Menyetel Toksisitas Spesies Oksigen Reaktif menjadi Terapi Tumor Tingkat Lanjut

Melawan Api dengan Api

ROS telah dilaporkan terkait dengan perkembangan kanker dan kematian sel kanker. Setelah toksisitas ROS dapat dikontrol dengan baik, penerapan nanomedicines terkait ROS tampaknya menjadi pendekatan yang menjanjikan untuk aplikasi terapi tumor [7, 19, 20]. Pertama, sejumlah besar studi tentang mekanisme toksisitas ROS telah memberikan dasar yang kuat untuk pengembangan metode transformasi toksisitas menjadi efek terapeutik [5, 6]. Selain itu, dari perspektif praktis, banyak ilmuwan telah menunjukkan kelayakan modifikasi nanomedicines untuk mengubah sifat fisikokimia mereka, memungkinkan kontrol yang tepat dari tingkat ROS di situs tertentu. Oleh karena itu, nanomedicines terkait ROS memiliki potensi besar untuk menjadi alat terapi independen. Memang, beberapa studi bukti konsep telah secara khusus membahas potensi ini.

ROS mempromosikan perkembangan tumor dengan menginduksi mutasi DNA dan ketidakstabilan genom atau sebagai molekul sinyal, mempercepat proliferasi sel tumor, kelangsungan hidup dan metastasis. Namun, ROS yang berlebihan meningkatkan stres oksidatif seluler, mengakibatkan kerusakan DNA, protein atau lipid, dan menyebabkan apoptosis atau nekrosis sel [21, 22]. Oleh karena itu, meningkatkan ROS dalam sel tumor melalui nanomedicines telah diterapkan untuk pengobatan kanker klinis. Pada bagian berikut, kami akan mensurvei pendekatan yang memungkinkan untuk meningkatkan tingkat ROS intraseluler, termasuk terapi fotodinamik (PDT), terapi kemodinamik (CDT) dan terapi radiasi (RT) dalam terapi kanker, sehingga memfasilitasi pengembangan strategi baru di masa depan untuk mengatasi keterbatasan terapi kanker berbasis ROS saat ini.

Terapi Fotodinamik

Dalam sistem PDT yang khas, photosensitizers (PSs), cahaya dan oksigen adalah tiga komponen penting dari PDT. PS diubah dari keadaan dasarnya ke keadaan tereksitasi tripletnya melalui keadaan singlet berumur pendek sebagai akibat dari eksitasi dengan cahaya dengan panjang gelombang tertentu, dan mengarah untuk menghasilkan ROS sitotoksik berlebih, kemudian ROS akhirnya menginduksi regresi lesi yang ditargetkan. [23,24,25]. Gambar 2 menunjukkan mekanisme PDT:Dalam mekanisme tipe I, PS bereaksi langsung dengan molekul organik dalam lingkungan mikro seluler, memperoleh atom hidrogen atau elektron untuk membentuk radikal, yang mengarah pada produksi ROS dan degradasi makromolekul, yang bersifat sitotoksik ke sel [23]. Dalam mekanisme tipe II, PS dalam keadaan triplet dapat meluruhkan radiasi lebih sedikit ke keadaan dasar atau mentransfer energinya ke oksigen molekuler, yang unik karena menjadi triplet dalam keadaan dasar, yang mengarah pada pembentukan ROS sitotoksik, seperti singlet oksigen ( ¹ O₂ ). Sayangnya, karena penyerapan cahaya yang lemah di jendela transparan optik jaringan biologis, sebagian besar PS yang tersedia seperti photofrin menunjukkan ¹ yang rendah. O₂ hasil kuantum ketika bersemangat oleh cahaya dalam jendela fototerapi [26]. Lebih lanjut, penerapan PDT telah dibatasi oleh bioavailabilitas PS yang buruk, dan kadar oksigen yang rendah pada tumor dapat semakin menurunkan ¹ O₂ produksi [27, 28]. Oleh karena itu, desain dan eksploitasi PS yang sesuai memainkan peran penting dalam mempromosikan pengembangan PDT. Nanomaterials sebagai teknik yang menjanjikan untuk PDT yang dapat mengatasi sebagian besar keterbatasan PS tradisional. Bagian ini menyisir contoh terbaru yang meningkatkan tingkat ROS intraseluler untuk meningkatkan PDT, termasuk berbagai jenis bahan nano.

