机体内的重要微量元素,而咪唑基团是机体组氨酸的重要组成部分,因此 ZIF-8 使用安全性高。ZIF-8 材料在弱碱性环境中可维持基本的骨架结构,稳定性相对较高,但在微酸性环境中易被瓦解破坏,因而呈现出良好的 pH 敏感性,利于将药物递送至弱酸环境的肿瘤部位[9, 10],进而增强药效。本研究采用 ZIF-8 作为骨架材料制备了蟾毒灵 ZIF-8 纳米粒(bufalin-ZIF-8 nanoparticles, Buf-ZIF-NPs),并考察 Buf-ZIF-NPs 理化性质及体内抗肝癌作用,旨在为蟾毒灵抗肿瘤药物的研发提供参考。
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仪器与材料
1.1 仪器 S-450D 型超声仪(上海必能信超声有限公司);HM-S 磁力搅拌器(德国 Heidolph 公司);LGJ-2 型冻干机(北京松源华兴科技发展有限公司);Zetasizer Nono ZS-90 型粒度测定仪(英国 Malvern 公司);MSN-125P 型电子天平(美国 Sartorius 公司);D2 PHASER 型粉末衍射仪(瑞士 Bruker 仪器公司);2500 Select 型溶出仪(上海兴和仪器有限公司);1200 型高效液相色谱仪(美国 Agilent 公司);UV752n 型紫外可见光光度仪(青岛聚创环保集团有限公司);TG16 型台式高速离心机(湖南湘仪实验仪器开发公司);Talos F200X-S 型透射电镜(美国 Thermo 科技公司);SKZ-2 型光学显微镜(德国 Carl Zeiss 公司);RM2016 型病理切片机(德国 LEICA 公司)等。
1.2 材料 蟾毒灵原料药(批号:20220518,含量为 97.0%,成都普睿法药物研发有限公司);蟾毒灵对照品(批号:202210-1,含量为 98.0%,上海吉至生化科技有限公司);六水合硝酸锌(批号:20220705,武汉吉鑫益邦生物科技有限公司);2-甲基咪唑(批号:220525,上海一基实业有限公司);顺铂注射液(批号:20240423,南京制药厂有限公司);苏木精-伊红(HE)染色试剂盒(批号:20250219,北京艾佧科技有限公司);4%多聚甲醛(批号:20250208,北京艾佧科技有限公司)。
1.3 细胞与动物 H22 细胞购自上海通派细胞库。河南省实验动物中心〔SCXK(豫)2022-001〕提供 KM 小鼠,雌雄各半,5 周龄,体质量为 22~26 g。动物实验经上海市中药研究所动物伦理委员会审查(2024DWLL-013)。
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方法
2.1 Buf-ZIF-NPs 制备
2.1.1 空白 ZIF-8 的制备 取六水合硝酸锌 3.0 g 溶于 100 ml 纯化水,减压抽滤除去杂质;另取 2-甲基咪唑 7.0 g 溶于 100 ml 纯化水,减压抽滤除去杂质。将 2-甲基咪唑水溶液置于磁力搅拌器上,在 1 000 r·min-1 磁力搅拌转速下缓慢滴入硝酸锌水溶液,避光反应 24 h。14 500 r·min-1 离心 20 min,收集沉淀,加入纯化水洗涤 2 次,置 –20 ℃冰箱 2 d,直接冻干即得空白 ZIF-8 粉末。
2.1.2 Buf-ZIF-NPs 的制备 取 50 mg 蟾毒灵和 150 mg 的空白 ZIF-8 粉末置茄形瓶中,加入 10 ml 乙醇,即得混悬液,密封。置 45 ℃的水浴中,在 1 000 r·min-1 转速下持续磁力搅拌 12 h。14 500 r·min-1 离心 20 min,收集沉淀,置 –20 ℃冰箱 2 d,直接冻干,即得 Buf-ZIF-NPs 粉末。
