توليف Aptamer-PEI-g-PEG الجسيمات النانوية الذهبية المعدلة المحملة بدوكسوروبيسين لتسليم الأدوية المستهدفة
Summary
في هذا البروتوكول، يتم تصنيع الجسيمات النانوية الذهبية المعدلة AS1411-g-PEI-g-PEG المحملة بالدوكسوروبيسين عبر ردود فعل وسطية من ثلاث خطوات. ثم، يتم تحميل الدوكسوروبيسين وتسليمها لاستهداف الخلايا السرطانية لعلاج السرطان.
Abstract
بسبب مقاومة الأدوية والسمية في الخلايا السليمة ، كان استخدام الدوكسوروبيسين (DOX) محدودا في علاج السرطان السريري. يصف هذا البروتوكول تصميم بولي (إيثيلينمين) المطعمة بالبولي إيثيلين غليكول (PEI-g-PEG) الجسيمات النانوية الذهبية الوظيفية (AuNPs) مع aptamer محملة (AS1411) و DOX من خلال ردود الفعل وسط. AS1411 هو المستعبدين على وجه التحديد مع مستقبلات النيوكليولين المستهدفة على الخلايا السرطانية بحيث DOX يستهدف الخلايا السرطانية بدلا من الخلايا السليمة. أولا ، يتم ترقيع PEG ، ثم تطعيمه إلى جزيرة الأمير إدوارد المتفرعة للحصول على COPOlymer PEI-g-PEG ، والذي يتم تأكيده من خلال تحليل 1H NMR. بعد ذلك ، يتم تصنيع الجسيمات النانوية الذهبية المغلفة من PEI-g-PEG (PEI-g-PEG@AuNPs) ، ويتم ربط DOX و AS1411 بشكل متناقض ب AuNPs تدريجيا عبر ردود الفعل المتوسطة. يبلغ قطر AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs حوالي 39.9 نانومتر، مع إمكانية زيتا تبلغ -29.3 mV، مما يشير إلى أن الجسيمات النانوية مستقرة في الماء والخلايا المتوسطة. تظهر فحوصات السمية الخلوية أن DOX المصمم حديثا محملة AuNPs قادرة على قتل الخلايا السرطانية (A549). يوضح هذا التجميع الترتيب الدقيق ل COPOlymers PEI-g-PEG و aptamers و DOX على AuNPs التي تتحقق من خلال ردود الفعل المتتالية. توفر هذه البرامج الوطنية للرعاية الوظيفية aptamer-PEI-g-PEG منصة واعدة لتوصيل الأدوية المستهدفة في علاج السرطان.
Introduction
كونها مشكلة الصحة العامة الرئيسية في جميع أنحاء العالم، ويتميز السرطان على نطاق واسع بأنها لديها معدل علاج منخفض، وارتفاع معدل تكرار، وارتفاع معدل الوفيات1،2. وتشمل الطرق التقليدية الحالية لمكافحة السرطان الجراحة والعلاج الكيميائي والعلاج الإشعاعي3، من بينها العلاج الكيميائي هو العلاج الأساسي لمرضى السرطان في العيادة4. الأدوية المضادة للانسان المستخدمة السريرية تشمل أساسا باكليتاكسيل (PTX)5 ودوكسوروبيسين (DOX)6،7. DOX، دواء antineoplastic، وقد تم تطبيقها على نطاق واسع في العلاج الكيميائي السريري، وذلك بسبب مزايا السمية الخلوية السرطان وتثبيط انتشار الخلايا السرطانية8،9. ومع ذلك، DOX يسبب السمية القلبية10،11، وقصيرة نصف عمر DOX يقيد تطبيقه في العيادة12. ولذلك، هناك حاجة إلى ناقلات المخدرات القابلة للتحلل لتحميل DOX وإطلاقها دون المستوى بطريقة خاضعة للرقابة إلى منطقة مستهدفة.