Gambar skema reaksi fotodinamik yang khas [23]

Lembar nano fosfor hitam (BP NSs) dengan struktur pita energi unik menghasilkan ¹ O₂ di bawah iradiasi cahaya inframerah-dekat (NIR) 660 nm; oleh karena itu, mereka dapat dikembangkan sebagai PS yang sangat efektif untuk PDT. Selanjutnya, penelitian telah menunjukkan bahwa BP NS dapat terdegradasi dan memiliki kinerja biosafety yang baik [29] (Gbr. 3a). Zhang dkk. merancang nanosheet hibrid BP-PEI/AuNPs, yang menghibridisasi BP NS yang digunakan sebagai PS anorganik dua dimensi (2D) dengan nanopartikel emas (AuNPs) melalui polieterimida (PEI). Efek PDT yang meningkat secara signifikan dari nanosheet BP-PEI/AuNPs menghasilkan penghambatan efektif pertumbuhan tumor baik in vitro maupun in vivo (Gbr. 3b) [30]. Yang dkk. berhasil dikembangkan, titik kuantum BP (BPQDs) dan menyelidiki potensi mereka untuk berfungsi sebagai agen PDT. BPQD menunjukkan stabilitas yang baik dalam media fisiologis dan tidak ada toksisitas yang dapat diamati setelah konjugasi PEG. Selain itu, BPQD dapat secara efektif menghasilkan ¹ O₂ di bawah penyinaran cahaya. Baik studi in vitro dan in vivo menunjukkan bahwa BPQD menunjukkan efisiensi antitumor yang sangat baik melalui PDT (Gbr. 3c) [31]. Guo dkk. melaporkan kelas baru sistem terapi multimodal berdasarkan BP NS. Menggunakan DOX sebagai obat modal, BP memiliki kapasitas pemuatan obat yang sangat tinggi untuk DOX. Di bawah cahaya inframerah-dekat, BP NS dapat secara efektif menghasilkan ¹ O₂ di bawah penyinaran cahaya NIR. Sifat intrinsik BP NS memungkinkan mereka untuk secara bersamaan berfungsi sebagai agen PDT dan PTT yang efisien (Gbr. 3d) [32].

a Diagram skema untuk pengelupasan air massal B.P. menjadi nanosheet ultra tipis. b Persiapan dan tampilan skema biofungsi BP-PEI/AuNPs. Dalam sel kanker, PTT/PDT yang ditingkatkan oleh resonansi plasmon permukaan lokal (LSPR) secara bersamaan dapat meningkatkan hipertermia dan oksigen singlet untuk fototerapi kanker. c Diagram skema sintesis BPQD dan aplikasi potensial mereka di PDT. d Pandangan umum singkat dari sistem penghantaran obat berbasis BP untuk fotodinamik sinergis/fototermal/kemoterapi kanker [29,30,31,32]

Nanopartikel berbasis emas, juga telah dipelajari secara ekstensif untuk aplikasi di PDT [33]. Hwang dkk. telah menyajikan contoh literatur pertama dari PDT yang dimediasi nanomaterial dan menunjukkan bahwa pada penyinaran cahaya NIR, Au NRs dapat memediasi efek PDT untuk menghancurkan tumor sepenuhnya pada tikus tanpa adanya fotosensitizer organik tambahan (Gbr. 4a) [34]. Chen dkk. kluster emas emisi terinduksi agregasi yang dirancang (AIE-Au) untuk mencapai PDT (X-PDT) terinduksi sinar-X dosis rendah yang efisien dengan efek samping yang dapat diabaikan. Pendaran yang diinduksi sinar-X menggairahkan fotosensitizer terkonjugasi, menghasilkan efek PDT. Eksperimen in vitro dan in vivo menunjukkan bahwa AIE-Au secara efektif memicu pembentukan ¹ O₂ dengan pengurangan urutan besarnya dosis sinar-X, memungkinkan pengobatan kanker yang sangat efektif (Gbr. 4b) [35]. Jiang dkk. mengembangkan AuNCs yang dilapisi asam dihydrolipoic (AuNC@DHLA) sebagai PS untuk PDT in vivo yang efisien. Berbeda dengan ¹ O₂ (tipe II) mekanisme PS yang paling konvensional, mekanisme fotokimia AuNC@DHLA melibatkan proses tipe I. Dengan AuNC@DHLA sebagai PS, PDT in vivo yang sangat efisien telah dicapai (Gbr. 4c) [36].