2.2 Buf-ZIF-NPs 包封率、载药量、粒径及 Zeta 电位的测定 精密取 Buf-ZIF-NPs 粉末 10 mg 置 50 ml 量瓶中,加入 0.1 mol·L-1 HCl 溶液 5 ml(Buf-ZIF-NPs 在弱酸性介质中稳定性差),超声 10 min,加乙腈稀释定容。精密取 0.5 ml 至 10 ml 量瓶中,加乙腈-0.2%乙酸水溶液(45∶55)稀释定容,摇匀得 Buf-ZIF-NPs 供试品溶液。使用高效液相色谱法进行 Buf-ZIF-NPs 供试品溶液蟾毒灵含量测定,色谱条件:流动相为甲醇-0.2%乙酸水溶液(45∶55);检测波长为 296 nm;色谱柱为 Eclipse XDB C18柱(250 mm✕3.9 mm, 5 μm);流速为 1.0 min·ml-1;进样体积为 10 μl;柱温为 30 ℃。计算 Buf-ZIF-NPs 中被负载蟾毒灵的量(M1),并参考蟾毒灵投药量(M0)计算 Buf-ZIF-NPs 包封率,包封率(%)=M1/M0✕100%。参考 ZIF-8 和蟾毒灵总用量(W)计算 Buf-ZIF-NPs 载药量,载药量(%)=M1/W✕100%[11]。取适量 Buf-ZIF-NPs 混悬液,于粒度仪上测定粒径和 Zeta 电位。
2.3 Box-Behnken 设计-响应面法优化 Buf-ZIF-NPs 处方工艺方案 ZIF-8与蟾毒灵质量比、蟾毒灵浓度和制备时间作为主要影响因素 X1、X2、X3,分别设置低(–1)、中(0)、高(+1)3 个水平,见表 1。包封率对纳米制剂抗肿瘤药效影响较大[9],同时也影响纳米制剂的使用安全性[10],故选择包封率(Y)作为 Buf-ZIF-NPs 筛选指标。
2.4 Buf-ZIF-NPs 混悬液丁达尔实验及透射电镜(TEM)分析 取 Buf-ZIF-NPs 粉末置于纯化水中,超声重悬,用红色激光笔侧面照射,观察丁达尔现象。取 Buf-ZIF-NPs 混悬液 50 μl 涂敷在铜网上,加入 1.5%磷钨酸钠 25 μl,室温晾干后置于透射电镜下(✕14 500),观察 Buf-ZIF-NPs 微观形貌。
2.5 X 线粉末衍射(XRPD)分析 取蟾毒灵、空白 ZIF-8、物理混合物(蟾毒灵和 ZIF-8 用量比与 Buf-ZIF-NPs 处方用量比保持一致)和 Buf-ZIF-NPs 粉末适量作 XRPD 分析,衍射角度 2θ 为 3°~45°,扫描速度为 3°·min-1。
2.6 Buf-ZIF-NPs 体外释药考察 取 Buf-ZIF-NPs 粉末置于透析袋(蟾毒灵含量为 15 mg),加入 pH 5.0 磷酸盐缓冲液,扎紧置于转篮中。转篮转速为 75 r·min-1,介质为 1.0 L 磷酸盐缓冲液(pH 5.0),温度为 36.8~37.2 ℃,取样点为 0.5、1.0、2.0、3.0、6.0、9.0、12.0、18.0、24.0 和 48.0 h,取样体积均为 5 ml,样品均避光、低温保存,同时在溶出杯中加入同体积 pH 5.0 磷酸盐缓冲液以维持总释药介质体积不变。样品经 14 500 r·min-1 高速离心 20 min,取上清液按 2.2 项下色谱条件测定蟾毒灵含量。同法考察 Buf-ZIF-NPs 在 pH 5.5、pH 6.5、pH 7.4 磷酸盐缓冲液中的释药行为,绘制 Buf-ZIF-NPs 体外释放曲线。蟾毒灵原料药在相同条件下的释药行为作为对比,比较 Buf-ZIF-NPs 体外释药行为。
