Synthese von Aptamer-PEI-g-PEG Modifizierte Gold-Nanopartikel, die mit Doxorubicin für die gezielte Arzneimittelabgabe geladen werden
Summary
In diesem Protokoll werden doxorubicin-geladene AS1411-g-PEI-g-PEG modifizierte Gold-Nanopartikel über dreistufige Amidreaktionen synthetisiert. Dann wird Doxorubicin geladen und an Zielkrebszellen für die Krebstherapie geliefert.
Abstract
Aufgrund der Arzneimittelresistenz und Toxizität in gesunden Zellen ist die Anwendung von Doxorubicin (DOX) in der klinischen Krebstherapie begrenzt. Dieses Protokoll beschreibt die Konstruktion von Poly(Ethylenimin) mit Polyethylenglykol (PEI-g-PEG) copolymer funktionalisierten Gold-Nanopartikeln (AuNPs) mit belastetem Aptamer (AS1411) und DOX durch Amidreaktionen. AS1411 ist speziell mit gezielten Nucleolin-Rezeptoren auf Krebszellen verbunden, so dass DOX Krebszellen anstelle von gesunden Zellen anspricht. Zuerst wird PEG carboxyliert und dann an verzweigte PEI transplantiert, um ein PEI-g-PEG-Copolymer zu erhalten, das durch 1H NMR-Analyse bestätigt wird. Als nächstes werden PEI-g-PEG Copolymer-beschichtete Gold-Nanopartikel (PEI-g-PEG@AuNPs) synthetisiert, und DOX und AS1411 werden nach und nach über Amidreaktionen kovalent mit AuNPs verbunden. Der Durchmesser des präparierten AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs beträgt 39,9 nm, mit einem Zetapotential von -29,3 mV, was darauf hinweist, dass die Nanopartikel in Wasser und Zellmedium stabil sind. Zellzytotoxizitätstests zeigen, dass die neu entwickelten DOX-geladenen AuNPs in der Lage sind, Krebszellen abzutöten (A549). Diese Synthese demonstriert die empfindliche Anordnung von PEI-g-PEG-Copolymeren, Aptamern und DOX auf AuNPs, die durch sequenzielle Amidreaktionen erreicht werden. Solche aptamer-PEI-g-PEG funktionalisierten AuNPs bieten eine vielversprechende Plattform für die gezielte Medikamentenabgabe in der Krebstherapie.
Introduction
Als das größte Problem der öffentlichen Gesundheit weltweit, Krebs wird weithin als mit einer niedrigen Heilungsrate, hohe Rezidivrate und hohe Sterblichkeitsrate1,2gekennzeichnet. Aktuelle konventionelle Anti-Krebs-Methoden umfassen Chirurgie, Chemotherapie und Strahlentherapie3, unter denen Chemotherapie ist die primäre Behandlung für Krebspatienten in der Klinik4. Klinisch verwendete Anti-Krebs-Medikamente gehören hauptsächlich Paclitaxel (PTX)5 und Doxorubicin (DOX)6,7. DOX, ein antineoplastisches Medikament, wurde in der klinischen Chemotherapie allgemein angewendet, aufgrund der Vorteile der Krebszytotoxizität und Hemmung der Proliferation von Krebszellen8,9. Jedoch, DOX verursacht Kardiotoxizität10,11, und die kurze Halbwertszeit von DOX beschränkt seine Anwendung in der Klinik12. Daher werden abbaubare Arzneimittelträger benötigt, um DOX zu laden und sich in kontrollierter Weise in ein Zielgebiet zu entladen.
Nanopartikel wurden häufig in gezielten Medikamentenabgabesystemen eingesetzt und haben mehrere Vorteile in der Krebsbehandlung (d. h. großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis, geringe Größe, Fähigkeit, verschiedene Medikamente zu kapseln, und abstimmbare Oberflächenchemie usw.) 13,14,15. Insbesondere Gold-Nanopartikel (AuNPs) sind in biologischen und biomedizinischen Anwendungen wie der photothermischen Krebstherapie16,17weit verbreitet. Die einzigartigen Eigenschaften von AuNPs, wie einfache Synthese und allgemeine Oberflächenfunktionalisierung, haben hervorragende Perspektiven im klinischen Bereich der Krebstherapie18. Auch, AuNPs wurden verwendet, um Medikamentenabgabestrategien zu identifizieren, Tumoren zu diagnostizieren, und Resistenzen in vielen Studien zu überwinden19,20.