وقد استخدمت الجسيمات النانوية على نطاق واسع في نظم تسليم الأدوية المستهدفة ولها عدة مزايا في علاج السرطان (أي نسبة كبيرة من السطح إلى الحجم، والحجم الصغير، والقدرة على تغليف الأدوية المختلفة، والكيمياء السطحية غير القادرة، وما إلى ذلك) 13،14،15. على وجه الخصوص، وقد استخدمت الجسيمات النانوية الذهب (AuNPs) على نطاق واسع في التطبيقات البيولوجية والطب الحيوي، مثل العلاج بالسرطان الحراري الضوئي16،17. خصائص فريدة من نوعها من AuNPs، مثل توليف سهل والوظيفية السطحية العامة، لديها آفاق ممتازة في المجال السريري لعلاج السرطان18. أيضا، وقد استخدمت AuNPs لتحديد استراتيجيات تسليم الأدوية، وتشخيص الأورام، والتغلب على المقاومة في العديد من الدراسات19،20.
وعلى الرغم من ذلك، تحتاج برامج تحديد الاحتياجات إلى مزيد من التهيئة للتغلب على مقاومة الأدوية عن طريق إطلاق سراح محلي مرتفع في آفات الأورام من خلال تعزيز النفاذ والاستبقاء، مثل خصائص الاستهداف وإمكانية الوصول. البوليمر وظيفية AuNPs أظهرت مزايا فريدة من نوعها، مثل تحسين الذوبان المياه من الأدوية المضادة للماء وتداول لفترة طويلة21،22. وقد استخدمت البوليمرات المتوافقة بيولوجيا مختلفة لطلاء AuNP، مثل جليكول البولي ايثيلين (PEG)، البولي ايثيلينيمين (PEI)، حمض الهيالورونيكس، الهيبارين، واللثة زانثان. ثم يتم تحسين الاستقرار، فضلا عن الحمولة، من AuNPs بشكل جيد23. على وجه التحديد، PEI هو البوليمر المتفرعة للغاية التي تتكون من العديد من الوحدات المتكررة من الأمينات الابتدائية والثانوية والثالثة24. جزيرة الأمير إدوارد لديها الذوبان ممتازة، وانخفاض اللزوجة، ودرجة عالية من الوظائف، والتي هي مناسبة للطلاء على AuNPs.
من ناحية أخرى، تحتاج الأدوية المضادة للسرطان إلى تسليمها إلى الخلايا السرطانية مباشرة مع تحسين كفاءة التحميل، ومع انخفاض سمية لعلاج الأورام النقيلية الأولية والمتقدمة25. ligands المستهدفة لديها إمكانات كبيرة لمكافحة السرطان المخدرات المستهدفة نظم التسليم26. انتقائيتها لربط جزيء الهدف يمنح الأدوية المضادة للسرطان استهداف خصوصية ويزيد من إثراء المخدرات في الأنسجة المريضة27. المزيد من الليغند تشمل الأجسام المضادة، والبوليبيدات، والجزيئات الصغيرة. بالمقارنة مع غيرها من ليغاندس، يمكن توليفها aptamers حمض النوى في المختبر وسهلة التعديل. AS1411 هو غير معدلة 26 bp phosphodiester oligonucleotide التي تشكل مستقرة ثنائية الديمير G-tetramer هيكل لربط على وجه التحديد إلى مستقبلات البروتين النووي الهدف مفرط التعبير على الخلايا السرطانية28,29,30. AS1411 يمنع انتشار العديد من الخلايا السرطانية ولكن لا يؤثر على نمو الخلايا السليمة31,32. ونتيجة لذلك، تم استخدام AS1411 لتصنيع نظام مثالي لتسليم الأدوية المستهدفة.
في هذه الدراسة، يتم تصنيع كوبوليمر PEI-g-PEG عن طريق رد فعل وسطي، ثم يتم تصنيع الجسيمات النانوية الذهبية المغلفة من PEI-g-PEG (PEI-g-PEG@AuNPs). بالإضافة إلى ذلك، ترتبط DOX و AS1411 بشكل تسلسلي بجزيرة الأمير إدوارد-g-PEG@AuNPs المعدة، كما هو موضح في الشكل 1. يهدف هذا البروتوكول المفصل إلى مساعدة الباحثين على تجنب العديد من المزالق الشائعة المرتبطة باختلاق PEG@AuNPs PEI-g-PEG@AuNPs الجديدة المحملة ب DOX و AS1411.
