具有疏水修饰的普鲁兰多糖纳米颗粒的米托蒽醌新型递送抑制膀胱癌细胞以及纳米药物大小对抑制效率的影响
摘要
通过使用新型纳米粒子提高递送效率来减少化疗药物的剂量对于癌症治疗具有巨大的潜力。在这里,我们专注于通过使用胆固醇取代的支链淀粉聚合物 (CHP) 来改善米托蒽醌的递送,并选择合适的纳米药物尺寸来抑制膀胱癌细胞的生长。我们合成了三种 CHP,分别命名为 CHP-1、CHP-2、CHP-3。它们的化学结构经核磁共振鉴定,胆固醇取代度分别为6.82%、5.78%和2.74%。它们的直径为 86.4、162.30 和 222.28 nm。我们测试了米托蒽醌在磷酸盐缓冲盐水中 48 小时的释放率:三种 CHP 的释放率分别为 38.73%、42.35% 和 58.89%。聚合物中的疏水取代度与纳米粒子的自组装过程有关,这会影响它们的大小,从而影响药物释放速率。在酸释放介质中,三种载药纳米颗粒的释放显着加速。纳米颗粒越大,药物释放速度越大。 24 h IC50值为0.25 M,米托蒽醌对膀胱癌细胞的抑制效果最佳。
3-(4,5-Dimethyl-2-thiazolyl)-2,5-diphenyl-2-H-tetrazolium bromide (MTT) 实验表明,最大尺寸的载药 CHP-3 纳米颗粒对膀胱癌的毒性最大细胞。免疫荧光和流式细胞术显示,尺寸最大的载药CHP-3纳米颗粒对促进膀胱癌细胞凋亡的作用最强。此外,三种载药纳米颗粒均能抑制MB49细胞的迁移,其中大尺寸CHP-3纳米颗粒的抑制作用最强。
背景
化疗是肿瘤的常用治疗方法。但由于缺乏组织特异性,化疗的治疗效果有限,且往往具有强烈的副作用[1, 2]。因此,利用纳米颗粒(NP)制剂增强化疗药物靶向能力的研究不断增加[3,4,5]。
通过增强通透性和保留(EPR)效应被动靶向肿瘤组织后,纳米药物如负载NP的小分子抗肿瘤药物主要通过两种方式发挥其功效:(1)通过在肿瘤组织中释放和进入细胞以游离形式发挥功效和 (2) 通过以微粒形式被细胞吸收并在细胞中释放以发挥药效作用 [6, 7]。当纳米药剂被动靶向肿瘤时,两种方法中哪一种起主要作用,或者两者是否同时起主要作用,是否涉及其他因素,是一个复杂的问题。由于肿瘤组织的代谢活动、缺血缺氧和乳酸的积累,以及肿瘤组织的细胞外液呈弱酸性,许多纳米药物在酸性环境中表现出增加的释放,以提高疗效[8]。纳米药物在酸性环境中的药物释放效率与纳米材料的理化性质密切相关,也受纳米颗粒大小的影响[9,10,11]。 NPs被动靶向肿瘤组织后,由于肿瘤细胞具有吞噬功能,纳米药物制剂主要通过胞吞作用和细胞膜蛋白介导的复杂过程进入细胞[12, 13]。纳米药物在细胞内溶菌酶降解作用下释放药物并发挥疗效[14]。
靶组织中靶细胞的摄取效率与纳米材料的性质、表面修饰、形态、电荷和纳米颗粒大小密切相关[15,16,17,18]。细胞摄取在很大程度上取决于 NP 大小。 Her-gold NPs 的内在化(内吞作用)高度依赖于尺寸,NPs 的最有效吸收发生在 25 至 50 nm 范围内 [19]。极小或极大的 NPs 吸收效率低下。 40 到 50 nm 大小是受体介导的内吞作用的临界点 [20]。此外,NP 大小影响细胞毒性。在比较 45 和 90 nm 的 NP 时,聚合物 NP 的大小与细胞毒性呈负相关 [21]。 NPs的大小影响药物在肿瘤组织中的释放以及细胞的摄取效率,最终对药物的疗效起重要作用。
多糖的局部粘附提高了定位和靶向功能。外部癌细胞的酸性环境导致多糖纳米药物的部分释放,在被动靶向肿瘤组织后引发载药NPs和游离药物的双重治疗作用[22, 23]。
普鲁兰多糖无毒,在体内易降解,其胆固醇是体内固有物质,安全适合作为药物载体[24, 25]。胆固醇疏水改性支链淀粉 (CHP) 聚合物具有疏水性胆固醇基团和亲水性糖链,可以自组装成具有疏水性中心核和亲水性壳的纳米球状结构 [26, 27]。两亲聚合物自组装成球状结构的纳米颗粒,疏水核由胆固醇基等疏水基团形成[28]。
米托蒽醌是一种广谱抗癌活性蒽环类抗生素,可以嵌入DNA并抑制拓扑异构酶II,是一种经典的抗肿瘤药物。然而,由于其心脏毒性,米托蒽醌的使用受到限制。米托蒽醌通过疏水相互作用加载到 CHP NPs 的疏水中心,形成 CHP 纳米制剂,通过 EPR 效应具有被动靶向作用。与游离药物相比,载药 CHP NPs 显示出药物毒性降低和抗癌效率提高 [29, 30]。 CHP聚合物中的疏水基团胆固醇驱动NP核结构的形成,在一定范围内,疏水基团取代度越高,NP的尺寸越小[31, 32]。 CHPs 的稳定性优于至少 2 个月,没有显着的尺寸和 zeta 电位变化,并且支链淀粉纳米颗粒可以靶向肿瘤组织通过 EPR 效应杀死癌细胞 [33, 34]。
