Nanopartikel FePO4: Penghantar Biokompatibel untuk Pengiriman Doxorubicin, Stabilisasi RNA, dan Aktivitas Antikanker yang Ditingkatkan

Abstrak

Nanopartikel FePO₄ menggabungkan biokompatibilitas, bioavailability tinggi, responsivitas magnetik, dan properti sensoris yang unggul, membuatnya ideal untuk pengayaan pangan, imaging biomedis, dan pengiriman obat. Dalam studi ini, kami merancang FePO₄ sebagai penghantar untuk ajen antikanker doksorubicin (DOX), mencapai pemuatan obat optimal sebesar 26,81 ± 1,0 %. Partikel FePO₄-DOX yang dihasilkan menunjukkan distribusi ukuran yang seragam, biokompatibilitas yang bergantung pada konsentrasi (>70 % keberadaan hingga 80 µg/mL), dan peningkatan 10 kali lipat sitotoksisitas dibandingkan DOX bebas, dengan selektivitas yang ditingkatkan untuk sel kanker. Selain itu, nanopartikel FePO₄ mengstabilisir RNA dan melestarikan aktivitas translasi mRNA, menekankan potensinya sebagai platform pengiriman multifungsi untuk asam nukleat terapeutik. Temuan ini menyoroti serbagunannya partikel FePO₄ untuk pengiriman obat dan RNA yang aman, serta janjinya dalam aplikasi pengayaan pangan.

Pendahuluan

Di antara nanomaterial anorganik, nanopartikel berbasis logam besi (Fe-NPs) menonjol karena sifat magnetik, metabolisme endogen, dan aplikasi yang disetujui FDA dalam imaging kontras, pengiriman obat, dan hipertermia. Nanopartikel FePO₄, khususnya, menunjukkan biokompatibilitas yang baik, bioavailability oral yang tinggi, dan dampak organoleptik minimal, membuatnya menarik untuk pencegahan anemia defisiensi besi melalui pengayaan pangan. Penyerapan sel usus terjadi terutama melalui divalent metal transporter-1 (DMT-1), memastikan penyerapan yang efisien. Di luar imaging, FePO₄ menawarkan rute sintesis kimia sederhana dan dapat diskalakan yang menghasilkan partikel monodispers dengan muatan permukaan yang terkontrol, memungkinkan pemuatan obat yang kuat dan stabilisasi asam nukleat. Penelitian ini mengeksplorasi FePO₄ sebagai kendaraan pengiriman obat untuk DOX dan sebagai stabilisir RNA, bertujuan untuk menunjukkan satu platform yang menangani kebutuhan terapeutik dan nutrisi.

Hasil dan Pembahasan

Sintesis, Karakterisasi, dan Biokompatibilitas Nanopartikel FePO₄

FePO₄ disintesis melalui co-precipitation sederhana fosfat amonia dan nitrat besi(III), diikuti dispersi dalam DSPE-PEG-COOH untuk mencegah agregasi. Pencaran cahaya dinamis mengungkapkan diameter hidrodinamis 175 ± 5 nm dengan indeks polidispersi 0,15 ± 0,01, yang menunjukkan homogenitas ukuran yang baik. Pengukuran potensi zeta menunjukkan muatan permukaan negatif −19,1 ± 8 mV, yang mengurangi opsonisasi protein dan memperpanjang waktu sirkulasi. Spektra FTIR mengonfirmasi kehadiran grup PO₄³⁻ dan kehabisan sisa prekursor, memverifikasi keurnian produk. Assay MTT pada sel osteosarcoma tikus K7M2 dan fibroblast NIH/3T3 menunjukkan keberadaan yang bergantung pada konsentrasi, dengan >70 % kelangsungan sel hingga 80 µg/mL, mengonfirmasi biokompatibilitas nanopartikel FePO₄ dalam jendela terapeutis yang relevan.

Nanopartikel FePO4: Penghantar Biokompatibel untuk Pengiriman Doxorubicin, Stabilisasi RNA, dan Aktivitas Antikanker yang Ditingkatkan

Pemuatan Doksorubicin dan Sitotoksisitas yang Ditingkatkan FePO₄-DOX

DOX dimasukkan melalui co-incubasi dengan Fe(NO₃)₃ diikuti oleh presipitasi dengan (NH₄)₃PO₄, menghasilkan efisiensi pemuatan 26,81 ± 1,0 %. Kompleks Fe³⁺–DOX terbentuk selama langkah ini, seperti yang dikonfirmasi oleh perubahan warna dari kuning ke cokelat dan emisi fluoresensi yang tidak berubah (590 nm). Ukuran hidrodinamis tetap 187 ± 7 nm, sementara muatan permukaan bergeser ke −8,89 ± 5 mV, yang mencerminkan sifat kationik DOX yang terikat. Assay sitotoksisitas mengungkapkan pengurangan 10 kali lipat nilai IC₅₀ dibandingkan DOX bebas (NIH/3T3: 0,248 µM vs. 2,61 µM; K7M2: 0,107 µM vs. 1,01 µM). Pentingnya, nanopartikel FePO₄-DOX mempertahankan >70 % keberadaan pada konsentrasi FePO₄ yang setara, menunjukkan bahwa sitotoksisitas yang ditingkatkan timbul dari komplekasi Fe³⁺-DOX daripada toksisitas nanopartikel. Pembijakan selektif sel kanker terhadap fibroblast juga diperkuat, dengan perbedaan keberadaan 19 % pada 0,1 µM DOX yang setara.

