هیدروژل نانوزیم برای تولید رادیکال آلکیل تقویت شده و درمان قوی ضد تومور†
Jul 14, 2023
رادیکال های آلکیل (Rc) که به تولید اکسیژن برای ایجاد تکیه نمی کننداسترس سلولی، اعمال شده انددرمان توموراما مقدار زیادی گلوتاتیون (GSH) در سلول های تومور با رادیکال های آلکیل واکنش نشان می دهد و در نتیجهکاهش اثر ضد توموری آنها. در این مطالعه، یک سیستم تولید رادیکال آلکیل تقویت شده پاسخگو بهنور مادون قرمز نزدیکطراحی شد. محرک رادیکال آلکیل 2،20 -azobis[2-(2-imidazolin-2-yl) propan]-dihydrochloride (AIPH) و آنزیم پیریت (FeS2) در هیدروژل آگارز کپسوله شدند تا AIPH آماده شود.–FeS2 ( FeS2 )–سیستم هیدروژل (AFH) FeS2 می تواند به عنوان یک عامل فتوترمال برای تبدیل انرژی نور مادون قرمز نزدیک به انرژی گرمایی استفاده شود که منجر به انحلال هیدروژل می شود. AIPH به طور همزمان برای تولید رادیکال های آلکیل القا می شود. FeS2 همچنین می تواند به عنوان یکتقویت کننده استرس اکسیداتیوبرای کاهش محتوای GSH درون سلولی، در نتیجه افزایش اثر درمانی رادیکالهای آلکیل. در نهایت، رادیکالهای آزاد مستقل از اکسیژن تولید شده توسط سیستم AFH تحت تابش لیزر مادون قرمز نزدیک و درمان فتوترمال میتوانندسلول های سرطانی را بکشداز طریق هم افزاییاکسیداسیون/اثر گرمایی سیستم AFH که در اینجا توسعه یافته است بینش جدیدی را در مورد افزایش اثر درمانی رادیکال های آلکیل ارائه می دهد.

اینجا را کلیک کنید تا بدانید چگونه برای ضد سرطان درمان می شود
معرفی
در سالهای اخیر، درمانهای مبتنی بر رادیکالهای آزاد مانند درمان فتودینامیک، درمان بدون دینامیک و درمان الکترودینامیک به انتخابهای رایج برای درمان سرطان سینه تبدیل شدهاند. ۱–۳ محرکهای خارجی (لیزر، اولتراسوند، میدانهای الکتریکی) تولید را افزایش میدهند. گونههای اکسیژن فعال (ROS) که با ایجاد آسیب شدید اکسیداتیو یا اختلال در متابولیسم سلولی مرگ سلولی را القا میکنند. متأسفانه، محیط تومور هیپوکسیک و تکثیر سریع سلولهای تومور، نتایج درمانی چنین درمانهایی را که به تولید ROS متکی هستند، کاهش میدهد، به ویژه در درمان تومورهای جامد. رادیکالهای آلکیل نوع جدیدی از رادیکالهای آزاد هستند که برای کشتن سلولها به تولید اکسیژن وابسته نیستند و نشان داده شده است که در درمان تومورها در محیطهای نرموکسیک و هیپوکسیک مؤثر هستند.11 آلکیل آزاد شده رادیکالها میتوانند با افزایش استرس اکسیداتیو، آپوپتوز سلولهای سرطانی را القا کنند که منجر به آسیب لیپید و DNA سلولی میشود. به عنوان یک آغازگر معمولی رادیکال آزاد، 2،{10}}azobis[2-(2-imidazolin-2-yl)propane]-dihydrochloride (AIPH) میتواند رادیکالهای آلکیل را در دماهای بالا تولید کند. 12 این کار را حتی در غیاب اکسیژن انجام می دهد. رادیکالهای آزاد تولید شده برای سلولها سمی هستند و بلافاصله عناصر سلولی را اکسید میکنند یا با اکسیژن برهمکنش میکنند تا مواد سمی ثانویه تولید کنند. 13 حتی در یک محیط کوچک تومور هیپوکسیک، AIPH میتواند رادیکالهای آلکیل تولید کند تا هیدروپراکسید لیپید داخل سلولی را افزایش دهد و آپوپتوز سلول تومور را بیشتر کند. همه اینها نشان می دهد که Rc یک داروی امیدبخش برای درمان سرطان است.

