Nanopartikel Curcumin-Loaded dengan Transformasi Fase Terinduksi Ultrasound Berfokus Intensitas Rendah sebagai Nanoplatform Theranostik Bertarget Tumor dan Sensitif pH dari Kanker Ovarium
Abstrak
Kami telah mengembangkan nanoplatform sederhana dan serbaguna menggunakan ferritin nanocages peka pH yang dimuat bersama dengan obat antikanker curcumin (Cur) dan fluorocarbon perfluorohexane (PFH) cair di dalam inti dan molekul penargetan tumor terkonjugasi FA di luar cangkang yang disebut sebagai FA- FCP. FA-FCP yang disintesis memiliki diameter partikel rata-rata 47 nm, dengan sifat fisikokimia yang stabil dan menguntungkan di berbagai media, dan biokompatibilitas dan keamanan hayati yang tinggi secara in vivo dan in vitro. Di bawah kondisi ultrasound terfokus intensitas rendah (LIFU) dan pada pH =5,0, FA-FCP melepaskan sejumlah besar obat (53,2%) dalam 24 jam. Setelah 4 menit perawatan LIFU (7 W), FA-FCP memberikan kemampuan pencitraan ultrasound yang ditingkatkan kontras pada pH =5,0. Karena endositosis yang dimediasi reseptor FA, FA-FCP dapat secara efisien memasuki sel dan selanjutnya pindah ke lisosom. Delapan belas jam setelah injeksi FA-FCP, tumor dirangsang oleh LIFU, menghasilkan gambar ultrasound yang ditingkatkan kontras. Eksperimen in vivo dan in vitro menunjukkan bahwa penggunaan gabungan FA-FCP dan LIFU memiliki efek pengobatan tumor yang signifikan. Berdasarkan hasil, disimpulkan bahwa FA-FCP yang dikombinasikan dengan LIFU eksternal dan lingkungan asam endogenik dapat memiliki fungsi theranostik yang kuat dan menyediakan tipe baru opsi terapi tumor non-invasif dan terintegrasi.
Pengantar
Kanker ovarium merupakan penyakit yang sangat bermetastasis dan mematikan dengan angka kematian yang tinggi [1, 2]. Karena gejala klinis awal tidak mencolok, sel tumor telah menjadi sangat bermetastasis ketika sebagian besar pasien didiagnosis [3]. Perawatan yang umum digunakan di klinik adalah kombinasi operasi sitoreduktif dan kemoterapi, dan tingkat kelangsungan hidup 5 tahun pasien dengan penyakit lanjut sangat rendah [4]. Oleh karena itu, sangat penting untuk mengembangkan strategi baru untuk pengobatan dan diagnosis kanker ovarium untuk meningkatkan kelangsungan hidup pasien secara keseluruhan. Baru-baru ini, sebuah nanoplatform yang menggabungkan terapi bertarget dan fungsi diagnostik pencitraan telah memberikan strategi pengobatan alternatif untuk pengobatan tumor yang efektif [5,6,7].
