FePO₄ наночастицы: биосовместимые носители для доставки доксорубицина, стабилизации РНК и усиления антиопухолевой активности

Аннотация

FePO₄ наночастицы сочетают биосовместимость, высокую биодоступность, магнитную отзывчивость и превосходные сенсорные свойства, делая их идеальными для обогащения пищевых продуктов, биомедицинской визуализации и доставки лекарств. В этом исследовании мы сконструировали FePO₄ как носитель для противоопухолевого агента доксорубицин (DOX), достигнув оптимальной загрузки лекарства 26,81 ± 1,0 %. Полученные FePO₄-DOX частицы демонстрировали равномерное распределение размеров, концентрационно-зависимую биосовместимость (>70 % живучести до 80 мкг/мл) и драматичное 10-кратное увеличение цитотоксичности по сравнению с свободным DOX, с усиленной селективностью к раковым клеткам. Более того, FePO₄ наночастицы стабилизировали РНК и сохранили мРНА трансляционную активность, подчеркивая их потенциал как мультифункциональных доставки платформ для терапевтических нуклеиновых кислот. Эти находки подчеркивают универсальность FePO₄ частиц для безопасной доставки лекарств и РНК, и их обещание в приложениях обогащения пищевых продуктов.

Введение

Среди неорганических наноматериалов железосодержащие наночастицы (Fe-NPs) выделяются своими магнитными свойствами, эндогенным метаболизмом и FDA-одобренными применениями в контрастной визуализации, доставке лекарств и гипертермии. FePO₄ наночастицы, в частности, демонстрируют отличную биосовместимость, высокую оральную биодоступность и минимальное органолептическое влияние, делая их привлекательными для профилактики железодефицитной анемии через обогащение пищевых продуктов. Их поглощение в кишечных клетках происходит преимущественно через дивалентный металтранспортер-1 (DMT-1), обеспечивая эффективное всасывание. Помимо визуализации, FePO₄ предлагает химически простой, масштабируемый маршрут синтеза, дающий монодисперсные частицы с контролируемым поверхностным зарядом, обеспечивающий надежную загрузку лекарств и стабилизацию нуклеиновых кислот. Эта работа исследует FePO₄ как транспортное средство для DOX и стабилизатор РНК, стремясь продемонстрировать единую платформу, адресующую как терапевтические, так и пищевые потребности.

Результаты и обсуждение

Синтез, характеристика и биосовместимость FePO₄ наночастиц

FePO₄ синтезировали простым ко-выпадением аммоний фосфата и нитрата железа(III), с последующей дисперсией в DSPE-PEG-COOH для предотвращения агрегации. Динамическое рассеяние света выявило гидродинамический диаметр 175 ± 5 нм с индексом полидисперсности 0,15 ± 0,01, указывая на отличную однородность размера. Дзета-потенциал измерений показал отрицательный поверхностный заряд −19,1 ± 8 мВ, снижающий белковую опсонизацию и продлевающий время циркуляции. ФТИР спектры подтвердили наличие PO₄³⁻ групп и отсутствие предшественников остатков, верифицируя чистоту продукта. MTT анализы на мышином остеосаркоме K7M2 и фибробластах NIH/3T3 продемонстрировали концентрационно-зависимую живучесть, с >70 % выживания клеток до 80 мкг/мл, подтверждая биосовместимость FePO₄ NPs в терапевтически релевантном окне.

Загрузка доксорубицина и усиленная цитотоксичность FePO₄-DOX

DOX инкорпорировали через ко-инкубацию с Fe(NO₃)₃ с последующим выпадением (NH₄)₃PO₄, давая эффективность загрузки 26,81 ± 1,0 %. Fe³⁺-DOX комплекс формируется на этом этапе, как подтверждает смена цвета от желтого к коричневому и неизменная флуоресцентная эмиссия (590 нм). Гидродинамический размер остался 187 ± 7 нм, в то время как поверхностный заряд сместился к −8,89 ± 5 мВ, отражая катионную природу связанного DOX. Цитотоксичность анализы выявили 10-кратное снижение IC₅₀ значений по сравнению со свободным DOX (NIH/3T3: 0,248 мкМ против 2,61 мкМ; K7M2: 0,107 мкМ против 1,01 мкМ). Важно, FePO₄-DOX наночастицы сохраняли >70 % живучести при эквивалентных FePO₄ концентрациях, указывая, что усиленная цитотоксичность происходит от Fe³⁺-DOX комплексации, а не наночастичной токсичности. Селективное уничтожение раковых клеток над фибробластами также усилилось, с 19 % разницей в живучести при 0,1 мкМ DOX эквиваленте.