نور یا گرما به عنوان یک محرک خارجی در درمان فتوترمال مورد استفاده قرار می گیرد. 15-17 فوتوترمال درمانی (PTT) بر اساس تابش لیزر نزدیک مادون قرمز (NIR) برای جلوگیری از تجمع سلول های تومور استفاده شده است. برای از بین بردن تومورها به اثرات حرارتی موضعی متکی است. 18-20 چندین عامل فتوترمال (PTAs) مانند نانوبلورهای طلا و دی سولفید مولیبدن در ترکیب با AIPH برای آزاد کردن رادیکال های آلکیل در پاسخ به تابش لیزر مادون قرمز استفاده می شوند. ریزمحیط تومور (TME) معمولاً دارای سطح بالایی از بیان گلوتاتیون (GSH) در تومورهای جامد است زیرا GSH نقش مهمی در مقاومت در برابر رادیوتراپی از طریق واکنش خود به خود یا واکنش کاتالیزور GSH S ترانسفراز با بیگانه زا ایفا می کند. به عنوان یک عامل کاهنده، GSH می تواند مستقیماً رادیکال های آلکیل را حذف کند. این امر اثربخشی درمان های مبتنی بر رادیکال آلکیل را کاهش می دهد. نانو آنزیم پیریت (FeS2)، به عنوان یک نانو ماده فتوترمال جدید، نه تنها اثر گرمایی خوبی در زیر نور NIR دارد، بلکه فعالیت نانو آنزیمی نیز دارد. GSH به گلوتاتیون اکسید شده (GSSG).28 در TME، کاهش GSH باعث اختلال در تعادل REDOX سلول ها و ایجاد استرس اکسیداتیو می شود.
هیدروژلهای کم تهاجمی واکنشگر نوری اخیراً بهعنوان یک پلتفرم رهاسازی کنترلشده دارو رایج شدهاند. 30-32 هیدروژلها با تزریق به بافت تومور منعقد میشوند و به عنوان انبار طولانیمدت عمل میکنند. تزریق. علاوه بر این، پارامترهایی مانند توان لیزر و زمان تابش را می توان برای تغییر نرخ رهاسازی دارو تغییر داد، بنابراین کاربرد این روش درمانی را گسترش داد. و AIPH به TME کارایی درمان های مبتنی بر رادیکال های آزاد را بهبود می بخشد.
در این مطالعه، روشی با استفاده از تحویل داخل توموری یک هیدروژل تزریقی حاوی آنزیم FeS2 و آغازگر رادیکال آزاد AIPH طراحی شد. ابتدا یک سیستم هیبریدی از هیدروژل AIPH-FeS{{2} (AFH) با بارگذاری نانوذرات FeS2 و AIPH در هیدروژل آگارز تهیه شد. هیدروژل در دمای اتاق جامد است و FeS2 و AIPH درون ماتریکس آن کپسوله شده اند. هنگامی که توسط نور مادون قرمز نزدیک (NIR) تابش می شود، FeS2 انرژی نور NIR را به انرژی گرمایی تبدیل می کند که باعث می شود سیستم AFH گرم شود و سپس هیدروژل ذوب شده و FeS2 و AIPH آزاد می شود. در دماهای بالا، AIPH تجزیه می شود و رادیکال های آلکیل تولید می کند. متعاقباً، آنزیم FeS2 که فعالیت GSH-OXD را تقلید می کند، محتوای GSH داخل سلولی را کاهش می دهد. تخریب GSH باعث افزایش اثر کشنده رادیکال های آلکیل می شود. از آنجایی که AFH می تواند برای مدت طولانی در محل تومور باقی بماند، سیستم AFH می تواند با تغییر شدت لیزر و زمان تابش، کنترل دقیقی بر رهاسازی رادیکال های آلکیل را امکان پذیر کند. در نهایت، رادیکالهای آزاد مستقل از اکسیژن تولید شده توسط سیستم AFH تحت تابش NIR و درمان فتوترمال میتوانند سلولهای سرطانی را از طریق اثر اکسیداسیون/فوتوترمال همافزایی از بین ببرند و رشد تومور در طول چرخه درمان به خوبی ساکن است. به طور خلاصه، سیستم AFH که در اینجا طراحی شده است، اثر درمانی AIPH را با تغییر هموستاز ردوکس (طرح 1) بیشتر تقویت می کند.