a Mekanisme kerja skema efek terapi fototermal dan fotodinamik yang diberikan oleh Au NRs pada dosis cahaya rendah. b Diagram skematis model kerja R-AIE-Au untuk fluoresensi dan pencitraan CT yang dipandu sinar-X yang ditingkatkan RT dan PDT. c Ilustrasi skema mekanisme terapi kanker AuNC@DHLA PDT. AuNC@DHLA dapat diinternalisasi melalui endositosis yang dimediasi caveolae dan terakumulasi dalam lisosom, di mana generasi ROS mengarah ke LMP. Perubahan MMP selanjutnya, morfologi mitokondria, dan penghancuran sitoskeleton akhirnya menyebabkan kematian sel. PDT in vivo dicapai dengan penyinaran laser NIR fs [34,35,36]

Meskipun PDT telah diterapkan secara klinis dalam beberapa tahun terakhir, itu belum menjadi pengobatan lini pertama. Ini sangat tergantung pada fotosensitivitas kompleks PDT, yang membutuhkan koordinasi yang baik antara cahaya, PS dan oksigen (O₂ ), yang sangat membatasi kemanjuran PDT. Dalam beberapa tahun terakhir, untuk meningkatkan efisiensi generasi ROS yang dimediasi PDT, banyak metode telah dikembangkan, seperti penggunaan bahan nano baru sebagai sensor cahaya untuk meningkatkan kedalaman penetrasi cahaya, dan penggunaan kompleks obat-nano sebagai O₂ sistem pasokan untuk memecahkan jaringan tumor. Namun, hubungan antara waktu retensi dan distribusi spasial oksigen yang disediakan oleh sistem nano dan efektivitas sistem nano untuk meningkatkan efek anti-tumor perlu dipelajari lebih lanjut.

Terapi Kemodinamik

Terapi kemodinamik (CDT) adalah metode pengobatan kanker baru yang menggunakan reaksi mirip Fenton/Fenton antara logam dan peroksida untuk menghasilkan radikal hidroksil yang sangat reaktif ( ^· OH) untuk mencapai pembunuhan sel tumor yang efisien [37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47]. Saat ini, metode utama untuk mencapai CDT adalah dengan memberikan ion logam transisi aktif Fenton, sehingga memicu konversi H₂ intraseluler O₂ untuk ^· OH yang menginduksi stres oksidatif dan kematian sel kanker selanjutnya melalui oksidasi berbagai biomolekul seperti DNA dan protein [13, 16, 46,47,48,49,50,51,52,53]. Reaksi Fenton telah ditulis sebagai Persamaan. (1) dan (2) [46].

Reaksi Fenton adalah proses di mana H₂ O₂ bereaksi dengan ion besi untuk menghasilkan ^· OH dengan sifat pengoksidasi kuat. Sejak konten H₂ O₂ pada tumor secara signifikan lebih tinggi daripada di jaringan normal, generasi ^· OH berdasarkan reaksi Fenton adalah solusi yang lebih disukai untuk penggunaan ROS untuk mencapai terapi tumor selektif; transportasi ion besi yang efektif dan spesifik ke lokasi tumor telah menjadi pusat penelitian. Memanfaatkan karakteristik lingkungan mikro asam lemah tumor, bahan nano berbasis besi yang peka terhadap asam dapat mencapai pelepasan ion besi secara selektif di lokasi tumor, yang diharapkan dapat mencapai pengobatan tumor yang efisien dan spesifik.

