Percubaan Ubat Baru Untuk Penyakit Buah Pinggang: Graphene Oxide Sebagai Pembawa Untuk Penghantaran Ubat Methotrexate

Kenalan:ali.ma@wecistanche.com

Hani Nasser Abdelhamid et al

Faedah kesihatan serbuk cistanche untuk penyakit buah pinggang, klik di sini untuk mendapatkan sampel

Abstrak:

Bahan nano, termasuk nanopartikel berasaskan karbon, telah digunakan sebagai pembawa untuk ubat antikanser. Komunikasi singkat ini melaporkan sintesis, sitotoksisiti, dan penghantaran ubat methotrexate menggunakan graphene oxide (GO) sebagai pembawa. GO telah disintesis mengikut kaedah Hummer. Ia dicirikan menggunakan pembelauan sinar-X (XRD), mikroskop elektron penghantaran (TEM), dan mikroskop elektron pengimbasan (SEM). Analisis data mengesahkan sintesis GO dengan kehabluran tinggi dan morfologi lamela. GO menunjukkan sitokompatibiliti yang tinggi terhadap sel endothelial EA.hy926 manusia. GO telah digunakan sebagai pembawa untuk ubat antikanser; methotrexate. Penghantaran ubat telah diuji untuk sel karsinoma hepatoselular (sel HepG2), embrio manusiabuah pinggangsel (sel HEK293A), dan fibroblas kulit babi (PEF).

Kata kunci:karbonbahan nano; penghantaran dadah; kemoterapi; methotrexate.

1. Pengenalan

Penyakit kanser telah dianggap sebagai ancaman teruk kepada manusia. Pertubuhan Kesihatan Sedunia (WHO, 2018) melaporkan bahawa kanser menyebabkan satu daripada enam kematian. Menurut kajian pada tahun 2020, terdapat 19 juta kes yang berkaitan dengan kanser setiap tahun [1], menyebabkan 8.8 juta kematian (yang mewakili 15.7 peratus kematian setiap tahun) [2,3]. Beberapa ubat telah dilaporkan sebagai terapeutik antikanser yang menjanjikan [4-11]. Walau bagaimanapun, mereka kekurangan internalisasi sel yang tinggi, resapan sel, bioavailabiliti, selektiviti, dan peningkatan kecekapan [5,6,12-19]. Oleh itu, beberapa pembawa, termasuk polimer semula jadi [20], polisakarida [13], pembawa magnet [21], dan kenderaan ekstraselular (EV)[22], dilaporkan untuk penghantaran ubat. Mereka mempamerkan keupayaan pemuatan ubat yang tinggi, pelepasan terkawal, dan peningkatan dalaman sel. Nanoteknologi mempunyai bidang bioperubatan yang maju, termasuk rawatan kanser [23-29].

Graphene ialah alotrop baharu (dua dimensi, 2D) daripadabahan nano karbondengan satu lapisan sp2-atom karbon terhibrid [30–39]. Sintesis graphene telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Kimia pada tahun 2010. Berasaskan graphenebahan nanoseperti graphene oxide(GO) mempunyai bioperubatan lanjutan, termasuk penghantaran ubat [40,42]. Mereka boleh meneruskan ke perancah [43,45], serat [46], dan hidrogel [47]. Bahan berasaskan graphene menawarkan beberapa kelebihan, termasuk kebolehan pemuatan dan pelepasan dadah yang tinggi [47]. Ubat antikanser campuran seperti doxorubicin (DOX) dan camptothecin (CPT) boleh dimuatkan ke dalam GO [49]. Oleh itu, mereka boleh menyampaikan lebih daripada satu ubat secara serentak. Dadah boleh dimuatkan ke graphene melalui kovalen melalui kimia pautan silang [50], elektrostatik, dan interaksi penyerapan fizikal seperti interaksi koperasi π-π [51]. Penghantaran ubat boleh dikawal melalui pH [50,52], enzimatik [53], cahaya inframerah-dekat (NIR) [54], dan kawalan elektrik [55]. Pengubahsuaian permukaan memastikan pelepasan ubat yang tinggi [56]. Graphene juga boleh diubah suai dengan nanopartikel lain, termasuk nanopartikel magnetik untuk rawatan fototerma [57]. Bahan berasaskan graphene menawarkan pelbagai fungsi [58–61]. Kumpulan polar menjadikan bahan sangat hidrofilik. Oleh itu, mereka digunakan sebagai pembawa untuk penghantaran ubat antikanser seperti DOX [62], quercetin dan gefitinib [63], sumatriptan succinate (SS) [64], dan cytarabine (CYT) [65].