نتایج و بحث
برای تهیه هیدروژل مرکب حاوی FeS2 و AIPH از یک هیدروژل آگارز با نقطه ذوب پایین استفاده شد. FeS2 با یک محلول آگارز آبی در دمای 6{18}} C مخلوط شد و سپس با محرک رادیکال آلکیل AIPH بارگذاری شد و به دنبال آن به سرعت تا دمای اتاق خنک شد. بنابراین، ماتریس هیدروژل AFH تشکیل شد. میکروسکوپ الکترونی عبوری برای مشخص کردن مورفولوژی FeS2 استفاده شد (شکل 1A). نانو زیم FeS2 مورفولوژی کره مانند با اندازه ذرات متوسط حدود 148 نانومتر را نشان داد (شکل S1†). طیف جذب UV-vis FeS2 (شکل 1B) نشان داد که FeS2 به شدت در محدوده NIR در 808 نانومتر جذب میشود. این ویژگی FeS2 را به یک PTA خوب تبدیل می کند. عملکرد فتوترمال آنزیم FeS2 در غلظتهای مختلف (0، 25، 50 و 100 میلیگرم در میلیلیتر) با تابش محلول با یک سیستم لیزری 0.5 W cm 2 808 نانومتر مورد مطالعه قرار گرفت (شکل 1C). اثر حرارتی محلول به طور مستقیم با غلظت FeS2 متناسب بود. دمای محلول 100 میلی گرم میلی لیتری 1 FeS2 حدود 17.5 درجه سانتیگراد تنها در 5 دقیقه تابش لیزر افزایش یافت که عملکرد فتوترمال خوب FeS2 را نشان می دهد. میکروسکوپ الکترونی روبشی همچنین نشان داد که هیدروژل AFH دارای یک شبکه پیچیده از ساختار منافذ و توزیع اندازه منافذ است (شکل 1D) که باعث می شود هیدروژل برای بارگذاری دارو برای تحویل مناسب باشد. پایداری فتوترمال نیز یک معیار مهم برای ارزیابی کیفیت یک PTA است. 36 محلول 200 میلیگرم میلیلیتر 1 FeS2 با لیزر NIR 808 نانومتر به مدت 5 دقیقه حرارت داده شد، سپس لیزر خاموش شد و محلول FeS2 خنک شد. به طور طبیعی به دمای اتاق برسد. این فرآیند چندین بار برای ارزیابی پایداری فتوترمال FeS2 تکرار شد (شکل 1E). هیچ تغییر آشکاری در منحنی گرمایش هر چرخه فتوترمال وجود نداشت و تنها یک تفاوت جزئی در دمای پیک بهدستآمده پس از 5 دقیقه تابش مشاهده شد که پایداری فتوترمال FeS2 را تأیید میکرد. آنالیز رئولوژیکی همچنین مدول ذخیره سازی بالایی از هیدروژل تهیه شده را در حالت جامد در دمای اتاق نشان داد (شکل 1F). با افزایش دما، هیدروژل به تدریج منحل شد و مدول ذخیره سازی به تدریج کاهش یافت. سپس، آزمایش انحلال فتوترمال بر روی هیدروژل FeS2 انجام شد. AFH جامد شده (FeS2 موجود در هیدروژل) در یک ظرف شیشه ای حاوی آب دیونیزه قرار داده شد. در دمای اتاق، هیدروژل AFH آماده شده شکل جامد خود را حفظ کرد، اما پس از 10 دقیقه تابش با لیزر 808 نانومتری، هیدروژل تقریباً به طور کامل حل شد و نانو ماده FeS2 آزاد شد و در آب در ظرف شیشه ای حل شد (شکل . 1G). یک تصویرگر مادون قرمز حرارتی نیز افزایش قابل توجه دمای AFH را در طول تابش تایید کرد (شکل 1H). طیف سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) طیف FeS2 پس از واکنش با هیدروژل نشان داد که FeS2 حاوی عناصر Fe و S است (شکل S2†). همانطور که در شکل S3 نشان داده شده است، † محتوای GSH پس از انکوباسیون همزمان FeS2 و GSH به طور قابل توجهی کاهش یافت، منحنی همبستگی مثبت با زمان و غلظت دارد. علاوه بر این، فعالیت شبه POD FeS2 وابسته به اندازه بود. نانوزیمهای با اندازه 150 نانومتر فعالیت بیشتری نسبت به نانوزیمهای با اندازههای 280 و 687 نانومتر نشان دادند (شکل S4†).