Dalam beberapa tahun terakhir, akustik-respon nanoplatform (ARN) telah banyak digunakan dalam pengobatan tumor dan penelitian diagnostik [8, 9]. ARN biasanya dirancang sebagai model microbubbles (MBs) atau nanoparticle (NPs) [10,11,12]. Dibandingkan dengan MBs, NP memiliki ukuran partikel yang lebih kecil, permeabilitas yang lebih tinggi, siklus farmakokinetik yang lebih lama, stabilitas yang lebih baik, dan kemampuan modifikasi permukaan yang lebih mudah [13]. Berbagai jenis fluorokarbon cair fase-transformable, seperti perfluoropentane (PFP), perfluorohexane (PFH), dan perfluorooctyl bromide (PFOB), biasanya digunakan untuk mencapai akustik responsif [14,15,16,17,18,19]. Fluorokarbon cair ini dapat menghasilkan gelembung, atau bahkan semburan, melalui efek akustik droplet vaporization (ADV) di bawah stimulasi ultrasound terfokus eksternal. Proses ini memberikan ARN kemampuan kontras ultrasound yang ditingkatkan. Di antara fluorokarbon cair ini, PFP memiliki titik didih rendah (29,2 °C) dan rentan terhadap gasifikasi dalam tubuh, yang menyebabkan emboli gas; PFOB memiliki titik didih yang sangat tinggi (144 °C) dan membutuhkan ultrasonografi dengan intensitas sangat tinggi untuk memicu perubahan fase cair-uap. Oleh karena itu, PFH dianggap sebagai bahan transformasi fasa yang ideal dengan titik didih 56 °C. Namun, PFH bersifat hidrofobik, dan sebaiknya dikemas dalam nanopartikel agar larut dalam air. Saat ini, berbagai bahan, seperti liposom, PLGA, mesopori organik, polimer organik, dll telah dilaporkan untuk enkapsulasi fluorokarbon cair [20,21,22,23,24]. Pada saat yang sama, pembawa ini dapat diisi dengan obat antikanker untuk memungkinkan ARN memiliki fungsi kemoterapi dan untuk menunjukkan kemampuan pelepasan obat yang dikontrol secara akustik [16, 19]. Meskipun nanoplatform yang responsif secara akustik ini telah dilaporkan menunjukkan diagnosis tumor yang baik dan kemampuan integrasi pengobatan, biokompatibilitas nanocarrier masih menjadi perhatian untuk transformasi klinis. Dalam beberapa tahun terakhir, nanocage feritin bebas besi telah banyak digunakan sebagai pembawa obat karena mereka adalah protein endogen dan memiliki sensitivitas pH yang signifikan [25,26,27]. Mereka dapat terurai di lingkungan asam dan berkumpul kembali di lingkungan basa. Hal ini membuat feritin sangat biokompatibel dan menyediakan kapasitas pemuatan dan pelepasan obat yang terkontrol.
Dalam penelitian ini, feritin digunakan sebagai pembawa untuk memuat PFH dan kurkumin (Cur) dan memodifikasi molekul penargetan spesifik tumor FA pada permukaan protein untuk mendapatkan nanoplatform multifungsi (FA-FCP). Kurkumin adalah polifenol alami, yang diekstraksi dari kunyit dan telah dilaporkan memiliki efek antikanker yang menguntungkan; namun, kelarutannya dalam air buruk [28,29,30,31]. FA-FCP meningkatkan kelarutan air dari PFH dan Cur, memiliki stabilitas fisiologis yang tinggi dalam media yang berbeda, dan memiliki biokompatibilitas dan keamanan hayati yang baik secara in vivo dan in vitro. Di bawah kondisi LIFU dan pada pH =5,0, FA-FCP melepaskan sejumlah besar obat dalam 24 jam (53,2%). Setelah 4 menit perawatan LIFU (7 W), FA-FCP pada pH =5,0 memberikan pencitraan ultrasound yang ditingkatkan kontras. Karena endositosis yang dimediasi reseptor FA, FA-FCP dapat dengan mudah memasuki sel dan berpindah dalam lisosom. Delapan belas jam setelah injeksi FA-FCP, lokasi tumor dirangsang oleh LIFU, dan tumor menunjukkan pencitraan ultrasound yang ditingkatkan kontras. Eksperimen in vivo dan in vitro telah menunjukkan bahwa FA-FCP memiliki efek signifikan pada pengobatan tumor. Hasil ini menunjukkan bahwa keunggulan penargetan yang dimediasi ligan/reseptor non-invasif, transisi fase yang dipicu LIFU, atau bahkan peledakan, dan pelepasan obat yang tepat menjadikan FA-FCP sebagai nanoplatform theranostik tumor yang menjanjikan.