Untuk tujuan ini, Hou et al. mengembangkan agen terapi kanker yang dipandu MRI yang dapat diganti berdasarkan generasi ROS oleh Fe₅ C₂ @Fe₃ O₄ NP. Biaya₅ C₂ @Fe₃ O₄ NP peka terhadap pH, melepaskan ion besi di lingkungan tumor yang asam, dan Fe ²⁺ yang dilepaskan ion tidak proporsional dengan H₂ O₂ yang diproduksi secara berlebihan di lokasi tumor untuk menghasilkan ^· OH untuk terapi tumor yang efektif (Gbr. 5a) [54]. Selain itu, mereka memiliki sifat magnetik tinggi, yang bermanfaat karena memungkinkan visualisasi agregasi tumor melalui penargetan magnetik dan T2-weighted MRI. Orientasi tumor yang efektif dan generasi ROS dikonfirmasi melalui eksperimen in vitro dan in vivo, yang menunjukkan kemanjuran terapeutik yang sangat baik dengan toksisitas rendah. Selain itu, pelarutan Fe₅ C₂ @Fe₃ O₄ NP di wilayah pH rendah mengurangi sinyal T2 pada MRI, dan pelepasan ion besi meningkatkan sinyal T1, memberikan terapi tumor yang diawasi oleh MRI. Ini Biaya₅ C₂ @Fe₃ O₄ NP adalah paradigma perintis penerapan besi karbida untuk regresi tumor berdasarkan katalisis selektif dari reaksi Fenton tanpa memerlukan masukan energi eksternal, memberikan strategi yang terlihat untuk terapi tumor yang efisien dan spesifik (Gbr. 5b). Dalam contoh lain, Shi et al. dieksplorasi kerangka logam-organik yang mengandung besi [MOF(Fe)] nanokatalis sebagai mimik peroksidase digunakan untuk mengkatalisis generasi pengoksidasi tinggi ^· Radikal OH secara khusus di dalam sel kanker, sementara klorokuin diterapkan untuk deacidify lisosom dan menghambat autophagy, memotong jalur perlindungan diri di bawah stres oksidatif yang parah (Gbr. 5c). Sel kanker gagal mengekstrak komponennya untuk mendetoksifikasi dan memperkuat diri, akhirnya menyerah pada kerusakan oksidatif yang diinduksi ROS selama terapi nanokatalitik. Baik hasil in vitro dan in vivo menunjukkan bahwa pendekatan terapi kombinasional seperti itu menghasilkan efek antineoplastik yang luar biasa, yang mungkin diharapkan untuk desain rejimen pengobatan di masa depan [55].

a Diagram Fe₅ C₂ @Fe₃ O₄ NP untuk Fe yang responsif terhadap pH ²⁺ melepaskan, generasi ROS dan konversi sinyal T2/T1. b Pergantian model MRI yang bergantung pada pH dari PEG/Fe₅ C₂ @Fe₃ O₄ nanopartikel. c Ilustrasi skema untuk bahan kimia yang mendasari dan konsep terapeutik:MOF (Fe) mengkatalisis reaksi mirip Fenton dalam sel kanker untuk mengubah H₂ intrinsik nontoksik O₂ menjadi ^· . yang sangat oksidatif OH, yang menyerang dan menonaktifkan protein dan organel sekitar dan menyebabkan akumulasi yang menyimpang. d Skema prosedur sintetik dan sistem nano kerangka logam-organik tembaga yang responsif terhadap hipoksia untuk terapi kanker yang lebih baik [54, 55, 65]