بر اساس ویژگی های عملکرد بالا AFH، اثرات ضد توموری آن ارزیابی شد. در ابتدا، کیت رنگآمیزی سلول زنده/مرده یدید فلورسین دی استات/پروپیدیم یدید برای بررسی اثر کشتن هیدروژل AFH تهیهشده همراه با تابش NIR استفاده شد. گروه PBS به علاوه NIR و گروه فقط AFH دارای فلورسانس سبز قوی بودند، در حالی که AIPH به سختی اثر کشنده ای را نشان داد (شکل 2A). ما فقط هیدروژل حاوی FeS2 (FH) را برای تأیید نتایج آزمایشهای نسبی آماده کردیم. هیدروژل تهیه شده حاوی تنها FeS2 (FH) همراه با NIR اثر کشنده متوسطی داشت. قابل ذکر است که تیمار AFH به علاوه NIR بهترین اثر سیتوتوکسیک را داشت.
پروب دی کلروفلورسین دی استات برای تشخیص توانایی AIPH برای تولید ROS استفاده شد. AIPH توانایی ضعیف تری برای القای ROS در غیاب تابش لیزر نشان داد، در حالی که FH بارگذاری شده با FeS2 درجه متوسطی از تولید ROS را پس از تابش NIR نشان داد (شکل 2B). فلورسانس سبز روشن مشاهده شده در گروه درمان AFH به علاوه NIR را می توان به انتشار FeS2 و AIPH پس از تابش لیزر نسبت داد (شکل 2C). علاوه بر این، گروه های AIPH و AIPH به علاوه NIR فلورسانس سبز بسیار کمی را نشان دادند (شکل S5†). سنجش CCK{5}} نیز همین نتایج را نشان داد. زنده ماندن سلولی گروه AFH به علاوه NIR حدود 8.5 درصد بود که به طور قابل توجهی با گروه های دیگر متفاوت بود (شکل 2D). دمای بالا باعث تجزیه AIPH برای تولید رادیکال های آلکیل می شود. در همان زمان، FeS2 می تواند فعالیت GSH-OXD را برای کاهش GSH داخل سلولی اعمال کند. GSH، به عنوان یک تری پپتید حاوی تیول در همه جا، از اسیدهای آمینه تشکیل دهنده آن (گلوتامیک اسید، سیستئین و گلیسین) در بسیاری از سلول ها سنتز می شود. GSH به وفور در انواع مختلف سلول های سرطانی تولید می شود. GSH در سلول ها به طور کلی به شکل کاهش یافته وجود دارد، که می تواند با مواد اکسید کننده مانند گروه های آلکیل واکنش نشان دهد در حالی که به شکل اکسید شده گلوتاتیون دی سولفید (GSSG) اکسید می شود و در نتیجه اثر ضد توموری بر اساس رادیکال های آزاد کاهش می یابد. تعادل ردوکس سلول ها را مختل می کند، باعث استرس اکسیداتیو می شود و در نهایت منجر به آپوپتوز سلولی می شود. گروه NIR ترکیبی AFH بهترین توانایی کاهش GSH را نشان داد (شکل 2E).

طرح 1 هیدروژل نانوزیمی برای تولید رادیکال آلکیل تقویت شده و درمان قوی ضد تومور

شکل 1 (A) تصویر TEM از FeS2. (ب) طیف جذب UV-Vis-NIR محلول FeS2. (C) منحنیهای گرمایش برای غلظتهای مختلف محلولهای نانوذرات FeS2 بر اثر تابش لیزر در 8{7}}8 نانومتر (0.5 وات سانتیمتر مربع) به مدت 5 دقیقه. (د) تصویر SEM از هیدروژل. (E) تغییر دمای محلول FeS2 تحت تابش لیزر حلقوی. (F) منحنیهای رئولوژیکی و دما (به ترتیب قرمز و سیاه) برای AFH تهیهشده در پاسخ به تابش لیزری 0.5 وات سانتیمتر 2 808 نانومتر. (G) مورفولوژی AFH آماده شده قبل و بعد از تابش لیزر 0.5 W cm 2 808 نانومتر به مدت 10 دقیقه و (H) تصاویر حرارتی مادون قرمز از AFH تهیه شده پس از تابش.

