Nanozyme Hydrogel pou amelyore jenerasyon radikal alkil ak pisan terapi anti-tumeur†

Radikal alkil (Rc), ki pa konte sou jenerasyon oksijèn pou sa ki lakòzestrès selilè, yo te aplike nantretman timè, men yon gwo kantite glutatyon (GSH) nan selil timè yo reyaji ak radikal alkil, kidonkdiminye efè antitumoral yo. Nan etid sa a, yon sistèm jenerasyon radikal alkyl amelyore reponn atou pre-enfrawouj limyète fèt. Alkyl radikal deklanche 2,20 -azobis [2-({2-imidazolin-2-il) propan]-dihydrochloride (AIPH) ak anzim pirit (FeS2) yo te ankapsule nan idwojèl agarose pou prepare AIPH la.–FeS2–sistèm idwojèl (AFH). FeS2 ka itilize kòm yon ajan photothermal pou konvèti enèji limyè tou pre-enfrawouj nan enèji chalè, ki mennen ale nan yap divòse nan idrogel la. AIPH pwovoke ansanm pou pwodui radikal alkil. FeS2 kapab tou itilize kòm yonanplifikatè estrès oksidatifdiminye kontni GSH intraselilè, kidonk ranfòse efè ki ka geri nan radikal alkil. Evantyèlman, radikal gratis oksijèn endepandan ki te pwodwi pa sistèm AFH la anba iradyasyon lazè tou pre-enfrawouj ak tretman fototèmik katouye selil kansè yoatravè sinèrjik laoksidasyon/ efè photothermal. Sistèm AFH ki devlope la a bay nouvo enfòmasyon sou amelyore efè ki ka geri radikal alkil yo.

KLIKE LA POU KONNEN KIJAN CISTANCHE POU ANTI-KANSÈ

Entwodiksyon

Nan dènye ane yo, tretman ki baze sou radikal gratis tankou terapi fotodinamik, kidonk terapi pa dinamik, ak terapi elektwodinamik yo te vin chwa popilè pou tretman kansè nan tete.1-3 Stimuls ekstèn (lazè, ultrason, jaden elektrik) ankouraje pwodiksyon an. nan espès oksijèn reyaktif (ROS) ki pwovoke lanmò selil lè yo lakòz gwo domaj oksidatif oswa malfonksyònman metabolis selilè.4–6 Malerezman, anviwònman timè ipoksik la ak pwopagasyon rapid selil timè diminye rezilta terapetik tretman sa yo ki depann sou pwodiksyon ROS, espesyalman nan tretman timè solid yo.7–10 Radikal alkil yo se yon nouvo kalite radikal gratis ki pa depann de jenerasyon oksijèn pou touye selil yo epi yo montre yo efikas nan tretman timè nan anviwonman normoksik ak ipoksik.11 Alkyl ki libere radikal yo ka pwovoke apoptoz nan selil kansè yo lè yo ogmante estrès oksidatif, ki mennen nan lipid selilè ak domaj ADN. Kòm yon inisyatè radikal lib tipik, 2,20 -azobis[2-({2-imidazolin{-2-il)propan]-dihydrochloride (AIPH) ka jenere radikal alkil nan tanperati ki wo. 12 Li fè sa menm lè pa gen oksijèn. Radikal gratis ki pwodui yo toksik pou selil yo epi yo pral imedyatman oksidasyon eleman selilè yo oswa kominike avèk oksijèn pou pwodui sibstans toksik segondè yo.13 Menm nan yon mikwo-anviwònman timè ipoksik, AIPH ka pwodui radikal alkil pou ogmante idroperoksid lipid intraselilè ak plis deklanche apoptoz selil timè.14 Tout sa yo endike ke Rc se yon dwòg pwomèt tretman kansè.

