Легкое получение и фотоактивация наносборок пролекарства и красителя
Summary
В этом протоколе описывается изготовление и характеристика фоточувствительной наносборки пролекарство-краситель. В явной форме описана методология высвобождения лекарственного средства из наночастиц путем разборки, вызванной светом, включая установку светового облучения. Препараты, высвобождаемые из наночастиц после светового облучения, проявляли отличные эффекты против пролиферации колоректальных опухолевых клеток человека.
Abstract
Самосборка — это простой, но надежный метод построения наноразмерных систем доставки лекарств. Фотоактивируемые пролекарства обеспечивают контролируемое высвобождение лекарств из наноносителей в целевых участках, модулированных световым облучением. В этом протоколе представлен простой метод получения фотоактивируемых наночастиц пролекарства и красителя путем молекулярной самосборки. Подробно описаны процедуры синтеза пролекарств, изготовления наночастиц, физической характеристики наносборки, демонстрации фоторасщепления и проверки цитотоксичности in vitro . Впервые был синтезирован фоторасщепляемый бор-дипиррометен-хлорамбуцил (BC) пролекарство. BC и краситель ближнего инфракрасного диапазона IR-783 в оптимизированном соотношении могут самособираться в наночастицы (IR783 / BC NP). Синтезированные наночастицы имели средний размер 87,22 нм и поверхностный заряд -29,8 мВ. Наночастицы разбирались при облучении светом, что можно было наблюдать с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Фоторасщепление BC было завершено в течение 10 мин с эффективностью восстановления хлорамбуцила 22%. Наночастицы проявляли повышенную цитотоксичность при световом облучении на длине волны 530 нм по сравнению с необлученными наночастицами и облученным свободным пролекарством BC. Этот протокол является справочным материалом для создания и оценки фоточувствительных систем доставки лекарств.
Introduction
Химиотерапия является распространенным методом лечения рака, в котором используются цитостатические агенты для уничтожения раковых клеток и, таким образом, ингибирование роста опухоли1. Однако пациенты могут страдать от побочных эффектов, таких как кардиотоксичность и гепатотоксичность, из-за нецелевого всасывания химиотерапевтических препаратов 2,3,4. Таким образом, локализованная доставка лекарственного средства посредством пространственно-временного контроля высвобождения/активации лекарственного средства в опухолях имеет важное значение для минимизации воздействия лекарственного средства на нормальные ткани.
Пролекарства представляют собой химически модифицированные препараты, которые проявляют пониженную токсичность в нормальных тканях, сохраняя при этом свое действие при пораженных поражениях при активации 5,6. Пролекарства могут реагировать на различные раздражители, такие как рН7,8, ферменты9,10, ультразвук 11,12, тепло 13 и свет 14,15,1 6, и высвобождать свои исходные лекарства именно в поражениях. Тем не менее, многие пролекарства имеют присущие им недостатки, такие как плохая растворимость, неправильная скорость всасывания и раннее метаболическое разрушение, что может ограничить их развитие17. В этом контексте образование пролекарственных наносборок предлагает такие преимущества, как снижение побочных эффектов, высвобождение лекарств in situ, лучшее удержание и сочетание лечения и визуализации, что указывает на большой потенциал применения этих наносборок. Для лечения заболеваний было разработано множество промедикаментозных наносборок, в том числе наносферы пролекарства доксорубицина, мицеллы пролекарства куркумина и нановолокна пролекарства камптотецина18.
В этом протоколе мы представляем простой метод получения наносборок пролекарства и красителя, которые демонстрируют высокое содержание пролекарства, хорошую диспергируемость в воде, долговременную стабильность и чувствительную способность реагировать. IR783 представляет собой водорастворимый краситель ближнего инфракрасного диапазона, который может служить стабилизатором наносборок19. Другим компонентом наносборки является бор-дипиррометен-хлорамбуцил (BODIPY-Cb, BC), пролекарство, которое было разработано по двум основным причинам. Поскольку хлорамбуцил (Cb) проявляет системную токсичность in vivo, пролекарственная форма может снижать его токсичность20. Пролекарство BC может быть фоторасщеплено с использованием светового излучения 530 нм, направленного на поражения заболевания, что обеспечивает локальное высвобождение Cb. С другой стороны, Cb склонен к гидролизу в водных средах и может быть защищен путем преобразования его в пролекарственную форму21. Таким образом, ожидалось, что совместная сборка пролекарства BC и красителя IR-783 образует стабильную и эффективную наносистему доставки лекарств (рис. 1A). Эта наносборка пролекарства-красителя улучшает диспергируемость и стабильность молекул пролекарства, что указывает на ее потенциал для применения в светоконтролируемой доставке лекарств. Фоторасщепление пролекарства BC обеспечивает разборку наночастиц и контролируемое светом высвобождение Cb в поражениях (дополнительный рисунок 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом протоколе описывается метод легкого мгновенного осаждения для изготовления наночастиц пролекарства и красителя, который предлагает простой и удобный подход к образованию наночастиц. В этом методе есть несколько важных шагов. Во-первых, для всех этапов синтеза, изготовления и о?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим за помощь со стороны основного центра медицинского факультета Ли Ка Шин Университета Гонконга. Мы благодарим профессора Чи-Мин Че из Университета Гонконга за предоставление клеточной линии HCT116 человека. Эта работа была поддержана ассоциированным членом Центра репаративной медицины Мин Вай Лау и Советом по исследовательским грантам Гонконга (Схема ранней карьеры, No 27115220).