Selain produksi ROS yang dimediasi oleh ion besi atau NP berbasis besi, ion logam lainnya, seperti Mn ²⁺ , Cu ²⁺ , Ag ⁺ dan Pt ²⁺ , serta NP yang sesuai, juga menunjukkan aktivitas seperti Fenton [56,57,58,59,60,61,62,63,64]. Zhang dkk. melaporkan nanopartikel kerangka logam-organik tembaga (Cu-MOF NPs) bahwa kluster tembaga dijembatani oleh ligan organik yang dimuat dengan sonosensitizers chlorin e6 (Ce6), yang menunjukkan akumulasi tumor yang baik, pelepasan sesuai permintaan banyak Cu ²⁺ dan Ce6 dalam menanggapi hipoksia TME, mencapai terapi kemodinamik/sonodinamik (CDT/SDT) yang menghabiskan glutathione (GSH) (Gbr. 5d) [65]. Secara rinci, NP Cu-MOF ukuran besar secara efektif terakumulasi dalam tumor melalui peningkatan permeabilitas dan efek retensi (EPR), dan TME hipoksia memicu degradasi NP Cu-MOF untuk melepaskan Cu ²⁺ dan Ce6 dan penetrasi tumor yang dalam. Redoks antara Cu ²⁺ free gratis dan GSH tingkat tinggi intraseluler, mengakibatkan penipisan GSH dan mengurangi Cu ²⁺ ke Cu ⁺ . Cu ⁺ katalitik Reaksi seperti Fenton menunjukkan aktivitas katalitik dan spesifisitas yang tinggi dalam TME asam lemah, yang menunjukkan sitotoksisitas terhadap sel kanker. Penipisan GSH dan SDT yang dimediasi Ce6 semakin meningkatkan efisiensi terapi. Hasil in vivo menunjukkan NP Cu-MOF secara selektif dan efektif membunuh kanker dengan spesifisitas tinggi dan invasif minimal.

Dalam beberapa tahun terakhir, CDT telah membuat kemajuan pesat di bidang terapi tumor, tetapi masih ada beberapa tantangan dalam proses transformasi klinis. Misalnya, serangkaian tantangan seperti sintesis berulang bahan nano, keamanan hayati bahan nano, kriteria evaluasi untuk efek terapeutik bahan nano dan prinsip biologis yang lebih dalam, masih memerlukan upaya bersama dari para peneliti dari berbagai disiplin ilmu untuk memecahkannya.

Terapi Radiasi

Terapi radiasi (RT) adalah salah satu metode yang paling banyak digunakan dalam pengobatan kanker dan memainkan peran yang sangat penting dalam pengobatan kanker [66]. RT, mengambil keuntungan dari radiasi pengion intensitas tinggi untuk menekan proliferasi tumor tanpa batasan kedalaman, di mana ia dapat menginduksi kerusakan untai ganda DNA dengan menghasilkan spesies oksigen reaktif sitotoksik (ROS) yang cukup besar yang dihasilkan oleh ionisasi air di sekitarnya [66,67 ,68,69]. Oleh karena itu, untuk meningkatkan kerusakan sel yang diinduksi radiasi pengion selama radioterapi, generasi ROS yang memadai sangat penting untuk menginduksi kerusakan untai ganda DNA dengan bereaksi dengan DNA dan sangat menekan rekonstruksi DNA untai ganda yang rusak [70]. RT terutama menggunakan radiasi pengion untuk menyinari jaringan tumor untuk menghancurkan DNA sel kanker dengan menghasilkan sejumlah besar oksigen reaktif sitotoksik (ROS) [71]. Ionisasi dapat menyebabkan ikatan atom dan molekul putus, dan pemutusan untai ganda DNA saat ini diyakini sebagai penyebab utama kematian sel. Namun, beberapa jenis tumor atau bahkan daerah intratumoral mungkin kurang sensitif terhadap efek membunuh kanker dari RT, karena mekanisme seperti hipoksia selama pengobatan dan percepatan reproliferasi sel tumor, yang dapat menyebabkan agregasi sel tumor yang bertahan hidup RT. Liu dkk. mengembangkan NP PFC@PLGA-RBCM, di mana inti PFC dapat melarutkan oksigen dalam jumlah besar (O₂ ) dan lapisan membran sel darah merah (RBCM) akan memungkinkan sangat memperluas sirkulasi darah untuk nanopartikel tersebut. NP PFC@PLGA-RBCM dapat secara efektif mengirimkan O₂ ke tumor setelah pemberian intravena, sehingga sangat meringankan hipoksia tumor dan secara signifikan meningkatkan kemanjuran pengobatan RT (Gbr. 6a) [72]. Zhao dkk. merancang NP GdW10 @ CS untuk meningkatkan radiosensitisasi RT pada tumor hipoksia. NP GdW10@CS secara bersamaan menggunakan GdW10@CS sebagai radiosensitizer eksternal untuk menyimpan dosis radiasi dan melenyapkan GSH intraseluler untuk menghasilkan ROS yang lebih efektif. dan HIF-1α siRNA sebagai metode stimulasi internal untuk menghambat perbaikan DNA untai ganda untuk mewujudkan efek radiosensitisasi radioterapi. siRNA HIF-1α sebagai stimulus internal untuk menghambat perbaikan DNA untai ganda dan mencapai efek radiosensitizer RT(Gbr. 6b) [73].