Yo itilize limyè oswa chalè kòm yon estimilis ekstèn nan terapi fototèmal.15–17 Terapi fototèmal (PTT) ki baze sou iradyasyon lazè tou pre-enfrawouj (NIR) yo te itilize pou anpeche agrégation selil timè; li depann de efè tèmik lokal pou retire timè yo.18–20 Plizyè ajan fototèmik (PTA) tankou nanokristal lò ak disulfid molybdène yo itilize ansanm ak AIPH pou libere radikal alkil an repons a iradyasyon lazè enfrawouj.19,21–23 Sepandan. , Microenvironment timè a (TME) anjeneral gen yon wo nivo ekspresyon glutatyon (GSH) nan timè solid paske GSH jwe yon wòl enpòtan nan reziste radyoterapi atravè yon reyaksyon espontane oswa yon GSH S transferase katalize reyaksyon ak xenogenic.24,25 Anplis de sa, kòm yon ajan diminye, GSH ka dirèkteman retire radikal alkyl.21,26 Sa a diminye efikasite nan terapi ki baze sou alkyl radikal. Pirit (FeS2) nano-anzim, kòm yon roman nanomateryèl fototèmik, pa sèlman gen yon bon efè fototèmik anba limyè NIR, men tou li gen yon aktivite nano-anzim.27 FeS2 nanase a te demontre aktivite ki sanble ak glutatyon oksidaz (GSH OXD), oksidasyon GSH nan glutatyon oksidize (GSSG).28 Nan TME a, yo te jwenn rediksyon GSH pou deranje balans REDOX selil yo ak lakòz estrès oksidatif.29 Se poutèt sa, FeS2 espere reyalize yon bon efè sinèrji ak AIPH.

Dènyèman, idwojèl fotoresponsif ki pa anvayisan yo te vin popilè kòm yon platfòm lage dwòg kontwole.30–32 Idwojèl koagulasyon pandan yo enjekte yo nan tisi timè yo epi sèvi kòm yon depo alontèm.33 Fòm administrasyon aktualite sa a ka repete apre yon sèl. piki. Anplis de sa, paramèt tankou pouvwa lazè ak tan iradyasyon yo ka modifye pou chanje pousantaj lage dwòg la, konsa pwolonje aplikasyon metòd tretman sa a.34,35 Bay avantaj sa yo, li te ipotèz ke itilizasyon idwojèl pou delivre FeS2. ak AIPH nan TME a ta amelyore efikasite nan terapi ki baze sou radikal gratis.

Nan etid sa a, yo te fèt yon metòd ki sèvi ak livrezon intratumoral nan yon idwojèl injectable ki gen anzim FeS2 ak inisyatè radikal gratis AIPH la. Premyèman, yo te prepare yon sistèm ibrid AIPH-FeS2-idwojèl (AFH) lè yo chaje nanopartikil FeS2 ak AIPH nan idwojèl agarose. Idwojèl la solid nan tanperati chanm, epi FeS2 ak AIPH yo ankapsule nan matris li yo. Yon fwa iradyasyon pa limyè tou pre-enfrawouj (NIR), FeS2 konvèti enèji limyè NIR nan enèji chalè, ki lakòz sistèm AFH a chofe, ak Lè sa a, idwojèl la fonn epi degaje FeS2 ak AIPH. Nan tanperati ki wo, AIPH dekonpoze pou pwodui radikal alkil. Imedyatman, FeS2 anzim, ki imite aktivite GSH-OXD, diminye kontni GSH entraselilè a. Destriksyon GSH pral ankouraje efè touye radikal alkil yo. Paske AFH ka abite nan sit timè a pou yon tan long, sistèm AFH a ka pèmèt kontwòl egzak sou liberasyon radikal alkyl pa chanje entansite lazè a ak tan radyasyon. Finalman, radikal gratis oksijèn endepandan ki te pwodwi pa sistèm AFH a anba iradyasyon NIR ak tretman pho-tothermal ka sinèrjetik touye selil kansè yo atravè efè oksidasyon/photothermal sinèrjetik, ak kwasans timè pandan sik tretman an byen rete. Nan ti bout tan, sistèm nan AFH ki fèt isit la plis anplifye efè a terapetik nan AIPH pa chanje omeyostaz la redox (Scheme 1).