Internalisasi Seluler Nanopartikel FePO₄-DOX

Mikroskopi konfokal sel K7M2 mengungkapkan penyerapan yang negligible pada 0,5–1 jam, diikuti oleh fluoresensi intracellular yang jelas pada 3 jam, setara dengan DOX bebas. Profil internalisasi yang bergantung pada waktu menunjukkan bahwa nanopartikel FePO₄-DOX dapat secara efektif mengirimi DOX ke dalam sel kanker dalam jendela waktu yang relevan klinis, sementara sifat magnetik FePO₄ memungkinkan aplikasi teranostik potensial.

Stabilisasi RNA dan Ekspresi Fungsional

Nanopartikel FePO₄ melindungi RNA model dari hidrolisis dan nuklease, seperti yang ditunjukkan oleh pita utuh pada elektroforesis gel agarose RNA (RAGE) setelah incubasi dalam air dan serum. Sebaliknya, nanopartikel tembaga dan nanotubus karbon mempercepat degradasi. Assay fungsional menggunakan mRNA yang mengkodekan luciferase menunjukkan bahwa FePO₄ melestarikan efisiensi translasi, menghasilkan peningkatan luminescence dua kali lipat dibandingkan kontrol, sedangkan nanopartikel tembaga mengurangi ekspresi. Hasil ini menggarisbawahi FePO₄ sebagai stabilisir RNA yang kuat yang mempertahankan aktivitas biologis, memosisikannya sebagai kandidat untuk terapi dan vaksin berbasis mRNA.

Kesimpulan

Nanopartikel FePO₄, yang disintesis melalui strategi co-precipitation dan PEGylation sederhana, membentuk partikel monodispers (~175 nm) dengan muatan permukaan negatif yang stabil. Mereka menunjukkan biokompatibilitas yang tinggi (>70 % keberadaan hingga 80 µg/mL) dan pemuatan DOX yang efisien (26,8 %). Nanopartikel FePO₄-DOX memberikan sitotoksisitas yang ditingkatkan (pengurangan IC₅₀ 10 kali lipat) dan selektivitas yang ditingkatkan untuk sel kanker. Partikel ini juga mengstabilisir RNA terhadap hidrolisis dan melestarikan aktivitas translasi mRNA, memvalidasi peran ganda mereka sebagai penghantar obat dan asam nukleat. Atribut-atribut ini membuat nanopartikel FePO₄ sebagai platform yang menarik untuk pengiriman terapeutik dan untuk pengayaan pangan dengan besi dan senyawa bioaktif.

Metode

Sintesis dan Karakterisasi Nanopartikel FePO₄

Nanopartikel FePO₄ dihasilkan dengan mencampur larutan setara molar fosfat amonia (16 mg/mL) dan nitrat besi(III) (8 mg/mL) di bawah pengadukan konstan, diikuti oleh sentrifugasi dan pencucian untuk menghilangkan sisa prekursor. Hasil presipitasi dispersi dalam DSPE-PEG-COOH (10 % w/w) untuk menghasilkan nanopartikel stabil. Ukuran dan potensi zeta diukur oleh DLS; identitas kimia dikonfirmasi oleh FTIR.

Pemuatan Doksorubicin

DOX (100 µg) ditambahkan ke larutan Fe(NO₃)₃ atau (NH₄)₃PO₄ sebelum presipitasi untuk mencapai komplekasi dengan Fe³⁺. Partikel FePO₄-DOX yang dihasilkan dicuci tiga kali dan dikuantifikasi oleh spektroskopi fluoresensi (eksitasi 490 nm, emisi 595 nm). Efisiensi pemuatan dihitung sebagai ((DOX dalam NPs – DOX dalam sobrenatan)/DOX awal) × 100.

Assay Biokompatibilitas dan Sitotoksisitas

Sel osteosarcoma tikus K7M2 dan fibroblast NIH/3T3 ditanami pada 10.000 sel/well dalam plate 96-well, diobati dengan FePO₄ atau FePO₄-DOX (20–600 µg/mL) selama 48 jam, dan keberadaan dievaluasi oleh MTT (550 nm). Garis sel juga diekspos kepada DOX bebas (0,05–5 µM) untuk perbandingan sitotoksisitas.

Internalisasi Selular

Untuk imaging konfokal, sel K7M2 (12.000 sel/well) diobati dengan 5 µg/mL DOX atau FePO₄-DOX selama 0,5, 1, dan 3 jam, di-fixed, diwarnai dengan DAPI, dan diimaging pada Zeiss LSM-700. Fluoresensi DOX (560 nm) digunakan untuk melacak penyerapan intracellular.

Stabilitas RNA dan Ekspresi

RNA ragi Torula (1 mg/mL) diincubasi dengan 20 µg/mL Cu, FePO₄, Ag, CNT, atau ZnO nanopartikel pada 37 °C dan dipantau seiring waktu oleh RAGE. Untuk stabilitas serum, RNA diincubasi dalam 10 % FBS/DMEM. mRNA yang mengkodekan luciferase ditranslasikan dalam lisat reticulocyte kelinci dengan atau tanpa 20 µg/mL FePO₄ atau nanopartikel Cu, dan luminescence diukur dengan pembaca Biotek Synergy H1.