Bahan dan Metode
Materi
Feritin (FRT), asam folat (FA), dan perfluorohexane (PFH) dibeli dari Sigma (St. Louis, MO, USA). Curcumin (Cur) dibeli dari Aladdin Industrial Corporation (Shanghai, Cina). NH2 -PEG2000 -FA dan NH2 -PEG2000 -COOH dipasok oleh Xi'an Ruixi Biotechnology Co., Ltd (Cina). 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) karbodiimida (EDC) dan N -hidroksisuksinimida (NHS) dibeli dari Thermo Fisher Scientific (Waltham, MA, USA). Cell Counting Kit-8 (CCK-8) diperoleh dari Dojindo Laboratories (Kumamoto, Jepang). Medium Eagle (DMEM) Dulbecco yang dimodifikasi, phosphate-buffered saline (PBS), penisilin-streptomisin, tripsin-EDTA, dan serum janin sapi (FBS) dibeli dari Gibco (Grand Island, NY, USA).
Persiapan FA-FCP
Untuk menyiapkan FA-FCP, pertama, 10 mg FRT dilarutkan dalam 10 ml air. Sebanyak 10 mg Cur dilarutkan dalam 0,3 ml DMSO. Kedua jenis larutan dan 1 ml PFH dicampur dalam kondisi pH 5.0 dan ultrasonikasi penangas es selama 30 menit. Setelah itu, nilai pH campuran diatur menjadi 7,4 untuk mendapatkan Cur dan FRT bermuatan PFH (FCP). Kedua, molekul target FA terkonjugasi secara kovalen dengan FCP melalui metode karbodiimida [8]. Singkatnya, 5 mg NH2 -PEG2000 -FA ditambahkan ke dalam larutan FCP di atas dengan adanya EDC (5 mg/ml) dan NHS (20 mg/ml). Setelah reaksi 3 jam pada suhu kamar dengan sedikit pengadukan, campuran dimurnikan melalui dialisis terhadap air suling (MW cut off =12 kDa) selama 24 h, menghasilkan FA-conjugated FCP (FA-FCP). Rasio pembebanan Cur dideteksi oleh spektrofotometer UV–Vis pada 426 nm dan dihitung sebagai (Aa Ab )/Ac , di mana Aa , Ab dan Ac mewakili bobot FA-FCP, FA-FP, dan FA-FP, masing-masing.
Karakterisasi
Ukuran dan potensi zeta dari nanopartikel diuji oleh Zeta Sizer (Malvern, NanoZS, UK). Morfologi nanopartikel diamati dengan mikroskop elektronik transmisi (TEM, Hitachi, Jepang) dan mikroskop gaya atom (AFM, Agilent Technologies 5500LS, Chandler, Arizona). Serapan seluler nanopartikel dideteksi dengan mikroskop pemindaian laser confocal (LEXT OLS4100, Olympus, Jepang) dan flow cytometry (BD, Franklin Lakes, NJ). Spektrum serapan diperoleh dengan spektrofotometer UV–Vis (UV1800, Shimadzu, Jepang).
Kultur Sel dan Model Hewan
Garis sel kanker ovarium manusia SK-OV-3 disediakan oleh Shanghai Institute of Cell Biology, Chinese Academy of Sciences. Sel dikultur dalam media DMEM yang mengandung 10% serum janin sapi dan 1% larutan penisilin-streptomisin dalam 5% CO2 pada 37 °C.