2.7 血浆稳定性 将 Buf-ZIF-NPs 粉末分散在 37 ℃含 50%血浆的 PBS 溶液中,取样时间为 6、12、24、48 h,测定 Buf-ZIF-NPs 粒径。同法考察 Buf-ZIF-NPs 粉末在 37 ℃的 PBS 溶液中的稳定性。
2.8 溶血实验
2.8.1 2%红细胞悬液的制备 取健康 KM 小鼠,腹腔注射 1%戊巴比妥钠溶液麻醉,心脏取血,用生理盐水稀释至 10 倍,4 000 r·min-1 离心 2 min,将红细胞沉淀洗涤至无血色,用生理盐水配制 2%的红细胞悬液。
2.8.2 实验方法 取 8 个离心管分别进行编号,1~8 号管分别加入 2.5 ml 的 2%红细胞悬液,1~6 号管分别加入 0.1、0.2、0.4、0.8、1.0、2.0 ml 的 Buf-ZIF-NPs 混悬液(浓度为 12 mg·ml-1),加入生理盐水稀释,使 1~6 号管中 Buf-ZIF-NPs 浓度依次为 0.24、0.48、0.96、1.92、3.84、7.68 mg·ml-1。7 号管仅加 2.5 ml 生理盐水,作为阴性对照。8 号管仅加 2.5 ml 纯化水,作为阳性对照。1~8 号管均置 37 ℃水浴,1 h 后在 416 nm 波长下测定吸光度(A)值,溶血率(%)=(A样品–A阴性)/(A阳性–A阴性)。
2.9 Buf-ZIF-NPs 体内抗肿瘤实验
2.9.1 肿瘤模型的建立 取腹腔接种 H22 肝癌细胞 7 d 的 KM 小鼠,抽取腹水,使用生理盐水调整肝癌细胞密度至每毫升 2✕107 个。精密取 0.2 ml 接种至 KM 小鼠右腋窝皮下,建立 H22 移植瘤小鼠模型[9]。用游标卡尺测量瘤体长(a)和宽(b),计算瘤体积(V),V=a✕b2✕π/6。选取瘤体积为 90~110 mm3 荷瘤小鼠作为肿瘤模型。
2.9.2 实验方案 将 40 只荷瘤小鼠随机分成对照组(生理盐水)、阳性组(顺铂 2.0 mg·kg-1)[3]、蟾毒灵组(2.0 mg·kg-1)[3]、Buf-ZIF-NPs 低剂量组(1.0 mg·kg-1)和 Buf-ZIF-NPs 高剂量组(2.0 mg·kg-1),各组小鼠每天分别静脉给药 1 次,连续给药 15 d,每 3 d 测量 1 次肿瘤体积,末次给药 1 d 后对各组荷瘤小鼠称量体质量。腹腔注射 1%戊巴比妥钠溶液麻醉,断髓法处死荷瘤小鼠,解剖并剥离瘤体,称量质量,计算抑瘤率,抑瘤率(%)=(1–给药组平均瘤重/模型对照组平均瘤重)✕100%。
2.10 HE 染色 取各组小鼠肿瘤组织,4%多聚甲醛固定,石蜡包埋,切片,HE 染色,封片,于光学显微镜下观察病理情况(✕100和✕400)。
2.11 统计学处理 采用 SPSS 24.0 软件进行统计学分析,通过 t 检验比较组间差异,以 P<0.05 为具有统计学显著性差异;以 P<0.01 为具有统计学极显著性差异。
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结果
3.1 响应面试验结果与分析
3.1.1 数学模型的建立及包封率方差分析 分别制备不同处方工艺的 Buf-ZIF-NPs,平行 3 份,按 2.2 项下方法分别测定包封率,结果见表 2。采用软件 Design Expert V 12.1 对拟合实验数据,得方程:Y=87.69+4.58X1+1.07X2+1.62X3–1.58X1X2–0.20X1X3–0.58X2X3–4.73–5.77–6.05,作为 Buf-ZIF-NPs 包封率的数学模型,模型 R2 和 AdjR2 分别为 0.985 1 和 0.965 9,表明拟合结果可信度高。Buf-ZIF-NPs 包封率方差分析见表 3,模型 P 值小于 0.000 1,说明建立的 Buf-ZIF-NPs 包封率数学模型具有极显著性意义。