Rezilta ak diskisyon

Yo te itilize yon idwojèl agaroz ki ba-pwen k ap fonn pou prepare yon idwojèl konpoze ki gen FeS2 ak AIPH. FeS2 te melanje ak yon solisyon akeuz agaroz nan 60 C epi answit chaje ak deklanche radikal alkil AIPH, ki te swiv pa rapidman refwadi nan tanperati chanm. Kidonk, matris idwojèl AFH te fòme. Yo te itilize mikwoskopi elektwonik transmisyon pou karakterize mòfoloji FeS2 (figi 1A). FeS2 nano zyme a te montre mòfoloji ki tankou esfè ak yon gwosè patikil mwayèn apeprè 148 nm (Fig. S1†). Spectre absòpsyon UV-vis FeS2 (figi 1B) te montre ke FeS2 te absòbe fòtman nan seri NIR nan 8 08 nm. Pwopriyete sa a fè FeS2 yon bon PTA. Pèfòmans fotothermal FeS2 anzim nan diferan konsantrasyon (0, 25, 50, ak 100 mg mL 1 ) te etidye pa iradyasyon solisyon an ak yon sistèm lazè 0.5 W cm 2 808 nm (Fig. 1C). Efè chofaj solisyon an te dirèkteman pwopòsyonèl ak konsantrasyon FeS2. Tanperati a nan yon solisyon 100 mg mL 1 FeS2 ogmante pa apeprè 17.5 C nan jis 5 min iradyasyon lazè, demontre bon pèfòmans fotothermal FeS2. Mikwoskospi elektwonik optik te montre tou ke idwojèl AFH a gen yon rezo konplèks nan estrikti pò ak distribisyon gwosè pò (figi 1D), ki fè idwojèl la apwopriye pou chaje dwòg pou livrezon. Estabilite fototèmik se tou yon kritè enpòtan pou evalye kalite yon PTA.36 Yon solisyon 200 mg mL 1 FeS2 te chofe ak yon lazè 808 nm NIR pou 5 minit, Lè sa a, lazè a te etenn, epi solisyon an FeS2 yo te pèmèt yo refwadi. natirèlman nan tanperati chanm. Pwosesis sa a te repete plizyè fwa pou evalye estabilite fotothermal FeS2 (figi 1E). Pa te gen okenn chanjman evidan nan koub chofaj chak sik fototèmal, epi sèlman yon ti diferans te obsève nan tanperati pik la reyalize apre 5 min iradyasyon, verifye estabilite fototèmik FeS2. Analiz reolojik la te revele tou yon modil depo segondè nan idwojèl la prepare nan eta solid la nan tanperati chanm (figi 1F). Kòm tanperati a ogmante, idwojèl la piti piti socened ak fonn, ak modil la depo piti piti diminye. Apre sa, yo te fè yon eksperyans disolisyon fototèmik sou idrogel FeS2 la. Yo te mete AFH solidifye (FeS2 ki genyen nan idwojèl la) nan yon plat vè ki gen dlo deyonize. Nan tanperati chanm, idwojèl AFH ki te prepare a te kenbe fòm solidifye li yo, men apre 10 minit iradyasyon ak yon lazè 808 nm, idwojèl la prèske konplètman fonn, epi nanomateryèl FeS2 la te lage epi fonn nan dlo a nan plat la vè (Fig. .1G). Yon imager tèmik enfrawouj konfime tou ogmantasyon siyifikatif nan tanperati AFH pandan iradyasyon an (figi 1H). X-ray photoelectron spèktroskopi (XPS) spectre nan FeS2 apre reyaksyon ak idwojèl te montre ke FeS2 genyen Fe ak S eleman (Fig. S2†). Jan yo montre nan Fig. S3,† Kontni GSH te siyifikativman diminye apre ko-enkubasyon FeS2 ak GSH, li gen yon koub korelasyon pozitif ak tan ak konsantrasyon. Anplis de sa, aktivite ki tankou POD nan FeS2 la te depann de gwosè. Nanozymes ak yon gwosè 150 nm te montre pi wo aktivite pase sa yo ki gen gwosè 280 ak 687 nm (Fig. S4†).

