Polydopamine kern-schil nanodeeltjes met redox-responsieve polymerschillen voor gerichte medicijnafgifte en synergistische chemo-fotothermale therapie

Samenvatting

Nabij-infrarood (NIR) fotothermale therapie (PTT) biedt hoge tumortselectiviteit en minimale bijwerkingen, doch de klinische impact is beperkt door onvoldoende warmteafgifte. Hier rapporteren we een kern-schil nanodeeltje dat een polydopamine (PDA) kern combineert met een disulfide-gekruiste poly(methacrylzuur) (PMAA) schil. De PDA-kern levert efficiënte NIR-fotothermale conversie, terwijl de redox-labile PMAA-schil doxorubicin (DOX) encapsuleert en selectief vrijgeeft in de reducerende, zuur-micro-omgeving van kankercellen. In vitro tonen DOX-geladen PDA@PMAA nanodeeltjes een synergistische remming van A549-cellen bij gecombineerde lage-dosis laserbestraaling, bereikend >85% celdood bij een totale medicijndosis van 5 µg mL⁻¹. Dit platform demonstreert precieze, getriggerde medicijnvrijgave en verhoogde chemo-fotothermale efficiëntie.

Inleiding

PTT gebruikt NIR-absorberende agentia om licht om te zetten in warmte, waarbij ablatie-temperaturen (>55 °C) vereist zijn voor tumornecrose terwijl normaal weefsel wordt gespaard. Polydopamine (PDA) is een mossel-geïnspireerd polymere dat sterk absorbeert in het NIR, 40% fotothermale conversie-efficiëntie vertoont, en biocompatibel en biologisch afbreekbaar is. Echter, single-mode PTT kan onvoldoende temperatuur in de tumorkern bereiken zonder schade aan omringend weefsel. Het combineren van hyperthermie met chemotherapie heeft zich ontwikkeld als een krachtige strategie: warmte verbetert medicijnopname en verhoogt medicijn-cytotoxiciteit, terwijl chemotherapie cellen doodt die het verwarmen overleven. Om deze synergie te realiseren, ontwierpen we een slim kern-schil systeem waar de PDA-kern fotothermale conversie levert en de disulfide-gekruiste PMAA-schil fungeert als medicijnreservoir dat afbreekt in de tumor's reductieve omgeving (glutathion-concentraties 2-10 mM vs. 20-40 µM in plasma) en in licht zuur pH.

Materialen en methoden

Materialen

Alle reagentia waren analytische graad. Dopamine-hydrochloride, methacryloylchloride, glutathion, methacrylzuur (MAA), N,N'-bis(acryloyl)cystamine (BAC), 2,2'-azobisisobutyronitrile (AIBN), en doxorubicin (DOX·HCl) werden gekocht van standaardleveranciers. Celcultuur-reagentia werden verkregen van Invitrogen en Sigma-Aldrich.

Karakterisatie

Transmissie elektronenmicroscopie (TEM) (Tecnai G2 20 TWIN) visualiseerde morfologie. Dynamische lichtverstrooiing (DLS, Malvern Nano-ZS90) meet hydrodynamische grootte en ζ-potentiaal. UV-vis-spectra werden opgenomen op een Perkin-Elmer Lambda 750. Fourier-transformatie infrarood (FT-IR) specta (Nicolet 6700) bevestigden kruislinking. Fotothermale prestaties werden beoordeeld door waterige dispersies (100 µg mL⁻¹) te bestralen met een 808-nm laser (5 W cm⁻²) gedurende 300 s en temperatuurveranderingen op te nemen met een thermocouple (±0.1 °C). Cellulaire opname en lokalisatie werden gebeeld door confocale laserscanningmicroscopie (CLSM, Leica TCS SP8 STED 3X).

Synthetisering van PDA@PMAA nanodeeltjes

PDA-sferen werden gevormd door 0.5 g dopamine te oxideren in 90 mL H₂O/40 mL EtOH/3 mL NH₃·H₂O bij 30 °C gedurende 24 uur. De PMAA-schil werd gegroeid via distillatie-precipitatie-polymerisatie: 100 mg MAA, 10 mg BAC, 3 mg AIBN opgelost in 25 mL acetonitrile, gevolgd door toevoeging van 50 mg PDA-sferen. Het mengsel werd verhit tot 100 °C, 2 uur gerold, gecentrifugeerd en gewassen. Door de PDA/MAA massa-verhouding te varieren (0.5-6) stelden we schildikte in (120-200 nm).

Medicijnlading en vrijgave

DOX (1 mg mL⁻¹, pH 8.0) werd gemengd met 10 mg PDA@PMAA-1 gedurende 24 uur, gecentrifugeerd en gewassen. Lading-inhoud (LC) en encapsulatie-efficiëntie (EE) werden berekend uit UV-vis-absorbantie bij 480 nm. In vitro vrijgave werd gemonitoreerd in fosfaatbuffers (pH 7.4, 5.5) met/zonder 10 mM GSH bij 37 °C, bemonsterd elke 2 uur. Een dialysezak (14 kDa MWCO) hield de nanodeeltjes; vrijgavemedium werd ververst bij bemonstering. Vrijgavepercentage werd berekend als cumulatief vrijgegeven medicijn gedeeld door totaal geladen medicijn.