Protocol
Representative Results
Discussion
1H NMR الطيف (الشكل 2) تأكيد التوليف الناجح للكزوليمر CT-PEG و PEI-g-PEG copolymer. وكانت الأوزان الجزيئية ل PEG و PEI 1000 و 1200 على التوالي. بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام نظام تحفيز EDC / NHS لتجميع PEI-g-PEG copolymer عبر ردود الفعل. وتجدر الإشارة إلى أنه إذا تغيرت الأوزان الجزيئية ل PEG و PEI لتوليف PEI-g-PE…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذا البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (31700840)؛ مشروع البحث العلمي الرئيسي لمقاطعة خنان (18B430013, 18A150049). وقد تم دعم هذا البحث من قبل برنامج علماء نانهو للعلماء الشباب من XYNU. ويود المؤلفون أن يشكروا طالب البكالوريوس زيبو كو من كلية علوم الحياة في XYNU على أعماله المفيدة. ويود المؤلفون أن يعترفوا بمركز التحليل والاختبار في XYNU لاستخدام معداتهم.
Materials
| 4-Dimethylaminopyridine | Macklin | D807273 | |
| A549 cell | ATCC CCL-185TM | ||
| AS1411 | BBI Life Sciences Corporation | 5'-d (TTTGGTGGTGGTGGTTGTGGTGGTGGTGG) FL-AS1411 (fluorophore-labeled AS1411) | |
| Anhydrous Tetrahydrofuran (THF) | SinoPharm Chemical Reagent Co., Ltd | ||
| Cell counting kit-8 (CCK-8) | Sigma Aldrich | 96992-500TESTS-F | |
| Dichloromethane | Traditional Chinese medicine | 80047318 | |
| Diethyl ether (Et2O) | SinoPharm Chemical Reagent Co., Ltd | ||
| Dimethyl sulfoxide | Macklin | D806645 | |
| Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) | Sigma Aldrich | ||
| Doxorubicin hydrochloride | Rhawn | R017518 | |
| Ether absolute | Traditional Chinese medicine | 80059618 | |
| Field Emission Transmission Electron Microscope | FEI Company | Tecnai G2 F 20 | |
| Gold(III) chloride trihydrate | Rhawn | R016035 | |
| Laser Particle-size Instrument | Malvern Instruments Ltd | ZetasizerNanoZS/Masterszer3000E | |
| Microplate Reader | Molecular Devices | SpectraMax 190 | |
| N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride | Macklin | N808856 | |
| N-Hydroxysuccinimide | Macklin | H6231 | |
| NMR software | Delta 5.2.1 | ||
| Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer | JEOL | JNM-ECZ600R/S3 | |
| Origin 8.5 | OriginLab | ||
| Penicillin | Sigma Aldrich | V900929-100ML | |
| Phosphate-buffered saline | Sigma Aldrich | P4417-100TAB | |
| Poly(ethylene glycol) | Sigma Aldrich | 81188 | BioUltra, average Mn ~ 1000 |
| Poly (ethyleneimine) solution | Sigma Aldrich | 482595 | average Mn ~ 1200, 50 wt.% in H2O |
| Sodium borohydride, powder | Acros | C18930 | |
| Streptomycin | Sigma Aldrich | 85886-10ML | |
| Succinic anhydride | Traditional Chinese medicine | 30171826 | |
| Tetrahydrofuran | Traditional Chinese medicine | 40058161 | |
| Triethylamine | Traditional Chinese medicine | 80134318 | |
| UV/VIS/NIR Spectrometer | Lambda950 | Lambda950 | |
| X-ray Photoelectron Spectrometer | Thermo Fisher Scientific | K-ALPHA 0.5EV |
References
- Abad, J. M., Bravo, I., Pariente, F., Lorenzo, E. Multi-tasking base ligand: a new concept of AuNPs synthesis. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 408 (9), 2329-2338 (2016).