Di sini, penggunaan graphene oxide (GO) untuk menyampaikan methotrexate (MTX) telah disiasat. Kaedah Hummer diikuti untuk mensintesis GO diikuti dengan ultrasonik untuk memastikan penyebaran yang tinggi. Kehabluran dan morfologi GO dicirikan menggunakan pembelauan sinar-X (XRD) dan mikroskop elektron (penghantaran (TEM), pengimbasan (SEM)). Bahan itu dicampur dengan metotreksat. GO yang dimuatkan methotrexate telah diuji menggunakan sel karsinoma hepatoselular (sel HepG2), embrio manusiabuah pinggangsel(sel HEK293A), dan fibroblas kulit babi (PEF).

2. Bahan-bahan dan cara-cara

Serpihan grafit dibeli daripada Alfa Aesir (Jerman). 3-[4,5-dimetiltiazol-2-yl]-2,5-difeniltetrazolium bromida (MTT), asid sulfurik dan kalium permanganat (KMnO4) telah dibeli daripada Sigma-Aldrich (AS).

2.1. Sintesis GO.

GO disediakan menggunakan kaedah Hummer [32,66]. Grafit semula jadi (1.0 g) ditaburkan ke dalam campuran asid sulfurik (15.0 mL) dan asid nitrik (10.0 mL) dalam mandi ais. Kalium permanganat (3.0} g) telah ditambahkan secara beransur-ansur pada campuran asid semasa kacau. Selepas 12 jam, hidrogen peroksida (15.0 mL) dijatuhkan. GO dikumpulkan dan dibasuh dengan HCl dan air untuk menghilangkan sebarang kekotoran. Penyelesaian GO (1 mg/mL) disediakan melalui ultrasonik (140 W) untuk 2d pada 60 darjah .

2.2. Instrumen.

Belauan sinar-X (XRD) telah direkodkan menggunakan difraktometer PANalytical X'Pert Pro (Cu K 1, λ daripada 1.54Å). Imej mikroskop elektron penghantaran (TEM) telah ditangkap menggunakan instrumen JEM-2100 (JEOL, Jepun). Mengimbas imej mikroskop elektron (SEM) telah dilakukan menggunakan instrumen JSM-7000 (JEOL). Spektrum UV-Vis telah direkodkan menggunakan Thermo Scientific Evolution-300. Spektrum inframerah transformasi Fourier (FT-IR) dinilai dalam bentuk pepejal menggunakan Shimadzu-470 melalui teknik cakera KBr.

2.3. Ujian sitotoksisiti tidak langsung.

Sel endothelial EA.hy926 manusia telah dikultur dalam medium Eagle yang diubah suai Dulbecco (DMEM; Invitrogen, USA) ditambah dengan 10 peratus serum lembu janin (FBS; Hyclone, USA) dan 1 peratus penisilin/streptomycin (p/s, Gibco, USA) dalam inkubator lembap pada 37 darjah dan 5 peratus CO2. Sel-sel telah dituai menggunakan kaedah berasaskan trypsin. Ekstrak telah disediakan daripada GO untuk menyiasat sebarang potensi risiko toksikologi. Substrat telah disterilkan menggunakan gas etilena oksida dan dicampur dengan DMEM bebas serum ditambah dengan medium kultur 1 peratus p/s di bawah keadaan 37 darjah /120 r/min selama 72 jam, mengikut piawaian nisbah 0.2 g/mL medium budaya [67]. Kemudian, supernatan itu disentrifugasi dan ditapis untuk menyediakan media prasyarat akhirnya.

Sel telah dibiakkan pada ketumpatan 5 × 104 sel/telaga dalam 24 plat telaga selama 24 jam menggunakan medium kultur lengkap. Medium telah disedut, kemudian 500 µL medium berhawa dingin atau kawalan ditambah selepas menggabungkan 10 peratus FBS. Sebagai kawalan negatif, sel telah dikultur dengan DMEM, manakala dalam telaga kawalan positif, sel telah dikultur dengan kehadiran 20 peratus dimetil sulfoksida (DMSO). Daya maju sel telah disiasat secara kualitatif pada hari ke-3 menggunakan kit ujian Hidup/Mati (calcein-AM/ethidium Bromide homodimer, Invitrogen), mengikut arahan pengilang, dilihat di bawah mikroskop pendarfluor (Olympus, Jepun).

2.4. Pemuatan dadah.

Ubat antikanser telah dimuatkan dengan menambah 1.0 mL methotrexate (100 µg/mL; Sigma Aldrich) kepada 4.0 mL GO dalam larutan penimbal (25 µg/mL) di bawah kacau selama 48 jam dalam gelap pada suhu bilik.