Tikus telanjang Balb/c (betina, sekitar 5 minggu) disediakan oleh Vital River Laboratory Animal Technology Co., Ltd. (Beijing, China). Untuk model tumor SK-OV-3, 1 × 10
6
sel disuntikkan ke daerah punggung kanan tikus secara subkutan. Semua prosedur eksperimental dilakukan sesuai dengan pedoman untuk Perawatan dan Penggunaan Hewan Laboratorium di Akademi Ilmu Kedokteran Sichuan dan telah disetujui oleh Komite Etik Akademi Ilmu Kedokteran Sichuan.
pH/LIFU Dipicu Rilis Saat Ini
Larutan berair FA-FCP dibagi menjadi empat bagian dan dimasukkan ke dalam kantong dialisis (MW 5000). Mereka kemudian didialisis ke dalam 10 ml larutan PBS yang memiliki pH masing-masing 5,0 dan 7,4. Setelah 3 h, larutan berair diperlakukan dengan atau tanpa LIFU (7 W, 5 min) (siklus kerja 50%, mode gelombang pulsa dan prosedur berikut tetap konsisten). Pada titik waktu tertentu, 1 ml dialisat dihilangkan dan ditambahkan larutan blanko dengan volume yang sama dan pH yang sama. Dialisat diambil dan diukur dengan spektrometer UV-Vis, dan konsentrasi Cur dihitung.
Properti ADV dan Fungsi Pencitraan AS FA-FCP
FA-FCP pada kondisi pH =5,0 dan 7,4 diiradiasi dengan kekuatan LIFU yang berbeda (5, 6, 7 W) dan untuk total waktu yang berbeda (3, 4, dan 5 min) pada model gel agarosa, kemudian citra US diamati oleh peralatan AS (Esaote Mylab 90, Italia) dengan frekuensi 5–12 MHz dan indeks mekanis (MI) 0,06. Intensitas wilayah AS yang menarik dalam gambar AS dianalisis oleh perangkat lunak ImageJ.
Kemampuan Penargetan FA-FCP
Untuk menunjukkan kemampuan penargetan FA-FCP in vitro, FITC digunakan untuk memberi label pada nanopartikel. Secara singkat, 1 mg FITC dilarutkan dalam 1 ml DMSO dan kemudian dicampur dengan FCP dan FA-FCP selama 30 min dengan pengadukan lembut. Kemudian, larutan campuran didialisis semalaman dalam air deionisasi untuk menghilangkan FITC dan DMSO bebas untuk mendapatkan nanopartikel berlabel FITC. Sel-sel dikultur selama 24 jam, dan kemudian nanopartikel berlabel FITC ditambahkan ke dalam pelat kultur selama inkubasi 3 jam. Setelah itu, sel-sel dicuci dengan PBS selama tiga kali dan kemudian diwarnai dengan DAPI selama 5 menit, lisotracker merah selama 10 menit, difiksasi dengan paraformaldehida 4% selama 15 menit. Akhirnya, sel-sel diamati dengan mikroskop pemindaian laser confocal. Sinyal fluoresensi statistik di dalam sel diukur dan dianalisis dengan flow cytometry.
Sirkulasi Darah dan Akumulasi Tumor FA-FCP
Free Cur dan FA-FCP (dengan konsentrasi Cur yang sama) disuntikkan secara intravena ke mencit normal. Dan kemudian, darah tikus dalam berbagai kelompok dikumpulkan pada titik waktu yang berbeda dari pleksus orbital dan dilarutkan dalam buffer lisis. Konsentrasi Cur dalam darah dalam kelompok perlakuan ini ditentukan oleh spektrum serapan Cur dari setiap sampel darah terlarut menggunakan spektrometer UV-Vis dan didefinisikan sebagai persentase dosis yang disuntikkan per gram jaringan (ID%/g).
Kandungan FA-FCP dalam tumor dilakukan pada tikus yang mengandung tumor. Setelah injeksi FA-FCP intravena 0, 1, 6, 12, 18, dan 24 jam, jaringan tumor dikumpulkan, ditimbang, dan dicerna dengan larutan aqua regia selama 24 jam. Konsentrasi Cur dalam darah dalam kelompok perlakuan ini ditentukan oleh spektrum serapan Cur dari setiap jaringan tumor terlarut dengan spektrometer UV-Vis dan didefinisikan sebagai persentase dosis yang disuntikkan per gram jaringan (ID%/g).
