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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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.

Protokoll

VORSICHT: Achten Sie darauf, alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (MSDS) zu konsultieren, bevor Sie alle Chemikalien verwenden. Mehrere der Chemikalien, die zur Herstellung von Copolymer- und Nanopartikeln verwendet werden, sind akut toxisch. Nanopartikel haben auch potenzielle Gefahren. Achten Sie darauf, alle geeigneten Sicherheitspraktiken und persönliche Schutzausrüstung zu verwenden, einschließlich Handschuhe, Labormantel, Kapuzen, Hose in voller Länge und schuhen.

1. Synthese von Doppelcarboxyl-Polyethylenglycol (CT-PEG)33

  1. 1,46 g (14,6 mmol) Bernsteinanhydrid (SA) und 209 mg (1,71 mmol) 4-Dimethylaminopyridin (DMAP) zu einem 100 ml runden Bodenkolben geben.
  2. Fügen Sie 15 ml wasserfreies Tetrahydrofuran (THF) in den Kolben in Schritt 1.1 und passen Sie einen Glasstopfen. Halten Sie den Kolben 30 min bei 0 °C.
  3. 4,28 g (4,28 mmol) Polyethylenglykol (PEG) und 1,8 ml Triethylamin (TEA) zu einem neuen Kolben geben.
  4. Fügen Sie 15 ml wasserfreies THF in den kolben, der in Schritt 1.3 verwendet wird, und passen Sie einen Glasstopfen an. Übertragen Sie die Lösung langsam auf den kolben, der in Schritt 1.2 verwendet wird, mit einer Spritze unter Stickstoffatmosphäre.
  5. Rühren Sie die Lösung bei 0 °C für 2 h, dann setzen Sie die Reaktion bei Raumtemperatur (RT) über Nacht fort.
  6. Mit einem Rotationsverdampfer (40 °C, 0,1 MPa) konzentrieren Sie die Reaktionslösung und entfernen Sie das THF-Lösungsmittel.
  7. Lösen Sie bei RT die Reaktionslösung aus Schritt 1,6 in 15 ml von 1,325 g/ml Dichlormethan (DCM), und fügen Sie dann 15 ml Kaltdiethylether (Et2O) hinzu, um das Niederschlagsprodukt (Polyethylenglykoldiacid) zu erhalten. Entfernen Sie das Lösungsmittel über Filterpapier.
    HINWEIS: Der Niederschlagsschritt kann 3x wiederholt werden.
  8. Trocknen Sie die Ausscheidungen unter Vakuum bei RT für 48 h.

2. Synthese von PEI-g-PEG Copolymer

  1. Fügen Sie 305,47 mg CT-PEG ab Schritt 1,8 und 5 ml Dimethylsulfoxid (DMSO) in einen Kolben und rühren Sie bei RT, um sicherzustellen, dass CT-PEG vollständig in DMSO gelöst ist.
  2. 49,46 mg 1-(3-dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimidhydrochlorid (EDC) in 5 ml DMSO auflösen, dann die Lösung in Schritt 2.1 verwendeten Kolben hinzufügen und 30 min bei RT rühren.
  3. 29,69 mg N-Hydroxysuccinimid (NHS) in 5 ml DMSO auflösen und die Lösung dem in Schritt 2.1 verwendeten Kolben hinzufügen. Weiter bei RT für 3 h rühren.
  4. Lösen Sie 28,6 l Polyethylenimin (PEI) in 10 ml DMSO auf und fügen Sie die Lösung tropfenweise dem kolben, der in Schritt 2.1 verwendet wird, hinzu. Mindestens 3 Tage umrühren.
  5. Übertragen Sie die reagierende Lösung von Schritt 2.4 auf einen Dialysebeutel (1.000 Molekulargewichtsabschaltung [MWCO]). Legen Sie den Dialysebeutel in einen 1 L Becher mit 500 ml Reinstwasser als Dialysat. Das Reinstwasser alle 12 Stunden für 3 Tage wechseln.
  6. Übertragen Sie die Lösung in Schritt 2.5 in einen anderen Dialysebeutel (10.000 MWCO). Legen Sie den Dialysebeutel in einen 1 L Becher mit 500 ml Reinstwasser als Dialysat. Das Reinstwasser alle 12 Stunden für 3 Tage wechseln.
  7. Konzentrieren Sie die Lösung ab Schritt 2.6 mit einem Rotationsverdampfer (40 °C, 0,1 MPa) und trocknen Sie die Probe ein, um das PEI-g-PEG-Pulver zu erhalten.