Materials
| 1260 Infinity II HPLC | Agilent Technologies | ||
| 2,4-Dimethyl pyrrole | J&K Scientific | 315305 | |
| 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide(MTT) | Gibco | M6494 | |
| 4-Dimethylaminopyridine (4-DMAP) | J&K Scientific | 212279 | |
| 90 mm Petri Dish Clear Treated Sterile | SPL | 11090 | |
| 96-well Tissue Culture Plate Clear Treated Sterile | SPL | 30096 | |
| Acetoxyacetyl chloride | J&K Scientific | 192001 | |
| Boron trifluoride diethyl etherate | J&K Scientific | 921076 | |
| Büchner funnel | AS ONE | 3-6466-01 | |
| Chlorambucil | J&K Scientific | 321407-1G | |
| CM100 Transmission Electron Microscope | Philips | ||
| CombiFlash RF chromatography system | Teledyne ISCO | ||
| Dichloromethane | DUKSAN Pure Chemicals | JT9315-88 | |
| Dimethyl sulfoxide | DUKSAN Pure Chemicals | 2762 | |
| Disposable cuvette | Malvern Panalytical | DTS1070 | Zeta potential measurement |
| Disposable cuvette | Malvern Panalytical | ZEN0040 | |
| Empty Disposable Sample Load Cartridges | Teledyne ISCO | 693873225 | can hold up to 65 g |
| Fetal bovine serum | Gibco | 10270106 | |
| Filtering flask | AS ONE | 3-7089-03 | |
| Hexane | DUKSAN Pure Chemicals | 4198 | |
| Holey carbon film on copper grid | Beijing Zhongjingkeyi Technology Co.,Ltd | BZ10023a | |
| HPLC column (InfinityLab Poroshell 120) | Agilent Technologies | 695975-902T | |
| Integrating sphere photodiode power sensor | Thorlabs | S142C | |
| IR783 | Tokyo Chemical Industry (TCI) Co., Ltd | I1031 | |
| LED | Mightex | LCS-0530-15-11 | |
| LED Driver Control Panel V3.2.0 (Software) | Mightex | ||
| Lithium Hydroxide Anhydrous | TCI | L0225 | |
| Methylmagnesium iodide, 3M solution in diethyl ether | Aladdin | M140783 | |
| N,N-Diisopropyl ethyl amine (DIPEA) | J&K Scientific | 203402 | |
| N,N'-Dicyclohexylcarbodiimide (DCC) | J&K Scientific | 275928 | |
| penicillin–streptomycin | Gibco | 15140122 | |
| Phosphate-buffered saline (10×) | Sigma-Aldrich | P5493 | |
| Power and energy meter | Thorlabs | PM100 USB | |
| Rotavapor | BUCHI Rotavapor R300 | ||
| RMPI 1640 | Gibco | 21870076 | |
| Separatory funnel (125 mL) | Synthware | F474125L | |
| Silver Silica Gel Disposable Flash Columns, 40 g | Teledyne ISCO | 692203340 | |
| Sodium sulfate, anhydrous | Alfa Aesar | A19890 | |
| SpectraMax M4 | Molecular Devices LLC | ||
| Tetrahydrofuran (THF), anhydrous | J&K Scientific | 943616 | |
| Trypsin-EDTA (0.25%), phenol red | Gibco | 25200056 | |
| Vortex | DLAB Scientific Co., Ltd | MX-S | |
| Zetasizer Nano ZS90 | Malvern Instrument |
References
- Chabner, B. A., Roberts, T. G. Chemotherapy and the war on cancer. Nature Reviews Cancer. 5 (1), 65-72 (2005).
- Monsuez, J. -. J., Charniot, J. -. C., Vignat, N., Artigou, J. -. Y. Cardiac side-effects of cancer chemotherapy. International Journal of Cardiology. 144 (1), 3-15 (2010).
- Floyd, J., Mirza, I., Sachs, B., Perry, M. C. Hepatotoxicity of chemotherapy. Seminars in Oncology. 33 (1), 50-67 (2006).
- Bar-Joseph, H., Stemmer, S. M., Tsarfaty, I., Shalgi, R., Ben-Aharon, I. Chemotherapy-induced vascular toxicity-real-time in vivo imaging of vessel impairment. Journal of Visualized Experiments. (95), e51650 (2015).
- Denny, W. A. Prodrug strategies in cancer therapy. European Journal of Medicinal Chemistry. 36 (7-8), 577-595 (2001).
