Tilrettelegging og fotoaktivering av prodrug-fargestoff nanoassemblies
Summary
Denne protokollen beskriver fabrikasjon og karakterisering av en fotoresponsiv prodrug-fargestoff nanoassembly. Metodikken for frigjøring av legemidler fra nanopartiklene ved lysutløst demontering, inkludert lysbestrålingsoppsettet, er eksplisitt beskrevet. Legemidlene som ble frigjort fra nanopartiklene etter lysbestråling, viste gode anti-spredningseffekter på humane kolorektale tumorceller.
Abstract
Selvmontering er en enkel, men pålitelig metode for å konstruere nanoskala legemiddelleveringssystemer. Fotoaktiverbare prodrugs muliggjør kontrollerbar legemiddelfrigjøring fra nanobærere på målsteder modulert av lysbestråling. I denne protokollen presenteres en lettvint metode for fremstilling av fotoaktiverbare prodrugfargede nanopartikler via molekylær selvmontering. Prosedyrene for prodrug syntese, nanopartikkel fabrikasjon, fysisk karakterisering av nanoassembly, fotospaltning demonstrasjon, og in vitro cytotoksisitet verifisering er beskrevet i detalj. Et fotospaltbart bor-dipyrrometen-klorambucil (BC) prodrug ble først syntetisert. BC og et nær-infrarødt fargestoff, IR-783, i et optimalisert forhold, kunne selvmontere seg i nanopartikler (IR783 / BC NP). De syntetiserte nanopartiklene hadde en gjennomsnittlig størrelse på 87, 22 nm og en overflateladning på -29, 8 mV. Nanopartiklene demonterte ved lysbestråling, som kunne observeres ved elektronisk overføringsmikroskopi. Fotospaltningen av BC ble fullført innen 10 minutter, med 22 % utvinningseffektivitet for klorambucil. Nanopartiklene viste forbedret cytotoksisitet under lysbestråling ved 530 nm sammenlignet med de ikke-bestrålte nanopartiklene og bestrålt fritt BC-prodrug. Denne protokollen gir en referanse for konstruksjon og evaluering av fotoresponsive legemiddelleveringssystemer.
Introduction
Kjemoterapi er en vanlig kreftbehandling som benytter cytotoksiske midler for å drepe kreftceller og dermed hemmer tumorvekst1. Imidlertid kan pasienter lide av bivirkninger som kardiotoksisitet og levertoksisitet på grunn av off-target absorpsjon av kjemoterapi narkotika 2,3,4. Derfor er lokalisert legemiddellevering gjennom spatiotemporal kontroll av legemiddelfrigivelse / aktivering i svulster avgjørende for å minimere legemiddeleksponering i normalt vev.
Prodrugs er kjemisk modifiserte legemidler som viser redusert toksisitet i normalt vev mens de beholder sin virkning i syke lesjoner ved aktivering 5,6. Prodrugs kan reagere på en rekke stimuli, for eksempel pH7,8, enzymer 9,10, ultralyd 11,12, varme 13 og lys14,15,1 6, og frigjøre sine overordnede legemidler spesielt i lesjonene. Likevel viser mange prodrugs iboende ulemper, for eksempel dårlig oppløselighet, feil absorpsjonshastighet og tidlig metabolsk ødeleggelse, noe som kan begrense utviklingen17. I denne sammenheng gir dannelsen av prodrug nanoassemblies fordeler som reduserte bivirkninger, in situ legemiddelfrigivelse, bedre oppbevaring og kombinasjonen av behandling og bildebehandling, noe som indikerer stort applikasjonspotensial for disse nanoassemblies. Mange prodrug nanoassemblies er utviklet for sykdomsbehandling, inkludert doksorubicin prodrug nanosfærer, curcumin prodrug miceller og camptothecin prodrug nanofibre18.
I denne protokollen presenterer vi en enkel metode for fremstilling av prodrug-dye nanoassemblies som viser høyt prodruginnhold, god vanndispergerbarhet, langsiktig stabilitet og sensitiv responsevne. IR783 er et vannløselig nær-infrarødt fargestoff som kan tjene som stabilisator av nanoaggregatene19. Den andre komponenten i nanoassemblen er bor-dipyrrometen-klorambucil (BODIPY-Cb, BC), et prodrug som ble designet av to hovedårsaker. Siden klorambucil (Cb) viser systemisk toksisitet in vivo, kan prodrugformen redusere toksisiteten20. BC-prodrug kan fotospaltes ved hjelp av 530 nm lysbestråling rettet mot sykdomslesjoner, noe som muliggjør lokal frigjøring av Cb. På den annen side er Cb utsatt for hydrolyse i vandige miljøer, og kan beskyttes ved å transformere den til en prodrug form21. Dermed var samsamlingen av BC-prodrug og IR-783-fargestoffet forventet å danne et stabilt og effektivt legemiddelleveringsnanosystem (figur 1A). Denne prodrug-dye nanoassemblen forbedrer dispergerbarheten og stabiliteten til prodrugmolekylene, noe som tyder på potensialet for anvendelse i lyskontrollerbar legemiddellevering. Fotospaltningen av BC-prodrug muliggjør demontering av nanopartikler og lyskontrollert frigjøring av Cb i lesjonene (tilleggsfigur 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokollen skisserer en lettvint utfellingsmetode for fremstilling av prodrug-dye nanopartikler, som gir en enkel og praktisk tilnærming til nanopartikkeldannelse. Det er flere kritiske trinn i denne metoden. For det første, for alle trinn av syntese, fabrikasjon og karakterisering, bør beholdere som mikrorør dekkes med folie for å unngå unødvendig fotospaltning av BC-prodrug av miljølys. Videre, i blitsutfellingstrinnet, bør mikrorøret som inneholder IR-783-løsningen plasseres stabilt på virvelblander…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi anerkjenner assistanse fra University of Hong Kong Li Ka Shing, Det medisinske fakultets kjernefasilitet. Vi takker professor Chi-Ming Che ved University of Hong Kong for å gi den menneskelige HCT116-cellelinjen. Dette arbeidet ble støttet av Ming Wai Lau Centre for Reparative Medicine Associate Member Program og Research Grants Council of Hong Kong (Early Career Scheme, nr. 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).