3. Synthese von PEI-g-PEG@AuNPs

  1. 5 mg zubereitetes PEI-g-PEG (Schritt 2.7) in 5 ml Reinstwasser in einem neuen Kolben auflösen und mit einem Glasstopfen aufpassen.
  2. 100 ml 0,3 mM HAuCl4 Lösung in den Kolben geben und die Lösung für 3 h bei RT rühren.
    HINWEIS: Die Farbe der Lösung sollte sofort von gelb zu orange geändert werden.
  3. 1 ml 1 mg/ml NaBH4 Lösung in den Kolben geben und die Lösung für 3 h bei RT rühren.
    HINWEIS: Die Reaktionslösung sollte sofort burgundum werden.
  4. Dialysieren Sie das Reaktionsprodukt mit einem Dialysebeutel (1.000 MWCO) für 3 Tage, wie in Schritt 2.5 beschrieben, um die PEI-g-PEG@AuNPs Lösung zu erhalten.

4. Synthese von DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs

  1. 1 ml 2,2 mg/ml DOX-Lösung und 20 ml PEI-g-PEG@AuNPs Lösung in einen neuen Kolben geben und mit einem Glasstopfen passen.
  2. 0,727 mg EDC in 1 ml Reinstwasser auflösen und die EDC-Lösung in den in Schritt 4.1 verwendeten Kolben geben.
  3. 0,437 mg NHS in 1 ml Reinstwasser auflösen. Fügen Sie die NHS-Lösung in den Kolben und rühren Sie bei RT für 1 h.
  4. Dialysieren Sie das Reaktionsprodukt mit einem Dialysebeutel (1.000 MWCO) für 3 Tage, wie in Schritt 2.5 beschrieben, um die DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs Lösung zu erhalten.

5. Synthese von AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs

  1. Fügen Sie 20 ml DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs Lösung und 4OD AS1411 (OD = optische Dichte; 1OD ≈ 33 g) zu einem neuen Kolben hinzu.
  2. 28,76 mg EDC in 1 ml Reinstwasser auflösen und die EDC-Lösung in den in Schritt 5.1 verwendeten Kolben geben.
  3. 17,27 mg NHS in 1 ml Reinstwasser auflösen. Fügen Sie die NHS-Lösung in den kolben in Schritt 5.1 verwendet und rühren Sie die Reaktion für 1 h bei RT.
  4. Dialyse das Reaktionsprodukt mit einem Dialysebeutel (1.000 MWCO) für 3 Tage, wie in Schritt 2.5 beschrieben, um AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs zu erhalten.

6. Beispielcharakterisierung

  1. Lösen Sie das CT-PEG-Polymer (Schritt 1.8) und das PEI-g-PEG-Copolymer (Schritt 2.7) in Chloroform-d in Kernspinresonanzröhren (NMR). Analysieren Sie die Proben mit einem 600 MHz NMR Spektrometer, das mit einem supraleitenden Magneten von 14,09 T und einer 5,0 mm 600 MHz Breitband-Z-Gradienten-Hochauflösungssonde ausgestattet ist, um die chemische Struktur zu bestätigen34.
  2. Dispergieren Sie AuNPs, DOX und AS1411 und bereitete PEI-g-PEG@AuNPs (Schritt 3.4), DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs (Schritt 4.4) und AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs (Schritt 5.4) bzw. in Reinstwasser vor. Übertragen Sie dann auf Küvetten und zeichnen Sie ultraviolett-sichtbare Spektren (UV-vis) mit einem UV-Vis-Spektrophotometer auf.
  3. Befestigen Sie einen doppelseitigen Klebstoff (ca. 2 mm x 2 mm) an der Aluminiumfolie und tauchen Sie die Probenlösung (PEI-g-PEG@AuNPs, DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs und AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs) gleichmäßig auf das gesamte Band. Analysieren Sie die Proben mit einem Röntgenphotoelektronenspektroskopie-Analysator.
  4. DISpergieren Sie PEI-g-PEG@AuNPs, DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs und AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs-Lösungen in Reinstwasser. Übertragen Sie dann auf Küvetten und bewerten Sie die Größenverteilung mithilfe dynamischer Lichtstreuung.
  5. DISpergieren Sie PEI-g-PEG@AuNPs, DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs und AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs Lösungen in Reinstwasser (ein Tropfen Probe pro 5 ml Reinstwasser für jede Probe). Beschallung für 2 h. Tauchen Sie das Kupfergitter in Probenlösungen ein und trocknen Sie unter einer Infrarotlampe. Charakterisieren Sie die Morphologie mit einem Transmissionselektronenmikroskop.
  6. 1 mg AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs in eine 20 kDa MWCO Dialysekassette injizieren und dann in 80 ml Phosphatgepufferte Kochsaline (PBS) mit 5% Rinderserumalbumin (BSA) geben. Bei 37 °C umrühren.
  7. Sammeln Sie an den vorgegebenen Zeitpunkten 100 L-Aliquots und ersetzen Sie sie durch frische PBS. Verwenden Sie ein UV-Vis-Spektrophotometer, um die DOX-Fluoreszenzintensität der Aliquots zu messen.