失拟项 P 值为 0.197 4,P 值大于 0.05,提示 Buf-ZIF-NPs 包封率数学模型抗干扰能力强,参考价值高。模型中 X2、X1X2 具有显著性差异(P<0.05),说明这 2 项对包封率影响较大,X1、X3、、、均有极显著性差异(P<0.01),提示这 5 项对包封率影响极大。根据 X1、X2、X3 的 F 值可知,三因素影响大小顺序为 ZIF-8 与蟾毒灵质量比>制备时间>蟾毒灵浓度,ZIF-8 与蟾毒灵质量比对包封率影响最大,主要是由于 ZIF-8 用量直接关系到能否为蟾毒灵提供足够的载药空间。
3.1.2 三维响应曲面图及 Buf-ZIF-NPs 最佳处方确定 ZIF-8 与蟾毒灵质量比、蟾毒灵浓度和制备时间任意两因素与包封率的三维响应曲面图见图 1,均呈抛物线状,说明包封率存在理论最大值,设置范围为 0~1,得 Buf-ZIF-NPs 最佳处方为:ZIF-8 与蟾毒灵质量比为 3.04∶1(修正为 3.0∶1),蟾毒灵浓度为 2.02 mg·ml-1(修正为 2.0 mg·ml-1),制备时间为 10.05 h(修正为 10.0 h)。
3.2 Buf-ZIF-NPs 工艺验证 制备 3 批 Buf-ZIF-NPs,测得平均包封率为(86.96±1.17)%,建立的数学模型预测 Buf-ZIF-NPs 包封率为 89.68%,计算得实测包封率相对偏差仅为–3.03%,说明模型预测精确度良好。Buf-ZIF-NPs 载药量、粒径和 Zeta 电位分别为(21.30±0.16)%,(78.96±3.12)nm 和(26.01±0.74)mV,粒径分布图和 Zeta 电位见图 2。Buf-ZIF-NPs 表面带正电荷,可能是 ZIF-8 骨架上二甲基咪唑残基发生离子化所致[9]。
3.3 Buf-ZIF-NPs 混悬液外观、丁达尔现象及 TEM 结果 Buf-ZIF-NPs 混悬液乳光现象明显,外观见图 3A。Buf-ZIF-NPs 混悬液可见明显的光路,见图 3B,即丁达尔现象,提示 Buf-ZIF-NPs 混悬液是一种胶体分散体系。TEM 下 Buf-ZIF-NPs 微观形貌见图 3C,呈现六边形态,根据标尺判断,Buf-ZIF-NPs 粒径小于 100 nm。
3.4 XRPD 结果 各样品 XRPD 结果见图 4。蟾毒灵和 ZIF-8 出现多处特征晶型峰,在物理混合物 XRPD 图谱中仍可见蟾毒灵和 ZIF-8 各自特征晶型峰,提示简单混合未对蟾毒灵晶态产生影响。Buf-ZIF-NPs 的 XRPD 图谱中仅剩 ZIF-8 特征晶型峰,而蟾毒灵的特征晶型峰消失,可能是蟾毒灵负载进入 ZIF-8 内部,ZIF-8 屏蔽了蟾毒灵特征晶型峰所致[12],提示 Buf-ZIF-NPs 载药成功。
3.5 Buf-ZIF-NPs 体外释药结果 Buf-ZIF-NPs 和蟾毒灵体外释放曲线见图 5。Buf-ZIF-NPs 在较低 pH 介质中(pH5.0 和 pH5.5)释药速率较快,且释放度较大;在较高 pH 介质中(pH6.5 和 pH7.4)释药较慢,且释放度较低,证明 Buf-ZIF-NPs 具有 pH 敏感性,见图 5A。蟾毒灵在 4 种 pH 值磷酸盐缓冲液中释放度均较低,见图 5B,且释药行为无 pH 敏感性。
3.6 血浆稳定性结果 孵育不同时间 Buf-ZIF-NPs 粒径测定结果见表 4。Buf-ZIF-NPs 在 PBS 中(不含血浆)孵育 48 h 后平均粒径小于 160 nm。Buf-ZIF-NPs 在含 50%血浆 PBS 中孵育 48 h 平均粒径有所增长,仍在 180 nm 以下,可见 Buf-ZIF-NPs 在血浆中粒径稳定性良好。