Celstudies

Humane embryonale nier (HEK-293T) en longadenocarcinom (A549) cellen werden gekweekt in DMEM + 10% FBS. Cellulaire opname van DOX-geladen PDA@PMAA werd waargenomen na 1 uur en 4 uur incubatie. Cytotoxiciteit werd geëvalueerd door MTT-assay: cellen werden behandeld met vrij DOX, blanco PDA@PMAA, of DOX-geladen PDA@PMAA (10-100 µg mL⁻¹) gedurende 24 uur, met of zonder 808-nm laserbestraaling (5 W cm⁻², 300 s). Cellevensvatbaarheid werd uitgedrukt relatief tot onbehandelde controles. Live/dead-kleuring (Calcein-AM) en CLSM bevestigden het therapeutische resultaat.

Resultaten en discussie

Nanodeeltjes-morfologie en fysicochemische eigenschappen

TEM-beelden onthullen monodisperse, spherische PDA-kernen (~100 nm) en PDA@PMAA deeltjes (120-200 nm) met uniforme schillen. DLS toont hydrodynamische diameters van 176-349 nm, wat een gezwollen polymere laag in waterige media aangeeft. ζ-potentialen verschuiven van -26.8 mV (PDA) naar -30.2 tot +33.2 mV (PDA@PMAA) naarmate schildikte toeneemt, wat carboxylaat-blootstelling weerspiegelt. FT-IR bevestigt de aanwezigheid van amide I/II-banden (1650/1550 cm⁻¹) van BAC en een C=O-strekking bij 1706 cm⁻¹ van PMAA, wat succesvolle kruislinking bevestigt.

Fotothermale prestaties

UV-vis-spectra tonen brede NIR-absorptie voor alle monsters; PDA vertoont de hoogste absorbantie bij 808 nm. Fotothermale verhitsexperimenten tonen aan dat 100 µg mL⁻¹ PDA-dispersie de temperatuur met 41 °C verhoogt, terwijl PDA@PMAA-1 56 °C bereikt, wat de 55 °C-drempel voor tumorablatie overschrijdt. De temperatuurstijging correleert omgekeerd evenredig met schildikte, wat bevestigt dat een dunne schil fotothermale efficiëntie behoudt terwijl nog medicijnlading toelaat.

Gecontroleerde medicijnvrijgave

DOX-lading levert LC = 5.1% en EE = 53.7% op voor PDA@PMAA-1, hoger dan alleen PDA (LC = 3.7%). In fysiologische buffer (pH 7.4) is de vrijgave verwaarloosbaar (<11% over 24 uur). In 10 mM GSH wordt 72.8% DOX vrijgegeven binnen 24 uur door disulfide-binding splitsing. Zuure condities (pH 5.5) met GSH triggeren een burst-vrijgave (≈87% in 24 uur) doordat geprotoneneerde carboxylaten het polymere netwerk laten instorten. Fotothermale bestraling (5 W cm⁻², 300 s) verandert het vrijgaveprofiel niet, wat structurele integriteit tijdens verwarmen aangeeft.

In vitro antitumorale efficiëntie

Confocale beelden tonen snelle cellulaire opname van DOX-geladen PDA@PMAA; fluorescentie verschijnt in het cytoplasma binnen 1 uur en verspreidt zich naar de kern op 4 uur, wat efficiënte endocytose en medicijnvrijgave aangeeft. HEK-293T cellen vertonen >90% levensvatbaarheid na 24 uur blootstelling aan blanco PDA@PMAA-1 tot concentraties van 100 µg mL⁻¹, wat biocompatibiliteit bevestigt. A549-cellen tonen dosis-afhankelijke cytotoxiciteit: blanco PDA@PMAA-1 met laser verlaagt levensvatbaarheid tot ~54% bij 100 µg mL⁻¹; DOX-geladen PDA@PMAA-1 zonder laser verlaagt levensvatbaarheid tot ~38% bij dezelfde medicijndosis. De combinatie van DOX-geladen PDA@PMAA-1 en laser verlaagt levensvatbaarheid tot ~16% (IC₅₀ = 2 µg mL⁻¹), aanzienlijk beter dan elke modaliteit alleen (IC₅₀ = 5.6 µg mL⁻¹ voor vrij DOX). Live/dead-kleuring bevestigt deze bevindingen. De data bevestigen een synergistisch chemo-fotothermisch effect, wat lagere medicijndoses en minimaal normaal-weefselschade mogelijk maakt.

Conclusie

We hebben een polydopamine-kern-disulfide-gekruiste PMAA-schil nanodeeltje ontworpen dat gelijktijdig hoge-efficiënte NIR-fotothermale conversie, redox-responsieve medicijnvrijgave en uitstekende biocompatibiliteit biedt. DOX-geladen PDA@PMAA-1 bereikt snelle, gerichte vrijgave in de tumormicro-omgeving en, gecombineerd met korte-duur laserbestraaling, levert superieure tumorceldood (>85%) bij lage medicijnconcentraties. Dit multifunctionele platform heeft sterke belofte voor klinische vertaling van gecombineerde chemo-fotothermale kankertherapie.

Beschikbaarheid van data en materialen

Datasets gegenereerd tijdens deze studie zijn beschikbaar bij de corresponderende auteur op verzoek.