- Siegel, R. L., Miller, K. D., Jemal, A. Cancer statistics, 2019. CA-A Cancer Journal for Clinicians. 69 (1), 7-34 (2019).
- Jang, B., Kwon, H., Katila, P., Lee, S. J., Lee, H. Dual delivery of biological therapeutics for multimodal and synergistic cancer therapies. Advanced Drug Delivery Reviews. 98, 113-133 (2016).
- Gansler, T., et al. Sixty years of CA: a cancer journal for clinicians. CA-A Cancer Journal for Clinicians. 60 (6), 345-350 (2010).
- Li, J., et al. Molecular Mechanism for Selective Cytotoxicity towards Cancer Cells of Diselenide-Containing Paclitaxel Nanoparticles. International Journal of Biological Sciences. 15 (8), 1755-1770 (2019).
- Zhao, D., et al. Precise ratiometric loading of PTX and DOX based on redox-sensitive mixed micelles for cancer therapy. Colloids Surfaces B: Biointerfaces. 155, 51-60 (2017).
- Blum, R. H., Carter, S. K. Adriamycin. A new anticancer drug with significant clinical activity. Annals of Internal Medicine. 80 (2), 249-259 (1974).
- de Lima, R. D. N., et al. Low-level laser therapy alleviates the deleterious effect of doxorubicin on rat adipose tissue-derived mesenchymal stem cells. Journal of Photochemistry Photobiology B. 196, 111512 (2019).
- Markowska, A., Kaysiewicz, J., Markowska, J., Huczynski, A. Doxycycline, salinomycin, monensin and ivermectin repositioned as cancer drugs. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 29 (13), 1549-1554 (2019).
- Songbo, M., et al. Oxidative stress injury in doxorubicin-induced cardiotoxicity. Toxicology Letters. 307, 41-48 (2019).
- Ewer, M. S., Ewer, S. M. Cardiotoxicity of anticancer treatments. Nature Reviews Cardiology. 12 (9), 547-558 (2015).
- Gabizon, A., Shmeeda, H., Barenholz, Y. Pharmacokinetics of pegylated liposomal Doxorubicin: review of animal and human studies. Clinical Pharmacokinetics. 42 (5), 419-436 (2003).
- Xu, X., Ho, W., Zhang, X., Bertrand, N., Farokhzad, O. Cancer nanomedicine: from targeted delivery to combination therapy. Trends in Molecular Medicine. 21 (4), 223-232 (2015).
- Feng, S., Nie, L., Zou, P., Suo, J. Effects of drug and polymer molecular weight on drug release from PLGA-mPEG microspheres. Journal of Applied Polymer Science. 132 (6), 41431 (2015).
- Chen, D., et al. Injectable Temperature-sensitive Hydrogel with VEGF Loaded Microspheres for Vascularization and Bone Regeneration of Femoral Head Necrosis. Materials Letters. 229, 138-141 (2018).
- Abadeer, N. S., Murphy, C. J. Recent Progress in Cancer Thermal Therapy Using Gold Nanoparticles. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (9), 4691-4716 (2016).
- Riley, R. S., Day, E. S. Gold nanoparticle-mediated photothermal therapy: applications and opportunities for multimodal cancer treatment. WIREs Nanomedicine and Nanobiotechnology. 9 (4), 1449 (2017).
- Fratoddi, I., et al. Highly Hydrophilic Gold Nanoparticles as Carrier for Anticancer Copper(I) Complexes: Loading and Release Studies for Biomedical Applications. Nanomaterials (Basel). 9 (5), 772 (2019).
- Lee, S. M., et al. Drug-loaded gold plasmonic nanoparticles for treatment of multidrug resistance in cancer. Biomaterials. 35 (7), 2272-2282 (2014).