2.5. Ujian penghantaran dadah.

Sel karsinoma hepatoselular (sel HepG2), embrio manusiabuah pinggangsel (sel HEK293A), dan fibroblas kulit babi (PEF) telah dikultur dalam DMEM ditambah dengan 10 peratus FBS dalam suasana CO2 5 peratus yang dilembapkan di dalam inkubator pada 37 darjah . Sel-sel telah dituai daripada 90 peratus plat kultur sel konfluen dan digantung semula dalam medium yang benar-benar segar sebelum penyaduran. Sel-sel (3×104) telah disemai dalam 24-plat perigi. Sel-sel dibiakkan selama 24 jam, dibasuh dua kali dengan garam penampan fosfat (PBS), dan kemudian diinkubasi dengan sama ada MTX-GO, atau MTX (20 µg/mL), atau GO (20 µg/mL) hanya mengandungi medium DMEM pada 37 darjah selama 24 jam. Daya maju sel telah dinilai menggunakan ujian MTT. Sel aktif mengurangkan MTT berwarna kuning kepada kristal pewarna formazan berwarna ungu. Secara ringkas, 50 μL larutan MTT (5 mg/mL) telah ditambah pada setiap telaga dan diinkubasi pada 37 darjah selama 4 jam. Selepas membuang medium yang mengandungi MTT, 350 μL sel telah dibiakkan dengan kehadiran 20 peratus DMSO. Selepas 10 minit pengeraman, 100 μL aliquot dari telaga telah dipipet ke dalam plat telaga lain. Warna yang dibangunkan dikira dengan merekodkan penyerapan pada panjang gelombang 570 nm dengan spektrofotometer.

3. Keputusan dan perbincangan

3.1. Pencirian bahan.

GO telah disintesis melalui pengoksidaan grafit menggunakan KMnO4 dalam larutan berasid (Rajah 1) [39,68,69]. Corak XRD untuk GO mempamerkan puncak pembelauan Bragg yang kuat pada 10.9 darjah sepadan dengan indeks Miller bagi satah (002) (Rajah 2a). Jarak d untuk bahan yang disediakan ialah 0.9 nm (Rajah 2a). Morfologi GO dinilai menggunakan imej TEM dan SEM (Rajah 3). Ketelusan GO dalam imej TEM mendedahkan bahawa GO terdiri daripada beberapa lapisan 2D (Rajah 3a). Imej SEM mengesahkan morfologi lamellae GO (Rajah 3b). Imej TEM dan SEM mendedahkan bahawa GO mempunyai morfologi yang runtuh (Rajah 3).

Spektrum UV-Vis GO menunjukkan jalur penyerapan maksimum pada 250 nm dan 355 nm sepadan dengan π → π* peralihan ikatan C–C aromatik dan n → π* peralihan C=C (Rajah 2b) [70] . Berdasarkan struktur kimia, MTX menunjukkan peralihan π–π* atau σ–σ* yang kuat di rantau UV-Vis pada penyerapan maksimum 368 nm dan 274 nm (Rajah 2b). Jalur penyerapan muktamad MTX pada 368 nm telah dialihkan kepada 361 nm selepas konjugasi dengan GO yang menunjukkan interaksi kuat antara GO dan MTX.

Kumpulan fungsi kimia sebelum dan selepas interaksi dicirikan menggunakan spektrum FT-IR (Rajah 2c). GO mempamerkan jalur getaran pada 3569 sm-1, 1707 sm-1, 1628 sm-1, 1412 sm-1 dan 1029 sm-1, sepadan dengan O− Regangan H, regangan C{12}}O kumpulan asid karboksilik, regangan C−C aromatik, ubah bentuk O–H dan C–O (Rajah 2c). Spektrum FT-IR MTX menunjukkan jalur ciri pada 1380 cm-1, 1644 cm-1 dan 3400 cm-1yang sepadan dengan C−N, −NH2 dan N−H, masing-masing (Rajah 2c). MTX-GO mempamerkan ciri ciri untuk kedua-dua bahan. Walau bagaimanapun, jalur getaran MTX terutamanya hilang, menunjukkan interaksi yang kuat dengan GO (Rajah 2c).

3.2. kesesuaian GO.

Imej pendarfluor sel EA.hy926 juga dilaporkan (Rajah 4). Imej menunjukkan ketumpatan sel yang tinggi mendedahkan sifat biokompatibel tinggi GO (Rajah 4).