在这项研究中,我们使用经胆固醇疏水修饰的支链淀粉 (CHP) NPs 作为抗肿瘤药物载体来加载米托蒽醌。通过合成不同琥珀酸酐胆固醇酯 (CHS) 电荷比的 CHP 聚合物生成不同尺寸的米托蒽醌负载支链淀粉 NP,以研究 NP 尺寸对药物缓释、酸性环境中药物释放、对膀胱癌的毒性的影响细胞、细胞摄取效率和细胞迁移。本实验评估了被动靶向NPs的大小范围,以筛选出合适的NPs作为药物载体并具有更强的药效。
材料和方法
试剂和仪器
米托蒽醌来自阿拉丁化学(上海);透析袋(BioSharp,美国,8000~12,000 Da)来自天津君耀生物科技有限公司。其他试剂来自北京新泽科技。
我们使用了日本 F-4500 荧光分光光度计、J-810 圆二色色谱仪(日本 Jasco Co.)、粒度分析仪(MALVERN,Nano 2S-90,日本)和投影电子显微镜(JEM-100CXII,日本) .
CHP聚合物的合成与表征及胆固醇取代度的计算
之前报道了琥珀酸酐 CHS 的合成 [35]。将 0.5 g 支链淀粉样品溶解在 15 mL 脱水二甲基亚砜中备用。 CHS(糖单位/CHS =0.20、0.15、0.05 mmol/mmol)、4-二甲基吡啶(DMAP∕CHS =1 mmol/mmol)和1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基-碳二亚胺盐酸盐(EDC∕) CHS =1.2 mmol/mmol)分别溶于10 mL DMSO中,室温搅拌,活化1小时;将活化反应滴入普鲁兰多糖溶液中; 48 小时后停止反应。将反应物滴入 200 mL 无水乙醇中,然后形成白色沉淀。抽滤,产物用适量的乙醇、四氢呋喃和乙醚洗涤,然后在80°C下干燥。获得了三种具有不同胆固醇取代度的 CHP 聚合物:CHP-1、CHP-2 和 CHP-3 [36]。普鲁兰多糖和 CHP 聚合物 10-20 毫克在超声波条件下用 DMSO-d6 溶解, 1 检查了 H NMR 谱。 CHP聚合物中胆固醇的取代度是根据α-1,4和α-1,6糖苷键和亚甲基峰下面积确定的。
载药热电联产纳米粒的制备和表征
如 [37, 38] 所述合成载有米托蒽醌的 CHP NP,载药 NP 通过透析获得,三种 CHP NP 各用 40 毫克替换为不同程度的胆固醇,并用 4 毫克米托蒽醌作为备用。将新制备的载药纳米颗粒或冻干后分散在蒸馏水中的载药纳米颗粒滴在带有碳支撑膜的铜网上,滤纸沥干。将网格置于干燥器中,然后将 2% (w /w )加入磷钨酸(2%),自然干燥后呈阴性,透射电子显微镜(TEM)观察[38]。将新制备的载药纳米颗粒或载药纳米颗粒冻干后分散在蒸馏水中的溶液倒入比色皿中,放入粒度仪进行检测。每个样品经过 3 次处理,得到大小均匀、电位均匀的 NPs。
载药热电联产 NP 的载药量和包封效率的测量
负载米托蒽醌的 CHP NPs 的载药量 (LC%) 和包封率 (EE%) 测定如下 [31, 39] 如下:
$$ \mathrm{EE}=\frac{\mathrm{The}\ \mathrm{amount}\ \mathrm{of}\ \mathrm{drug}\ \mathrm{in}\ \mathrm{the}\ \mathrm{ NPs}}{\mathrm{Total}\ \mathrm{amount}\ \mathrm{of}\ \mathrm{Drug}} $$ $$ \mathrm{LC}=\frac{\mathrm{The}\ \mathrm{数量}\ \mathrm{of}\ \mathrm{Drug}\ \mathrm{in}\ \mathrm{the}\ \mathrm{NPs}}{\mathrm{The}\ \mathrm{amount}\ \mathrm{of }\ \mathrm{NPs}\ \mathrm{权重}} $$药物释放研究
将三种类型的米托蒽醌负载 NP 置于磷酸盐缓冲盐水 (PBS) 和 pH =6.8 和 4.0 的释放介质中。体外透析研究米托蒽醌的释放,并按文献[40]计算累积释放百分比(Q%)。