- Dreaden, E. C., Alkilany, A. M., Huang, X., Murphy, C. J., El-Sayed, M. A. The golden age: gold nanoparticles for biomedicine. Chemical Society Reviews. 41 (7), 2740-2779 (2012).
- Wei, T., et al. Anticancer drug nanomicelles formed by self-assembling amphiphilic dendrimer to combat cancer drug resistance. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (10), 2978-2983 (2015).
- Galluzzi, L., Buque, A., Kepp, O., Zitvogel, L., Kroemer, G. Immunological Effects of Conventional Chemotherapy and Targeted Anticancer Agents. Cancer Cell. 28 (6), 690-714 (2015).
- Muddineti, O. S., Ghosh, B., Biswas, S. Current trends in using polymer coated gold nanoparticles for cancer therapy. International Journal of Pharmaceutics. 484 (1-2), 252-267 (2015).
- Hu, W., et al. Methyl Orange removal by a novel PEI-AuNPs-hemin nanocomposite. Journal of Environmental Sciences. 53, 278-283 (2017).
- Gu, F. X., et al. Targeted nanoparticles for cancer therapy. Nano Today. 2 (3), 14-21 (2007).
- Srinivasarao, M., Galliford, C. V., Low, P. S. Principles in the design of ligand-targeted cancer therapeutics and imaging agents. Nature Reviews Drug Discovery. 14 (3), 203-219 (2015).
- Liu, Z., Shi, Y., Chen, Z., Duan, L., Wang, X. Current progress towards the use of aptamers in targeted cancer therapy. Chinese Science Bulletin (Chinese Version). 59 (14), 1267 (2014).
- Ghosh, P., Han, G., De, M., Kim, C. K., Rotello, V. M. Gold nanoparticles in delivery applications. Advanced Drug Delivery Reviews. 60 (11), 1307-1315 (2008).
- Vandghanooni, S., Eskandani, M., Barar, J., Omidi, Y. Antisense LNA-loaded nanoparticles of star-shaped glucose-core PCL-PEG copolymer for enhanced inhibition of oncomiR-214 and nucleolin-mediated therapy of cisplatin-resistant ovarian cancer cells. International Journal of Pharmaceutics. 573, 118729 (2020).
- Andghanooni, S., Eskandani, M., Barar, J., Omidi, Y. AS1411 aptamer-decorated cisplatin-loaded poly(lactic-co-glycolic acid) nanoparticles for targeted therapy of miR-21-inhibited ovarian cancer cells. Nanomedicine. 13 (21), 2729-2758 (2018).
- Palmieri, D., et al. Human anti-nucleolin recombinant immunoagent for cancer therapy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (30), 9418-9423 (2015).
- Pichiorri, F., et al. In vivo NCL targeting affects breast cancer aggressiveness through miRNA regulation. Journal of Experimental Medicine. 210 (5), 951-968 (2013).
- Hou, S., McCauley, L. K., Ma, P. X. Synthesis and erosion properties of PEG-containing polyanhydrides. Macromolecular Bioscience. 7 (5), 620-628 (2007).
- Nie, L., et al. Injectable Vaginal Hydrogels as a Multi-Drug Carrier for Contraception. Applied Sciences. 9 (8), 1638 (2019).
- Zou, P., Suo, J., Nie, L., Feng, S. Temperature-responsive biodegradable star-shaped block copolymers for vaginal gels. Journal of Materials Chemistry. 22 (13), 6316-6326 (2012).
- Etrych, T., Šubr, V., Laga, R., Říhová, B., Ulbrich, K. Polymer conjugates of doxorubicin bound through an amide and hydrazone bond: Impact of the carrier structure onto synergistic action in the treatment of solid tumours. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 58, 1-12 (2014).
- Safari, F., Tamaddon, A. M., Zarghami, N., Abolmali, S., Akbarzadeh, A. Polyelectrolyte complexes of hTERT siRNA and polyethyleneimine: Effect of degree of PEG grafting on biological and cellular activity. Artificial Cells, Nanomedicine, and Biotechnology. 44 (6), 1561-1568 (2016).