3.3. Penghantaran dadah.

GO digunakan untuk penghantaran methotrexate (Rajah 1). Kedua-dua belah lapisan GO boleh menyerap MTX melalui interaksi bukan kovalen termasuk elektrostatik, dan interkalasi π-π. Jarak interplanar lapisan GO adalah hampir 1 nm, yang menawarkan interkalasi MTX antara lapisan. Oleh itu, GO boleh digunakan sebagai pembawa untuk penghantaran MTX. Pemuatan MTX ke GO dicapai dengan mencampurkan kedua-dua spesies dalam larutan akueus dengan bantuan sonikasi. Pelepasan ubat dinilai menggunakan sel HepG2, HEK293A, dan PEF.

Ujian MTT menunjukkan bahawa GO kosong tidak menyebabkan sebarang kesan sitotoksik yang besar kepada tiga jenis sel; Sel HepG2, HEK293A dan PEF (Rajah 5). MTX percuma telah diambil oleh garis sel tumor (sel HepG2) dan sel normal (sel HEK293A dan PEF) dengan sitotoksisiti yang hampir serupa dengan ketiga-tiga jenis sel tanpa selektiviti yang jelas. Selepas konjugasi MTX kepada GO sebagai pembawa, MTX-GO menunjukkan sitotoksisiti spesifik yang ketara kepada garis sel tumor (sel HepG2) berbanding sel normal (sel HEK293A dan PEF). Hasilnya mungkin membuka jalan baru untuk menggunakan bahan berasaskan GO untuk aplikasi klinikal dan pembedahan [71-74].

4. Kesimpulan

GO telah disintesis dan digunakan sebagai pembawa untuk penghantaran methotrexate. Ia mempamerkan biokompatibiliti yang tinggi. Pemuatan dadah adalah mudah. Daya maju sel untuk sel HepG2, HEK293A, dan PEF menunjukkan pelepasan terkawal. Penemuan ini membuka peluang baharu untuk aplikasi bioperubatan graphene oxide sebagai pembawa untuk penghantaran ubat.

PembiayaanPenyelidikan ini tidak mempunyai pembiayaan.

Ucapan terima kasihPenyelidikan ini tidak mempunyai pengakuan.

Konflik KepentinganPenulis mengisytiharkan tiada konflik kepentingan.

Rujukan

1. Sciacovelli, M.; Schmidt, C.; Maher, ER; Frezza, C. Pemacu Metabolik dalam Sindrom Kanser Keturunan.tahunan Semakan daripada Kanser Biologi 2020, 4, 77-97.

2. Wang, H.; Naghavi, M.; Allen, C.; Tukang Gunting Rambut, RM; Bhutta, ZA; et al.. Jangka hayat global, serantau dan kebangsaan, kematian semua sebab, dan kematian khusus sebab untuk 249 punca kematian, 1980–2015: analisis sistematik untuk Kajian Beban Global 2015.The Lancet 2016, 388, 1459- 1544,

3. Abdelhamid, HN; Talib, A.; Wu, H.-F. Sintesis satu periuk emas – nanokomposit titik karbon dan aplikasinya untuk sitosensing logam untuk sel kanser.Talanta 2017, 166, 357-363,

4. Abdelhamid, HN; Dowaidar, M.; Hällbrink, M.; Langel, Ü. Peptida Penembusan Sel-MOF: Platform Penyampaian Gen yang Cekap.Tersedia di SSRN 3435895 2019.

5. Abdelhamid, HN; Dowaidar, M.; Langel, Ü. Rangka kerja nanopartikel zeolitik imidazolat berliang berliang hierarki kitosan berkarbonisasi untuk penghantaran gen.Mikroporous Mesoporous Mater. 2020, 302, 110200

6. Abdelhamid, HN; Dowaidar, M.; Hällbrink, M.; Langel, Ü. Penghantaran gen menggunakan peptida penembusan sel- rangka kerja imidazolat zeolitik.Mikroporous Mesoporous Mater. 2020, 300, 110173,

7. Abdelhamid, HN; El-Bery, HM; Metwally, AA; Elshazly, M.; Hathout, RM Sintesis titik kuantum kitosan diubah suai CdS untuk penghantaran ubat Sesamol.Karbohidr. Polim. 2019, 214, 90–99.