3.7 溶血实验结果 溶血实验结果见表 5。一般来讲,制剂溶血率小于 5%时使用安全性高[9],因此 Buf-ZIF-NPs 静脉注射给药时蟾毒灵浓度应低于 3.84 mg·ml-1。
3.8 Buf-ZIF-NPs 体内抗肿瘤实验结果 肿瘤体积变化情况见图 6,肿瘤外观见图 7,瘤重、抑瘤率及体质量结果见表 6。对照组小鼠瘤体增长最快,15 d 时肿瘤体积达(1 536.75±263.81)mm3。阳性组瘤体生长较慢,抗肿瘤效果较好。蟾毒灵组(2.0 mg·kg-1)在第 6 天后肿瘤体积均小于对照组,说明蟾毒灵对肿瘤生长具有一定的抑制作用。与蟾毒灵组(2.0 mg·kg-1)比较,Buf-ZIF-NPs 低剂量组(1.0 mg·kg-1)在 15 d 肿瘤体积无显著性差异(P>0.05),Buf-ZIF-NPs 高剂量组(2.0 mg·kg-1)在 15 d 时肿瘤体积极显著性下降(P<0.01),抑瘤率(69.07%)远大于蟾毒灵组(37.11%),表明在给药剂量相同时 Buf-ZIF-NPs 提高了蟾毒灵抗肿瘤药效。
3.9 HE 结果 对照组肿瘤细胞形态正常,无坏死情况(图 8A)。阳性组(顺铂)肿瘤细胞出现大面积坏死(图 8B),提示顺铂对肿瘤细胞具有较强的杀伤作用。蟾毒灵组(图 8C)和 Buf-ZIF-NPs 低剂量组(图 8D)肿瘤细胞坏死面积较小,仍见大量的正常肿瘤细胞。Buf-ZIF-NPs 高剂量肿瘤细胞大面积坏死(图 8E),在剂量(2.0 mg·kg-1)相同的前提下 Buf-ZIF-NPs 组肿瘤细胞坏死程度明显比蟾毒灵组严重,提示 Buf-ZIF-NPs 有效增强了蟾毒灵的药效。
4
讨论
抗肿瘤药物纳米载体主要有骨架型载体[9, 13]、脂质型载体[14]、聚合物型载体[15]等,而骨架型纳米载体负载药物时往往具有更高的载药量及体内稳定性[9],利于将药物运送至肿瘤部位,因而成为抗肿瘤药物的研究热点。本研究采用 ZIF-8 作为有架材料将蟾毒灵制备成 Buf-ZIF-NPs,载药量高达(21.30±0.16)%,极大提高了载药效率,也为增强体内药效奠定了基础。
蟾毒灵溶解度不受 pH 值影响,因而释药行为无 pH 敏感性。Buf-ZIF-NPs 表现出明显 pH 敏感性,主要是由于 ZIF-8 骨架上咪唑环的不饱和氮原子在酸性介质中容易发生质子化[16, 17],导致 ZIF-8 骨架遭到极大破坏,降低了释药阻力,因而释药速率和累积释放度均较高[18]。ZIF-8 骨架在弱碱性介质中稳定性相对较高,利于降低不良反应、增强抗肿瘤药效等[17]。
在给药剂量(2.0 mg·kg-1)相同的前提下,Buf-ZIF-NPs 极大提高了蟾毒灵抗肿瘤药效。分析原因可能为肿瘤组织血管壁间隙较宽、结构完整性差、缺乏淋巴引流途径,因而粒径较小的 Buf-ZIF-NPs 可以通过肿瘤组织的增强渗透与阻滞效应实现肿瘤被动蓄积。肿瘤组织附近的 pH 值相对较低,Buf-ZIF-NPs 具有显著的 pH 敏感性,利于提高肿瘤靶向性、增强药效[19, 20]。
综上,本研究成功构建了 Buf-ZIF-NPs,包封率及载药量均较高,pH 敏感特征明显,有助于使蟾毒灵在肿瘤微酸性环境定位释药,显著增强了蟾毒灵体内抗肿瘤药效,因此 Buf-ZIF-NPs 可作为蟾毒灵新型递药载体。后续可对 Buf-ZIF-NPs 注射药动学、体内组织分布、抗肿瘤机制等进行系统研究[14, 21],进一步丰富 Buf-ZIF-NPs 研究资料,为评价其成药性提供参考。
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