谷胱甘肽对双金属MOFs降解亚甲基蓝性能影响的研究.pdf

第 45 卷第 4 期2023 年 7 月 湖北大学学报(自然科学版)Journal of Hubei University(Natural Science)Vol.45No.4July 2023文章编号:10002375(2023)04055206收稿日期:20220927基金项目:湖北省重点实验室开放基金(201911061342001)资助作者简介:卢思(1999),女,硕士生;李玲,通信作者,教授,E-mail:lingli 谷胱甘肽对双金属 MOFs 降解亚甲基蓝性能影响的研究卢思,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)摘要:金属有机骨架材料(MOFs)因其高孔隙率、高比表面积等特点在催化领域应用广泛,而一些特定的双金属MOFs 比单金属 MOFs 的催化效率更高.以溶剂热法合成双金属 Cu/La-MOFs,通过 SEM、XRD 和 FT-IR 等对其结构进行表征.使用亚甲基蓝(MB)作为检测OH 的指示剂,通过 MB 降解实验比较 Cu-MOFs 和不同双金属比例的 Cu/La-MOFs的催化性能,发现 Cu/La-MOFs 的催化性能更好,与 H2O2反应能产生更多的羟基自由基(OH).分别模拟含不同浓度谷胱甘肽(GSH)的正常细胞与肿瘤细胞环境,比较 Cu/La-MOFs 的催化性能,发现较高浓度 GSH 能促进 Cu/La-MOFs 的类Fenton 反应.因此,Cu/La-MOFs 作为类 Fenton 反应的催化剂,可以催化肿瘤内源性 H2O2进行类 Fenton 反应产生OH 来杀死肿瘤细胞,并且高价金属离子可以消耗肿瘤细胞内的 GSH 保护OH,有望增强抗癌效率.关键词:亚甲基蓝;类 Fenton 反应;双金属 MOFs;谷胱甘肽中图分类号:O643.36;TB332文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2023.00.033著录信息:卢思,戴瑜玺,宋芊,等.谷胱甘肽对双金属 MOFs 降解亚甲基蓝性能影响的研究J.湖北大学学报(自然科学版),2023,45(4):552-557.DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2023.00.033.LU S,DAI Y X,SONG Q,et al.Effect of glutathione on degradation of methylene blue by bimetallic MOFsJ.Journal of Hubei University(Natural Science),2023,45(4):552-557.DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2023.00.033.Effect of glutathione on degradation of methylene blue by bimetallic MOFsLU Si,DAI Yuxi,SONG Qian,LI Ling(Ministry of Education Key Laboratory of Organic Synthesis and Application,College of Chemistry andChemical Engineering,Hubei University,Wuhan 430062,China)Abstract:Metal-organic frameworks(MOFs)are widely used in the field of catalysis due to their high porosity and high specific surface area,and some specific bimetallic MOFs have higher catalytic efficiency than monometallic MOFs.Bimetallic Cu/La-MOFs were synthesized by solvothermal method,and the structures were confirmed by SEM,XRD and FT-IR.Methylene blue(MB)was used as an indicator to detect OH,the catalytic performances of Cu-MOFs and Cu/La-MOFs with different ratios were compared through MB degradation experiments.It was found that the catalytic performance of Cu/La-MOFs was better than that of Cu-MOFs,reacting with H2O2 to generate more hydroxyl radicals(OH).The catalytic properties of Cu/La-MOFs were compared by simulating the environment of normal cells and tumor cells containing different concentrations of glutathione(GSH),and it was found that higher concentrations of GSH could promote the Fenton-like reaction of Cu/La-MOFs.Therefore,as a Fenton-like catalyst,Cu/La-MOFs can catalyze endogenous H2O2 in tumors to undergo a Fenton-like reaction to generate OH to kill tumor cells,and high-valent metal ions can deplete GSH in tumor cells to protect OH,which is expected to enhance anti-cancer efficiency.第 4 期卢思,等:谷胱甘肽对双金属 MOFs 降解亚甲基蓝性能影响的研究553 Key words:methylene blue;Fenton-like reaction;bimetallic MOFs;glutathione0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.554 湖北大学学报(自然科学版)第 45 卷表 1其他比例 MOFs 配比Cu-MOFsCu/La-MOFs(1 1)Cu/La-MOFs(1 2)Cu/La-MOFs(2 1)La-MOFs三水合硝酸铜质量/g0.8450.4230.2820.5630六水合硝酸镧质量/g00.7581.0100.5051.5161.3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-1 MB,10 mmol/L H2O2和 0.5 mg mL-1 Cu/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.1.4GSH 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-1 MB,0.001 5 g GSH,10 mmol/L H2O2和 0.5 mgmL-1 Cu/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2.1Cu/La-MOFs 的表征Cu/La-MOFs 的 SEM 图像如图 1 所示,Cu-MOFs 粒径约 7 m,Cu/La-MOFs(1 1)粒径约为 10 m,Cu/La-MOFs(1 2)粒径约为 15 m,Cu/La-MOFs(2 1)粒径约为 10 m,棒状La-MOFs 长约为 5 m;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(a)Cu-MOFs;(b)Cu/La-MOFs(1 1);(c)Cu/La-MOFs(1 2);(d)Cu/La-MOFs(2 1);(e)La-MOFsCu/La-MOFs 的 XRD 图 谱 如 图 2 所 示.Cu-MOFs 的 样 品 在 2=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2=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.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处第 4 期卢思,等:谷胱甘肽对双金属 MOFs 降解亚甲基蓝性能影响的研究555 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 2不同比例 Cu/La-MOFs 的 XRD 图图 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+12 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.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 4不同比例 Cu/La-MOFs 对 MB 的降解率图 5不同 MOFs 的阻抗测试2.3GSH 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.556 湖北大学学报(自然科学版)第 45 卷但是随着 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 6Cu/La-MOFs(1 1)在不同 GSH浓度下对 MB 的降解率图 7Cu/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.4参考文献1 XU M,SONG Y L,WANG J P,et al.Anisotropic transition metal-based nanomaterials for biomedical applicationsJ.View,2021,2(4):20200154.2 WU W C,PU Y Y,LU X Y,et al.Transitional metal-based noncatalytic medicine for tumor therapyJ.Adv Healthcare Mater,2021,10(11):2001819.3 BIENIEK A,TERZYK A P,WINIEWSKI M,et al.MOF materials as therapeutic agents,drug carriers,imaging agents and biosensors in cancer biomedicine:recent advances and perspectivesJ.Prog Mater Sci,2021,117:100743.4 CAI W,CHU C C,LIU G,et al.Metal-organic framework-based nanomedicine platforms for drug delivery and molecular imagingJ.Small,2015,11(37):4806-4822.5 朱仔巍,代英辉,王东凯.金属有机框架及其载运抗肿瘤药物的研究进展J.中国药剂学杂志(网络版),2022,20(2):75-82.6 WU M X,YANG Y W.Metal-organic framework(MOF)-based drug/cargo delivery and cancer therapyJ.Adv Mater,2017,29(23):1606134.7 元宁,杜冰洁,贾晓霞,等.双金属金属有机骨架材料的制备及性能研究进展J.应用化学,2018,35(5):500-510.第 4 期卢思,等:谷胱甘肽对双金属 MOFs 降解亚甲基蓝性能影响的研究557 8 CAO C Y,WANG X R,YANG N,et al.Recent advances of 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