Ungeachtet dessen müssen AuNPs weiter darauf zugeschnitten werden, die Arzneimittelresistenz durch hohe lokale Freisetzung bei Tumorläsionen durch verbesserte Permeation und Retention (EPR) zu überwinden, wie z. B. die Targeting- und Barrierefreiheitseigenschaften. Polymer funktionalisierte AuNPs haben einzigartige Vorteile gezeigt, wie verbesserte Wasserlöslichkeit von hydrophoben Anti-Krebs-Medikamente und längere Durchblutungszeit21,22. Für AuNP-Beschichtungen wurden verschiedene biokompatible Polymere verwendet, wie Polyethylenglykol (PEG), Polyethylenimin (PEI), Hyaluronsäure, Heparin und Xanthan. Dann wird die Stabilität, sowie die Nutzlast, von AuNPs gut verbessert23. Insbesondere ist PEI ein hoch verzweigtes Polymer, das aus vielen sich wiederholenden Einheiten von primären, sekundären und tertiären Aminen24besteht. PEI verfügt über eine ausgezeichnete Löslichkeit, geringe Viskosität und ein hohes Maß an Funktionalität, das für die Beschichtung auf AuNPs geeignet ist.
Auf der anderen Seite müssen Krebsmedikamente direkt mit verbesserter Belastbarkeit und geringerer Toxizität für die Behandlung von primären und fortgeschrittenen metastasierenden Tumoren an Krebszellen abgegeben werden25. Gezielte Liganden haben ein großes Potenzial für Anti-Krebs-Medikamente gezielte Abgabesysteme26. Seine Selektivität für die Bindung von Zielmolekülen verleiht Anti-Krebs-Medikament auf Spezifität und erhöht die anreicherung von Medikamenten in erkrankten Geweben27. Mehr Liganden enthalten Antikörper, Polypeptide und kleine Moleküle. Im Vergleich zu anderen Liganden können Nukleinsäureaptamere in vitro synthetisiert werden und sind leicht zu modifizieren. AS1411 ist ein unverändertes 26 bp Phosphodiester-Oligonukleotid, das eine stabile dimerische G-Tetramer-Struktur bildet, um speziell an einen überexprimierten nuklearen Zielproteinrezeptor an Krebszellen28,29,30zu binden. AS1411 hemmt die Proliferation vieler Krebszellen, hat aber keinen Einfluss auf das Wachstum gesunder Zellen31,32. Infolgedessen wurde AS1411 verwendet, um ein ideales gezieltes Arzneimittelabgabesystem herzustellen.
In dieser Studie wird ein PEI-g-PEG-Copolymer über eine Amidreaktion synthetisiert, dann werden PEI-g-PEG Copolymer beschichtete Gold-Nanopartikel (PEI-g-PEG@AuNPs) hergestellt. Darüber hinaus sind DOX und AS1411 sequenziell mit dem vorbereiteten PEI-g-PEG@AuNPs verknüpft, wie in Abbildung 1dargestellt. Dieses detaillierte Protokoll soll Forschern helfen, viele der häufigen Fallstricke zu vermeiden, die mit der Herstellung neuer PEI-g-PEG@AuNPs verbunden sind, die mit DOX und AS1411 beladen sind.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das 1H NMR-Spektrum (Abbildung 2) bestätigt die erfolgreiche Synthese von CT-PEG-Copolymer und PEI-g-PEG-Copolymer. Die Molekulargewichte von PEG und PEI betrugen 1.000 bzw. 1.200. Zusätzlich wurde das EDC/NHS-Katalytiksystem verwendet, um PEI-g-PEG-Copolymer über Amidreaktionen zu synthetisieren. Es sollte beachtet werden, dass, wenn sich die Molekulargewichte von PEG und PEI für die Synthese von PEI-g-PEG-Copolymer änderten, die Reaktionszeit und das katalytische System neu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China (31700840) finanziert; das wichtigste wissenschaftliche Forschungsprojekt der Provinz Henan (18B430013, 18A150049). Diese Forschung wurde vom Nanhu Scholars Program for Young Scholars of XYNU unterstützt. Die Autoren danken dem Bachelor-Studenten Zebo Qu vom College of Life Sciences in XYNU für seine hilfreichen Arbeiten. Die Autoren möchten das Analyse- und Prüfzentrum von XYNU für die Nutzung ihrer Geräte würdigen.
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
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