8. Sultan, S.; Abdelhamid, HN; Zou, X.; Mathew, AP CelloMOF: Pencetakan 3D Mendayakan Nanoselulosa Rangka Kerja Logam-Organik.Adv. Fungsi. Mater. 2019, 29, 1805372,

9. Dowaidar, M.; Nasser Abdelhamid, H.; Hällbrink, M.; Langel, Ü.; Zou, X. Chitosan meningkatkan penghantaran gen kompleks oligonukleotida dengan peptida penembusan sel nanopartikel magnetik.J. Biomater.Appl. 2018, 33, 392-401,

10. Dowaidar, M.; Abdelhamid, HN; Hällbrink, M.; Zou, X.; Langel, Ü. Lembaran nano graphene oxide dalam kompleks dengan penembusan sel. peptida untuk penghantaran oligonukleotida.Biochim. Biophys. Acta - Jen. Subj. 2017, 1861, 2334–2341

11. Dowaidar, M.; Abdelhamid, HN; Hällbrink, M.; Freimann, K.; Kurrikoff, K.; Zou, X.; Langel, Ü. Pemasangan sendiri Berbantukan Nanozarah Magnetik Kompleks Peptida-Oligonukleotida Penembus Sel untuk Penyampaian Gen.Sci. Rep. 2017, 7, 9159.

12. Peer, D.; Karp, JM; Hong, S.; Farokhzad, OC; Margalit, R.; Langer, R. Nanocarriers sebagai platform baru muncul untuk terapi kanser.alam semula jadi Nanoteknologi 2007, 2, 751-760.

13. Barclay, TG; Hari, CM; Petrovsky, N.; Garg, S. Kajian semula penghantaran ubat berfungsi berasaskan zarah polisakarida.Karbohidr. Polim. 2019, 221, 94- 112.

14. Abdelhamid, HN Biointerface antara ZIF-8 dan biomolekul serta aplikasinya.Biointerface Res. Appl. Kimia. 2021, 11, 8283-8297.

15. Abdelhamid, HN Nanositotoxicity menggunakan spektrometri jisim pengionan pengionan laser bantuan matriks.masa depan mikrobiol. 2020, 15, 385-387.

16. Rajendran, S.; Mukherjee, A.; Shukla, R.; Abdelhamid, H. Pencegahan Nanotoksisiti dan Aplikasi Antibakteria Bahan Nano; Elsevier, 2020;

17. Abdelhamid, HN Bab 9 - Kaedah am untuk pengesanan dan penilaian ketoksikan nano. DalamKetoksikan nano, Rajendran, S., Mukherjee, A., Nguyen, TA, Godugu, C., Shukla, RK, Eds. Lain-lain: 2020; 195-214.

18. Keservani, R.; Sharma, A.; Abdelhamid, H.Nanopartikel Dadah Penghantaran Sistem; Keservani, RK, Sharma, AK, Eds.; Akhbar CRC, 2019.

19. Abdelhamid, HN; Wu, H.-F. Nanopartikel Memajukan Penghantaran Ubat untuk Sel Kanser. DalamNanopartikel Dadah Penghantaran Sistem; Keservani, RK, Sharma, AK, Eds.; Apple Academic Press: USA, 2019; ms 121–150 ISBN 978- 1-77188-695-6.

20. George, A.; Shah, PA; Shrivastav, PS Formulasi nano berasaskan polimer terbiodegradasi semula jadi untuk penghantaran ubat: Kajian semula.Int. J. Pharm. 2019, 561, 244-264.

21. Liu, Y.-L.; Chen, D.; Shang, P.; Yin, D.-C. Kajian semula sistem magnet untuk penghantaran ubat yang disasarkan.J. Kawalan. Lepaskan 2019, 302, 90– 104.

22. Gudbergsson, JM; Jønsson, K.; Simonsen, JB; Johnsen, KB Kajian semula sistematik vesikel ekstraselular yang disasarkan untuk penghantaran ubat - Pertimbangan mengenai heterogeniti metodologi dan biologi.J. Terkawal Lepaskan 2019, 306, 108- 120,

23. Abdelhamid, HN; Sharmoukh, W. MOFzyme yang meniru katalase intrinsik untuk pengesanan sensitif hidrogen peroksida dan ion ferik.Mikrokim. J. 2021, 163, 105873,

24. Yousef, MS; Abdelhamid, HN; Hidalgo, M.; Fathy, R.; GómezGascón, L.; Dorado, J. Aktiviti antimikrob nanopartikel perakkarbon pada flora bakteria air mani lembu jantan.Theriogenology 2021, 161, 219- 227,

25. Abdelhamid, HN; Mahmoud, GA-E.; Sharmouk, W. MOFzyme berasaskan serium dengan aktiviti seperti berbilang enzim untuk gangguan dan perencatan kolonisasi semula kulat.Jurnal daripada Bahan Kimia B 2020, 8, 7548-7556,

26. Zulfajri, M.; Abdelhamid, HN; Sudewi, S.; Dayalan, S.; Rasool, A.; Habib, A.; Huang, Titik Karbon Diperolehi Bahagian Tumbuhan GG untuk Biosensing.Biosensor 2020, 10,