Dapre karakteristik pèfòmans-wo nan AFH, yo te evalye efè antitumoral li yo. Okòmansman, yo te itilize fluorescein diacetate / propidyòm iodid selil vivan / mouri twous tach pou eksplore efè a touye nan idwojèl AFH prepare konbine avèk iradyasyon NIR. Gwoup PBS plis NIR ak gwoup AFH-sèlman te montre gwo fliyoresans vèt, tandiske AIPH diman te montre okenn efè touye (figi 2A). Nou prepare idrogel sèlman ki gen FeS2 (FH) pou verifye rezilta eksperyans relatif yo. Idwojèl prepare ki gen sèlman FeS2 (FH) konbine avèk NIR te gen yon efè touye modere. Miyò, tretman AFH plis NIR te gen pi bon efè sitotoksik.

Yo te itilize pwofonde dichlorofluorescein diacetate pou detekte kapasite AIPH pou pwodwi ROS. AIPH te montre yon kapasite pi fèb pou pwovoke ROS nan absans iradyasyon lazè, pandan y ap FH chaje ak FeS2 te montre yon degre modere nan pwodiksyon ROS apre iradyasyon NIR (Fig. 2B). Fliyoresans vèt klere yo obsève nan gwoup tretman AFH plis NIR yo ka atribiye a liberasyon FeS2 ak AIPH apre irradiation lazè (figi 2C). Anplis de sa, gwoup AIPH ak AIPH plis NIR te montre anpil ti fluoresans vèt (figi S5†). Tès CCK-8 la te montre menm rezilta yo tou. Viabilite selil AFH plis NIR gwoup la te apeprè 8.5 pousan, ki te siyifikativman diferan de lòt gwoup yo (figi 2D). Tanperati segondè pral ankouraje dekonpozisyon AIPH pou pwodwi radikal alkil. An menm tan an, FeS2 ka fè egzèsis GSH-OXD aktivite pou diminye GSH entraselilè. GSH, kòm yon tripeptide ki gen thiol omniprésente, se sentèz soti nan asid amine li yo (asid glutamik, sistein, ak glisin) nan anpil selil. GSH pwodui anpil nan plizyè kalite selil kansè yo. GSH nan selil yo jeneralman egziste nan fòm redui a, ki ka reyaji ak sibstans ki sou oksidasyon tankou gwoup alkil pandan y ap soksid nan fòm oksidasyon glutatyon disulde (GSSG), kidonk diminye efè antitumoral ki baze sou radikal gratis.37 Rediksyon GSH nan selil yo. pral deranje balans redox selil yo, lakòz estrès oksidatif, epi finalman mennen nan apoptoz selil.38 Yo te itilize reyaktif Ellman pou teste kapasite chak gwoup pou diminye GSH. AFH konbine gwoup NIR te montre pi bon kapasite GSH-appauvrissement (Fig. 2E).

Scheme 1 Nanozyme hydrogel pou amelyore jenerasyon radikal alkil ak terapi antitumoral ki pisan

Fig. 1 (A) TEM imaj FeS2. (B) spectre absorpsyon UV-Vis-NIR nan yon solisyon FeS2. (C) Koub chofaj pou konsantrasyon diferan nan solisyon FeS2 nanopartikil sou iradyasyon lazè nan 808 nm (0.5 W cm 2 ) pou 5 min. (D) SEM imaj idwojèl la. (E) Varyasyon tanperati yon solisyon FeS2 anba iradyasyon lazè siklik. (F) Koub reolojik ak tanperati (wouj ak nwa, respektivman) pou AFH prepare an repons a 0.5 W cm 2 808 nm iradyasyon lazè. (G) Mòfoloji AFH prepare anvan ak apre iradyasyon lazè 0.5 W cm 2 808 nm pou 10 min ak (H) imaj tèmik enfrawouj AFH prepare apre iradyasyon an.