a Diagram mekanisme NP PFC@PLGA-RBCM untuk perawatan RT. b Representasi skema NP GdW10@CS untuk kemanjuran radiosensitisasi RT yang efisien terhadap sel tumor hipoksia. c TiO2 (Gd)-TPP NPs nanosensitizer yang ditargetkan mitokondria untuk radioterapi untuk memicu akumulasi ROS mitokondria. d Diagram skema sintesis NP@PVP dengan prodrug bismut dan cisplatin dan mekanisme peningkatan kemanjuran kemoterapi-radioterapi di bawah iradiasi sinar-X

Untuk meningkatkan kerusakan sel yang disebabkan oleh radiasi pengion dalam radioterapi, sangat penting untuk dapat menghasilkan ROS yang cukup, yang dapat menginduksi kerusakan untai ganda DNA dengan bereaksi dengan DNA dan sangat menghambat remodeling DNA untai ganda yang rusak [74 ,75,76]. Studi terbaru menunjukkan bahwa peningkatan tingkat ROS dalam sel tumor selama RT dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi RT dan mengurangi dosis radioterapi, sehingga mengurangi pembunuhan non-selektif sel normal dan efek samping sistemik yang serius pada organ pengamat. Misalnya, Tang et al. mengembangkan penargetan mitokondria, nanosensitizer titanium dioksida yang didoping Gd yang disebut TiO₂ (Gd)-TPP NP untuk RT efektif. Karena nanosensitizer memiliki penampang fotolistrik yang besar untuk sinar-X, nanosensitizer dapat secara efektif menghasilkan ROS. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa nanosensitizer yang ditargetkan mitokondria dapat secara signifikan mengurangi dosis pengobatan dan meningkatkan kemanjuran anti-tumor. Strategi ini dapat memberikan metode yang efektif dan universal untuk meningkatkan radiosensitivitas tumor dalam pengobatan kanker klinis di masa depan (Gbr. 6c) [77]. Zhan dkk. membangun platform koordinasi nano (NP@PVP) untuk prekursor bismut nitrat dan cisplatin, yaitu radiosensitizer. Bismut dalam NP@PVP dapat mensensitisasi RT dengan meningkatkan produksi ROS dan meningkatkan kerusakan DNA setelah penyinaran sinar-X dalam sel tumor. NP@PVP memiliki rasio peningkatan sensitisasi yang lebih tinggi (SER adalah 2,29) dan kemampuan ablasi tumor yang lebih baik dibandingkan dengan cisplatin (SER adalah 1,78) (Gbr. 6d) [78].

Akibatnya, banyak penelitian telah menunjukkan bahwa strategi generasi ROS yang dimediasi nano untuk mencapai sensitisasi RT memiliki potensi anti-kanker yang besar di RT, dan memiliki prospek aplikasi klinis yang baik. Dengan perkembangan biologi molekuler tumor, penelitian dan pemahaman tentang sensitisasi radioterapi nanomedicine harus masuk jauh ke dalam biologi molekuler dan tingkat gen, dan kemudian mekanisme penjelasan yang lebih penting dan universal sensitisasi radioterapi harus diusulkan. Oleh karena itu, perlu memperkuat penelitian tentang mekanisme sensitisasi radioterapi berbasis nanomaterial yang mendorong produksi spesies oksigen reaktif. Ini tidak hanya dapat memperjelas mekanisme radiosensitisasi bahan nano, dan memberikan dasar untuk penerapannya di bidang biologi; itu juga membantu untuk lebih memahami interaksi antara nanomedicine, sinar energi tinggi dan jaringan biologis, sehingga meningkatkan struktur dan kinerja nano. Memperluas cakupan aplikasi, menemukan area aplikasi baru, mengurangi toksik dan efek samping, dll. memiliki signifikansi pemandu.