7. CCK-8-Assay von AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs Nanopartikeln

  1. Wachsen Sie A549-Zellen in Dulbeccos modifiziertem Eagle-Medium (DMEM), ergänzt durch 10% fetales Rinderserum, 100 U/ml Penicillin und 100 g/ml Streptomycin unter einer befeuchteten Atmosphäre von 95% Luft und 5%CO2 bei 37 °C. Ersetzen Sie das Kulturmedium alle 2 Tage. Verwenden Sie Zellen in Durchgang 5 für die Zellproliferations- und Zytotoxizitätstests, um die Zytotoxizität der hergestellten AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs Nanopartikel quantitativ zu bewerten.
  2. Fügen Sie 100 l Nanopartikellösung in jeden Brunnen ein, der 1 ml Zellmedium enthält. Nach der Kultivierung für 24 h und 48 h, entfernen Sie die Kulturmedien von Zellkulturplatten, und fügen Sie dann 300 l frische Kulturmedien und 30 l Zellzählset-8 (CCK-8) Kit-Lösungen sofort zu jedem Brunnen hinzu. 4 h in einemCO2-Inkubator bei 37 °C inkubieren.
  3. Übertragen Sie 200 L Reaktionslösungen aus Schritt 7.2 in eine 96-Wellplatte. Lesen Sie die optische Dichte (OD) jedes Brunnens bei 570 nm mit einem Mikroplattenleser.
  4. Beobachten Sie die Morphologie der Zellen bei 24 h und 48 h unter dem Mikroskop.

Ergebnisse

1 H NMR-Spektroskopie wurde verwendet, um die erfolgreiche Synthese von CT-PEG-Polymeren und PEI-g-PEG-Copolymeren zu bestätigen (Abbildung 2). Abbildung 2a zeigt, dass das Methylenprotonsignal bei δ = 3,61 ppm und das Carboxylprotonensignal bei δ = 2,57 ppm die erfolgreiche Synthese von CT-PEG-Polymeren bestätigen. Abbildung 2b zeigt, dass das Methylenprotonsignal von PEG bei δ = 2,6 ppm u...

Diskussion

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...

Offenlegungen

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Danksagungen

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.

Materialien

NameCompanyCatalog NumberComments
4-DimethylaminopyridineMacklinD807273
A549 cellATCC CCL-185TM
AS1411BBI Life Sciences Corporation5'-d (TTTGGTGGTGGTGGTTGTGGTGGTGGTGG) FL-AS1411 (fluorophore-labeled AS1411)
Anhydrous Tetrahydrofuran (THF)SinoPharm Chemical Reagent Co., Ltd
Cell counting kit-8 (CCK-8)Sigma Aldrich96992-500TESTS-F
DichloromethaneTraditional Chinese medicine80047318
Diethyl ether (Et2O)SinoPharm Chemical Reagent Co., Ltd
Dimethyl sulfoxideMacklinD806645
Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM)Sigma Aldrich
Doxorubicin hydrochlorideRhawnR017518
Ether absoluteTraditional Chinese medicine80059618
Field Emission Transmission Electron MicroscopeFEI CompanyTecnai G2 F 20
Gold(III) chloride trihydrateRhawnR016035
Laser Particle-size InstrumentMalvern Instruments LtdZetasizerNanoZS/Masterszer3000E
Microplate ReaderMolecular DevicesSpectraMax 190
N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochlorideMacklinN808856
N-HydroxysuccinimideMacklinH6231
NMR softwareDelta 5.2.1
Nuclear Magnetic Resonance SpectrometerJEOLJNM-ECZ600R/S3
Origin 8.5OriginLab
PenicillinSigma AldrichV900929-100ML
Phosphate-buffered salineSigma AldrichP4417-100TAB
Poly(ethylene glycol)Sigma Aldrich81188BioUltra, average Mn ~ 1000
Poly (ethyleneimine) solutionSigma Aldrich482595average Mn ~ 1200, 50 wt.% in H2O
Sodium borohydride, powderAcrosC18930
StreptomycinSigma Aldrich85886-10ML
Succinic anhydrideTraditional Chinese medicine30171826
TetrahydrofuranTraditional Chinese medicine40058161
TriethylamineTraditional Chinese medicine80134318
UV/VIS/NIR SpectrometerLambda950Lambda950
X-ray Photoelectron SpectrometerThermo Fisher ScientificK-ALPHA 0.5EV

Referenzen

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