Nan sans de bon pèfòmans in vitro li yo kòm yon PTA ak GSH OXD-imite anzim, efè AFH sou konvèsyon limyè-a-chalè NIR te etidye nan vivo. Sourit BALB/c yo te enjekte anba lar ak selil 4T1 pou fòme timè. Fig. 3A montre koub chanjman tanperati gwoup PBS ak gwoup AFH apre 808 nm NIR lazè 0.5 W cm 2 iradyasyon pou 10 min. Tanperati gwoup AFH a ogmante pa apeprè 17.6 C apre iradyasyon an, pandan y ap tanperati gwoup PBS a diman ogmante. Tanperati segondè ka chanje imidite a nan manbràn selil timè a, kidonk ogmante pèmeyabilite nan manbràn selilè a, ki an vire lakòz domaj tèmik nan pwoteyin.39,40 Evantyèlman, selil kansè yo pèdi kapasite nan pwopagasyon. Apre sa, AFH-medyatè aktivite antitumoral yo te evalye nan sourit 4T1 ki gen timè. Sourit ki gen timè yo te divize owaza an senk gwoup. Volim timè sourit yo nan gwoup PBS plis NIR ak gwoup AIPH ogmante rapidman pandan peryòd tretman de semèn, ak gwoup AFH te montre yon ti efè timè (figi 3C). Sa a se paske agaroz te tou dousman metabolize, ak kèk dwòg yo te tou dousman lage. Gwoup AFH plis NIR te gen efè ki pi fò sou kwasans timè. Pandan tretman an, volim timè sourit yo te siyifikativman siprime. Apre peryòd tretman an, sourit yo te sakrifye, epi timè yo te izole ak peze. Rezilta pou pwa timè yo te konsistan avèk rezilta pou volim timè (figi 3D).

Sa ki enpòtan, pandan etid la tout antye, pa gen okenn chanjman nan pwa kò yo te obsève nan gwoup tretman an, ki endike ke tretman an pa t 'kòz okenn toksisite sistemik enpòtan nan sourit yo (Fig. S6†). Rezilta sa a se trè ankourajan paske byenke anpil materyèl te montre bon rezilta eksperimantal, yo te lakòz tou efè segondè grav, ki seryezman anpeche kandida klinik yo.41,42 20 ,70 - Dichlorouorescin diacetate te itilize pou mezire intra a. -timoral ROS jenerasyon nan sourit yo trete. Tach la te siyifikativman amelyore nan timè yo sibi terapi konbinezon AFH plis NIR (Fig. 3E). Pwodiksyon radikal gratis amelyore te mennen nan yon efè terapetik amelyore nan modèl bèt la. Yo te itilize analiz TUNEL ak Ki-67 pou verifye apoptoz selil ak pwopagasyon (figi 3E). Tisi timè nan gwoup AFH plis NIR yo te twouve nekrotik san pwopagasyon enpòtan.

Fig. 3 (A) Enfrawouj imaj tèmik timè apre iradyasyon ak lazè 808 nm (0.5 W cm 2 ) pou 10 min nan gwoup tretman ki endike yo. (B) Ogmantasyon tanperati nan sourit implanté ak timè 4T1 apre 808 nm iradyasyon lazè (0.5 W cm 2 ) pou 10 min nan gwoup tretman ki endike yo. (C) Volim timè yo chanje sou tan nan gwoup yo trete jan sa endike a. (D) Valè pwa timè mwayèn ki asosye ak tretman ki endike yo. (E) ROS, Ki-67, ak TUNEL seksyon timè tache nan gwoup tretman ki endike yo. **P <0.01, ***P <0.005; T-tès elèv la.