Kemanjuran Antikanker In Vitro dan In Vivo
Untuk kemanjuran antikanker in vitro, sel diperlakukan PBS, Cur, FA-FCP, FCP + LIFU dan FA-FCP + LIFU (pada dosis Cur yang sama 5 mg/kg) selama 3 jam, dan kemudian diiradiasi dengan LIFU ( 5 min, 7 W). Sel-sel yang dirawat diinkubasi selama 21 jam. Setelah itu, viabilitas sel yang dirawat dideteksi dengan uji CCK-8.
Untuk kemanjuran antikanker in vivo, tikus pembawa tumor secara acak dibagi menjadi lima kelompok (n =6) dan kemudian disuntik secara intravena dengan saline (kontrol), Cur bebas, FA-FCP, FCP + LIFU, dan FA-FCP + LIFU. Selama 24 hari pengobatan, volume tumor dan berat badan tikus dipantau setiap 3 hari. Ukuran tumor dideteksi oleh jangka sorong. Volume tumor =panjang×lebar
2
/2. Perubahan pertumbuhan tumor ditunjukkan oleh volume tumor relatif yang dihitung sebagai V/V0 , di mana V0 mewakili volume tumor awal.
Evaluasi Keamanan Hayati
Sel SK-OV-3 diunggulkan dalam pelat 96-sumur dengan kepadatan 1 × 10
4
sel/sumur dan dibiarkan menempel selama 24 h. Berbagai konsentrasi (0, 20, 40, 100, 200, dan 500 μg/ml) FA-FRT-PFH dikultur dengan sel SK-OV-3. Setelah perawatan 24 jam, sel-sel dirawat dengan media DMEM yang mengandung 10% CCK-8 selama 20 menit dalam inkubator. Absorbansi sel pada panjang gelombang 450 nm dideteksi oleh Multimode Plate Reader (Thermo Scientific) untuk mengkarakterisasi viabilitas sel. Selanjutnya, organ utama termasuk jantung, hati, limpa, paru-paru, dan ginjal mencit sehat pada 25 hari pasca injeksi FA-FCP dikumpulkan dan dianalisis dengan pewarnaan hematoxylin dan eosin. Gambar pewarnaan HE diamati menggunakan mikroskop optik.
Analisis Statistik
Semua data disajikan sebagai mean ± standar deviasi. Data statistik diolah dengan software SPSS 22.0. t . Siswa uji dilakukan untuk menentukan signifikansi statistik antara kedua kelompok. P <0,05 menunjukkan perbedaan yang signifikan.
Hasil dan Diskusi
Persiapan dan Karakterisasi FA-FCP
Skema 1 mengilustrasikan sintesis FA-FCP dan penerapannya dalam pencitraan tumor ultrasound (US) dan kemoterapi kombinasi AS in vitro dan in vivo. Agen teranostik multifungsi FA-FCP disiapkan melalui metode perakitan mandiri yang sederhana dan biokompatibel. Gambar TEM dan AFM FA-FCP menunjukkan struktur bola (Gbr. 1a, inset dan File tambahan 1:Gambar S1). Analisis DLS menunjukkan bahwa FA-FCP memiliki diameter rata-rata sekitar 47 nm dan 37 mV dalam potensi zeta rata-rata dalam air (Gbr. 1a dan b). Setelah 4 minggu dalam air, phosphate-buffered saline (PBS), saline, dan FBS, FA-FCP menunjukkan stabilitas dalam ukuran (Gbr. 1c), menunjukkan bahwa FA-FCP yang disiapkan memiliki stabilitas fisiologis yang baik, kemungkinan karena lapisan PEG dan sifat FRT [32]. Spektrum UV-vis-NIR FA-FCP menunjukkan puncak serapan Cur, menunjukkan keberadaan Cur dalam FA-FCP. Rasio pemuatan saat ini adalah 125,8 ± 2,1%.