با توجه به عملکرد خوب آن در شرایط آزمایشگاهی به عنوان یک آنزیم تقلید کننده PTA و GSH OXD، اثر AFH بر تبدیل نور به گرما NIR در داخل بدن مورد مطالعه قرار گرفت. به موشهای BALB/c سلولهای 4T1 برای تشکیل تومور به صورت زیر جلدی تزریق شد. شکل 3A منحنی تغییر دما گروه PBS و گروه AFH را پس از تابش لیزر 8 نانومتری NIR 0.5 W cm2 به مدت 10 دقیقه نشان می دهد. دمای گروه AFH پس از تابش حدود 17.6 درجه سانتیگراد افزایش یافت، در حالی که دمای گروه PBS به سختی افزایش یافت. دمای بالا می تواند رطوبت غشای سلولی تومور را تغییر دهد، در نتیجه نفوذپذیری غشای سلولی را افزایش می دهد، که به نوبه خود باعث آسیب حرارتی به پروتئین ها می شود. در نهایت، سلول های سرطانی توانایی تکثیر را از دست می دهند. در مرحله بعد، فعالیت ضد توموری با واسطه AFH در موش های حامل تومور 4T1 مورد بررسی قرار گرفت. موش های حامل تومور به طور تصادفی به 5 گروه تقسیم شدند. حجم تومور موشها در گروه PBS به علاوه NIR و گروه AIPH به سرعت در طول دوره درمان دو هفتهای افزایش یافت و گروه AFH یک اثر سرکوبکننده تومور خفیف را نشان داد (شکل 3C). این به این دلیل بود که آگاروز به آرامی متابولیزه شد و برخی داروها به آرامی آزاد شدند. گروه AFH به علاوه NIR قوی ترین اثر را بر رشد تومور داشت. در طول درمان، حجم تومور موش ها به طور قابل توجهی سرکوب شد. پس از دوره درمان، موشها قربانی شدند و تومورها جدا و وزن شدند. نتایج برای وزن تومور با نتایج مربوط به حجم تومور مطابقت داشت (شکل 3D).

نکته مهم این است که در طول کل مطالعه، هیچ تغییری در وزن بدن در گروه درمان مشاهده نشد، که نشان میدهد درمان هیچ سمیت سیستمیک قابلتوجهی برای موشها ایجاد نکرده است (شکل S6†). این نتیجه بسیار دلگرم کننده است زیرا اگرچه بسیاری از مواد نتایج تجربی خوبی را نشان داده اند، اما عوارض جانبی جدی نیز ایجاد می کنند که به طور جدی چشم انداز بالینی آنها را مختل می کند. تولید ROS توموری در موش های تحت درمان رنگ آمیزی در تومورهای تحت درمان ترکیبی AFH به علاوه NIR به طور قابل توجهی افزایش یافت (شکل 3E). افزایش تولید رادیکال های آزاد منجر به افزایش اثر درمانی در مدل حیوانی شد. از آنالیزهای رنگ آمیزی TUNEL و Ki{6}} برای تأیید آپوپتوز و تکثیر سلولی استفاده شد (شکل 3E). بافت های توموری در گروه AFH به علاوه NIR به طور گسترده بدون تکثیر قابل توجه نکروزه بودند.


شکل 3 (الف) تصاویر حرارتی مادون قرمز از تومورها پس از تابش با لیزر 8{2}}8 نانومتری (0.5 وات سانتیمتر مربع) به مدت 10 دقیقه در گروههای درمانی مشخصشده. (ب) افزایش دما در موشهای کاشتهشده با تومورهای 4T1 به دنبال تابش لیزر 8 نانومتری (0.5 وات سانتیمتر مربع) به مدت 10 دقیقه در گروههای درمانی مشخصشده. (C) حجم تومور در طول زمان در گروههایی که طبق نشان داده شده درمان میشوند، تغییر میکند. (د) مقادیر میانگین وزن تومور مرتبط با درمان های نشان داده شده. (E) ROS، Ki{13}}، و TUNEL بخشهای تومور را از گروههای درمانی نشاندادهشده رنگآمیزی کردند. **P <0.01، ***P <0.005; آزمون تی دانشجویی.