- Kastrati, I., Delgado-Rivera, L., Georgieva, G., Thatcher, G. R. J., Frasor, J. Synthesis and characterization of an aspirin-fumarate prodrug that inhibits NFκB activity and breast cancer stem cells. Journal of Visualized Experiments. (119), e54798 (2017).
- Mao, J., et al. A simple dual-pH responsive prodrug-based polymeric micelles for drug delivery. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (27), 17109-17117 (2016).
- Li, S. -. Y., et al. A pH-responsive prodrug for real-time drug release monitoring and targeted cancer therapy. Chemical Communications. 50 (80), 11852-11855 (2014).
- Andresen, T. L., Thompson, D. H., Kaasgaard, T. Enzyme-triggered nanomedicine: Drug release strategies in cancer therapy (Invited Review). Molecular Membrane Biology. 27 (7), 353-363 (2010).
- Xu, G., McLeod, H. L. Strategies for enzyme/prodrug cancer therapy. Clinical Cancer Research. 7 (11), 3314-3324 (2001).
- Luo, W., et al. Dual-targeted and pH-sensitive doxorubicin prodrug-microbubble complex with ultrasound for tumor treatment. Theranostics. 7 (2), 452 (2017).
- Gao, J., et al. Ultrasound triggered phase-change nanodroplets for doxorubicin prodrug delivery and ultrasound diagnosis: An in vitro study. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 174, 416-425 (2019).
- Brade, A. M., Szmitko, P., Ngo, D., Liu, F. -. F., Klamut, H. J. Heat-directed suicide gene therapy for breast cancer. Cancer Gene Therapy. 10 (4), 294-301 (2003).
- Long, K., et al. One-photon red light-triggered disassembly of small-molecule nanoparticles for drug delivery. Journal of Nanobiotechnology. 19 (1), 357 (2021).
- Liu, Y., Long, K., Kang, W., Wang, T., Wang, W. Optochemical control of immune checkpoint blockade via light-triggered PD-L1 dimerization. Advanced NanoBiomed Research. 2 (6), 2200017 (2022).
- Wang, T., et al. Optochemical control of mTOR signaling and mTOR-dependent autophagy. ACS Pharmacology & Translational Science. 5 (3), 149-155 (2022).
- Abet, V., Filace, F., Recio, J., Alvarez-Builla, J., Burgos, C. Prodrug approach: An overview of recent cases. European Journal of Medicinal Chemistry. 127, 810-827 (2017).
- Li, G., et al. Small-molecule prodrug nanoassemblies: an emerging nanoplatform for anticancer drug delivery. Small. 17 (52), 2101460 (2021).
- Shamay, Y., et al. Quantitative self-assembly prediction yields targeted nanomedicines. Nature Materials. 17 (4), 361-368 (2018).
- Sinoway, P. A., Callen, J. P. Chlorambucil. Arthritis & Rheumatism. 36 (3), 319-324 (1993).
- Owen, W. R., Stewart, P. J. Kinetics and mechanism of chlorambucil hydrolysis. Journal of Pharmaceutical Sciences. 68 (8), 992-996 (1979).
- Lv, W., et al. Upconversion-like photolysis of BODIPY-based prodrugs via a one-photon process. Journal of the American Chemical Society. 141 (44), 17482-17486 (2019).
- Silver, J. Let us teach proper thin layer chromatography technique. Journal of Chemical Education. 97 (12), 4217-4219 (2020).
- Saad, W. S., Prud’homme, R. K. Principles of nanoparticle formation by flash nanoprecipitation. Nano Today. 11 (2), 212-227 (2016).
- Long, K., et al. Photoresponsive prodrug-dye nanoassembly for in-situ monitorable cancer therapy. Bioengineering & Translational Medicine. 7 (3), 10311 (2022).
- Zhong, T., et al. A self-assembling nanomedicine of conjugated linoleic acid-paclitaxel conjugate (CLA-PTX) with higher drug loading and carrier-free characteristic. Scientific Reports. 6 (1), 36614 (2016).
- Long, K., et al. Green light-triggered intraocular drug release for intravenous chemotherapy of retinoblastoma. Advanced Science. 8 (20), 2101754 (2021).
- Lv, W., Wang, W. One-photon upconversion-like photolysis: a new strategy to achieve long-wavelength light-excitable photolysis. Synlett. 31 (12), 1129-1134 (2020).
- Rwei, A. Y., Wang, W., Kohane, D. S. Photoresponsive nanoparticles for drug delivery. Nano Today. 10 (4), 451-467 (2015).
- Grzelczak, M., Vermant, J., Furst, E. M., Liz-Marzán, L. M. Directed self-assembly of nanoparticles. ACS Nano. 4 (7), 3591-3605 (2010).
- Gnanasammandhan, M. K., Idris, N. M., Bansal, A., Huang, K., Zhang, Y. Near-IR photoactivation using mesoporous silica-coated NaYF4:Yb,Er/Tm upconversion nanoparticles. Nature Protocols. 11 (4), 688-713 (2016).