细胞系和培养条件
由P Guo博士(西安交通大学泌尿外科研究所,西安,陕西,中国)提供的鼠膀胱癌细胞系MB49在补充有10%胎牛血清(Hyclone,Logan)的DMEM(Lonza)中培养, UT, USA) 和 1% 青霉素-链霉素,温度为 37°C,在含有 5% CO2 的加湿空气中。
细胞活力测定
通过基于四唑的测定评估细胞活力。简而言之,细胞以 2 × 10 4 96 孔培养板中的每孔,并使其附着 24 小时。在实验开始时优化了不同的接种密度。细胞在培养箱中用不同浓度的米托蒽醌处理 24 小时。将 0.0078、0.0156、0.03125、0.0625、0.125、0.25、0.5 和 1 μM 的米托蒽醌溶解在补充有 1% 胎牛血清的 DMEM 中。将一定量的 50 μL MTT 四唑鎓盐 (Sigma) 以 2 mg/mL 溶解在 Hank's 平衡溶液中,加入指定处理的每个孔中,并在 CO2 培养箱中孵育 5 小时。最后,从每个孔中吸出培养基并加入 150 μL DMSO (Sigma) 以溶解甲臜晶体。使用Dynatech MR5000酶标仪在测试波长490 nm和参考波长630 nm处获得各孔的吸光度。
米托蒽醌的 IC50 值由剂量-反应曲线确定。通过 MTT 比较了具有三个取代度的三个 NPs 浓度(0.0625、0.125、0.25 μM)。实验步骤同米托蒽醌。
细胞凋亡评估
使用膜联蛋白 V-FITC/碘化丙啶 (PI) 通过流式细胞术测定细胞凋亡率。简而言之,将处理过的细胞用冷 PBS 洗涤两次,然后以 2 × 10 6 重悬于结合缓冲液中 细胞/毫升,根据制造商的说明。然后,将 5 μL Annexin V-FITC 和 5 μM PI 添加到 100 μL 细胞悬液中,并在室温下避光孵育 30 分钟。加入300 μL结合缓冲液后,1 h内流式细胞仪检测到标记细胞。
所有早期凋亡细胞(Annexin V-FITC 阳性 [染成绿色],PI 阴性)、坏死细胞(Annexin V-FITC 阴性、PI 阳性)、晚期凋亡细胞(双阳性)以及活细胞(双阴性)通过流式细胞术(FCM)检测并使用Cell Quest软件(Becton Dickinson)进行分析。异硫氰酸荧光素 (FITC) 的氩激光激发波长为 488 nm,发射波长为 530 nm(FL-1 通道),PI 的发射波长为 670 nm(FL-3 c3 通道)。此外,通过荧光显微镜检查细胞凋亡。首先,1.0 ×10 5 将细胞接种在 96 孔培养板中,24 小时后,细胞按上述处理,然后 24 小时后,将 100 μL 结合缓冲液、1 μL Annexin V-FITC 和 1 μLPI 在室温避光加入细胞中15 min,低温保存,荧光显微镜观察。
细胞迁移分析
共 8 × 10 5 将细胞接种在六孔板中并使其完全融合。使用鸡尾酒棒损伤单层。如图所示,将细胞与无血清 DMEM 一起温育。在 0、6、12、24 和 48 小时拍摄数字图像。使用Image J计算平均面积,实验重复3次。
结果与讨论
CHP 结合物和胆固醇的替代程度
1 CHP(带有 TMS 的 DMSO-d6,ppm)的 H NMR 值为 2.53 ppm(2 个亚甲基,–OCH2CH2O–)。图 1 显示了 1 H NMR 光谱,证实胆固醇通过琥珀酸间隔臂化学键合到支链淀粉长链上。在不同进料比(a、b、c)下合成的三种 CHP NP 的光谱显示出支链淀粉的特征峰; α-1-4 和 α-1,6 糖苷键分别为 ∂4.68(1Hα1-6)、∂5.05(1Hα1-4) 和 ∂2.53(2 个亚甲基,-OCH2CH2O-),这也很容易区分。新的特征峰出现在 0.40 到 2.40(胆甾骨架上的氢),这证实了三种 CHP 聚合物的合成成功。峰下面积反映了原子数,胆甾醇取代度可按下式计算[41]:
结论
载有米托蒽醌的 CHP NPs 的大小与聚合物中胆固醇取代的程度有关。疏水取代度越高,尺寸越小,载药量和包封率越大,药物释放越慢。在酸性条件下,酸性越强,CHP NPs 的释放越快。此外,较大尺寸的 NPs 的释放是最好的,较大尺寸的 NPs 可以比较小尺寸的 NPs 更好地抑制膀胱细胞的生长和迁移。 CHP NPs主要通过在细胞外释放纳米级药物来杀死癌细胞。
纳米材料
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