Apre tretman an, ògàn vital yo (kè, fwa, larat, poumon, ak ren) pa t gen okenn enflamasyon oswa domaj. Endèks fwa ak ren yo te nòmal (figi 4A–D ak S7†). Done eksperimantal konplè nan vivo montre ke terapi sinèrjetik AFH ak PTT gen bon efè terapetik ak byokonpatibilite. Li gen bon kandida pou aplikasyon medikal klinik nan tan kap vini an.

Fig. 4 Rezilta nan eksperyans sekirite nan vivo. Done byochimik san ki gen ladan makè fonksyon ren: (A) makè fonksyon fwa: CRE, (B) BUN ak (C) ALT apre plizyè tretman. (D) Rezilta analiz istopatolojik (imaj H&E-tache) nan pi gwo ògàn yo, kè, poumon, fwa, ren, ak larat, nan sourit ki te ekspoze a tretman diferan 16 jou apre piki. Ba echèl: 100 mm.

Konklizyon

Nou te fèt yon idrojèl foto-reponn injectable ki ka an menm tan reyalize terapi radikal gratis ak PTT pa ankapsulasyon anzim FeS2 ak sous alkyl radikal AIPH nan idwojèl agarose. Anba iradyasyon lazè 808 nm, PTA FeS2 ankouraje chofaj sistèm AFH a epi li mennen nan liberasyon AIPH ak dekonpozisyon li yo pou pwodui radikal alkil. An menm tan an, FeS2 ka diminye kontni GSH entraselilè a, kidonk plis detwi omeyostazi redox. Pousantaj disolisyon idwojèl la ka chanje pa paramèt tankou dansite pouvwa lazè ak gwosè plas. Tou de etid in vivo ak in vitro yo te montre ke konbinezon an nan AFH ak iradyasyon NIR ka reyalize efè pwisan timè-tiye ak efè negatif ensiyifyan. Sistèm idwojèl ki fèt nan etid sa a bay yon estrateji pou amelyore sistèm terapetik ki baze sou radikal alkil.

Referans

1 D. Zhu, J. Zhang, G. Luo, Y. Duo ak BZ Tang,Adv. Sci., 2021, e2004769.

2 C. Huang, S. Ding, W. Jiang ak F.-B. Wang,Nano echèl, 2021, 13, 4512–4518.

3 J. Wu, Y. Qu, K. Shi, B. Chu, Y. Jia, X. Xiao, Q. Li ak Z. Qian,Manton. Chem. Lett., 2018, 29, 1819–1823.

4 S. Ning, Y. Zheng, K. Qiao, G. Li, Q. Bai ak S. Xu,J. Nanobiotechnol., 2021, 19, 344. 

5 D. Zhu, T. Zhang, Y. Li, C. Huang, M. Suo, L. Xia, Y. Xu, G. Li ak BZ Tang,Biomateryèl, 2022, 283, 121462. 

6 D. Zhu, R. Ling, H. Chen, M. Lyu, H. Qian, K. Wu, G. Li ak X. Wang,Nano Res., 2022, DOI:10.1007/s12274-022-4359-6. 

7 D. Zhu, M. Lyu, W. Jiang, M. Suo, Q. Huang ak K. Li,J. Mater. Chem. B, 2020, 

8, 5312–5319. 8 H. Ranji-Burachaloo, PA Gurr, DE Dunstan ak GG Qiao,ACS Nano, 2018, 12, 11819–11837. 

9 D. Zhu, Z. Liu, Y. Li, Q. Huang, L. Xia ak K. Li,Biomateryèl, 2021, 274, 120894. 

10 X. Li, R. Luo, X. Liang, Q. Wu ak C. Gong,Manton. Chem. Lett., 2021, DOI:10.1016/j.cclet.2021.11.048.