پس از درمان، اندام های حیاتی (قلب، کبد، طحال، ریه و کلیه) هیچ گونه التهاب یا آسیبی نداشتند. شاخص های کبد و کلیه نرمال بود (شکل 4A-D و S7†). داده های تجربی جامع in vivo نشان می دهد که درمان هم افزایی AFH و PTT اثرات درمانی و زیست سازگاری خوبی دارد. چشم انداز خوبی برای کاربردهای پزشکی بالینی در آینده دارد.

شکل 4 نتیجه آزمایش های ایمنی در داخل بدن. داده های بیوشیمی خون از جمله نشانگرهای عملکرد کلیه: (الف) نشانگرهای عملکرد کبد: CRE، (B) BUN و (C) ALT پس از درمان های مختلف. (د) نتایج تجزیه و تحلیل هیستوپاتولوژیک (تصاویر رنگ آمیزی شده با H&E) اندام های اصلی، قلب، ریه، کبد، کلیه ها و طحال، موش هایی که 16 روز پس از تزریق در معرض درمان های مختلف قرار گرفتند. میله های مقیاس: 100 میلی متر.
نتیجه
ما یک هیدروژل واکنشپذیر به عکس تزریقی طراحی کردیم که میتواند به طور همزمان به درمان رادیکال آزاد و PTT با کپسوله کردن آنزیم FeS2 و منبع رادیکال آلکیل AIPH در هیدروژل آگارز دست یابد. تحت تابش لیزر 808 نانومتر، PTA FeS2 باعث گرم شدن سیستم AFH می شود و منجر به آزاد شدن AIPH و تجزیه آن برای تولید رادیکال های آلکیل می شود. در همان زمان، FeS2 می تواند محتوای GSH درون سلولی را کاهش دهد، در نتیجه هموستاز ردوکس را بیشتر از بین می برد. سرعت انحلال هیدروژل را می توان با پارامترهایی مانند چگالی توان لیزر و اندازه نقطه تغییر داد. هم مطالعات in vivo و هم in vitro نشان داده اند که ترکیب AFH با تابش NIR می تواند به اثرات قوی کشنده تومور با اثرات جانبی ناچیز دست یابد. سیستم هیدروژل طراحی شده در این مطالعه یک استراتژی برای تقویت سیستم های درمانی مبتنی بر رادیکال های آلکیل ارائه می دهد.
منابع
1 D. Zhu، J. Zhang، G. Luo، Y. Duo و BZ Tang،Adv. علمی, 2021, e2004769.
2 C. Huang، S. Ding، W. Jiang و F.-B. وانگ،مقیاس نانو, 2021, 13, 4512–4518.
3 J. Wu، Y. Qu، K. Shi، B. Chu، Y. Jia، X. Xiao، Q. He و Z. Qian،چانه. شیمی. Lett., 2018, 29, 1819–1823.
4 S. Ning، Y. Zheng، K. Qiao، G. Li، Q. Bai و S. Xu،J. Nanobiotechnol., 2021, 19, 344.
5 D. Zhu، T. Zhang، Y. Li، C. Huang، M. Suo، L. Xia، Y. Xu، G. Li و BZ Tang،بیومواد, 2022, 283, 121462.
6 D. Zhu، R. Ling، H. Chen، M. Lyu، H. Qian، K. Wu، G. Li و X. Wang،نانو رس.، 2022، DOI:10.1007/s12274-022-4359-6.
7 D. Zhu، M. Lyu، W. Jiang، M. Suo، Q. Huang و K. Li،جی. ماتر. شیمی. ب, 2020,
8, 5312–5319. 8 H. Ranji-Burachaloo, PA Gurr, DE Dunstan and GG Qiao,نانو ACS, 2018, 12, 11819–11837.
9 D. Zhu، Z. Liu، Y. Li، Q. Huang، L. Xia و K. Li،بیومواد, 2021, 274, 120894.
10 X. Li، R. Luo، X. Liang، Q. Wu و C. Gong،چانه. شیمی. Lett.2021، DOI:10.1016٪2fj.cclet.2021.11.048.