Клеточное внутреннее поглощение FePO₄-DOX наночастиц

Конфокальная микроскопия K7M2 клеток раскрыла пренебрежимое поглощение при 0,5–1 ч, с последующим ярким внутриклеточным флуоресцентным сигналом при 3 ч, сравнимым со свободным DOX. Время-зависимый профиль внутреннего поглощения демонстрирует, что FePO₄-DOX наночастицы могут эффективно доставлять DOX в раковые клетки в клинически релевантном временном окне, в то время как магнитные свойства FePO₄ позволяют потенциальные тераностческие применения.

Стабилизация РНК и функциональная экспрессия

FePO₄ наночастицы защищают модель РНК от гидролиза и нуклеаз, как подтверждают целые полосы на агарозной гель-электрофорезе РНК (RAGE) после инкубации в воде и сыворотке. В противовес, медные и углеродные нанотрубчатые наночастицы ускоряли деградацию. Функциональные анализы с люциферазу-кодирующей мРНА продемонстрировали, что FePO₄ сохранил трансляционную эффективность, давая двукратный прирост люминесценции относительно контроля, тогда как медные наночастицы снижали экспрессию. Эти результаты подчеркивают FePO₄ как надежный стабилизатор РНК, сохраняющий биологическую активность, позиционируя его как кандидата для мРНА-базированных терапевтик и вакцин.

Заключение

FePO₄ наночастицы, синтезированные простой ко-выпадением и ПЭГилизацией стратегией, формируют монодисперсные частицы (~175 нм) со стабильным отрицательным поверхностным зарядом. Они демонстрируют высокую биосовместимость (>70 % живучесть до 80 мкг/мл) и эффективную DOX загрузку (26,8 %). FePO₄-DOX наночастицы доставляют усиленную цитотоксичность (10-кратное снижение IC₅₀) и увеличенную селективность к раковым клеткам. Частицы также стабилизируют РНК против гидролиза и сохраняют мРНА трансляционную активность, валидируя их двойную роль как лекарственных и нуклеиновых кислот носителей. Эти атрибуты делают FePO₄ наночастицы убедительной платформой для терапевтической доставки и обогащения пищевых продуктов железом и биологически активными соединениями.

Методы

Синтез и характеристика FePO₄ наночастиц

FePO₄ наночастицы производили смешиванием эквимолярных растворов аммоний фосфата (16 мг/мл) и нитрата железа(III) (8 мг/мл) под постоянным перемешиванием, с последующей центрифугировкой и промывкой для удаления остаточных предшественников. Полученный осадок диспергировали в DSPE-PEG-COOH (10 % м/м) для генерации стабильных наночастиц. Размер и дзета-потенциал измеряли DLS; химическая идентичность подтверждали ФТИР.

Загрузка доксорубицина

DOX (100 мкг) добавляли к Fe(NO₃)₃ или (NH₄)₃PO₄ растворам перед выпадением для достижения комплексации с Fe³⁺. Полученные FePO₄-DOX частицы промывали трижды и квантовали флуоресцентной спектроскопией (возбуждение 490 нм, эмиссия 595 нм). Эффективность загрузки рассчитывали как ((DOX в NPs – DOX в супернатанте)/начальный DOX) × 100.

Биосовместимость и цитотоксичность анализы

Мышиный остеосаркома K7M2 и фибробласты NIH/3T3 посеяли по 10 000 клеток/колодка в 96-колодчатых пластинках, обрабатывали FePO₄ или FePO₄-DOX (20–600 мкг/мл) 48 ч, живучесть оценивали MTT (550 нм). Клеточные линии также экспонировали свободному DOX (0,05–5 мкМ) для сравнительной цитотоксичности.

Клеточное внутреннее поглощение

Для конфокального изображения K7M2 клетки (12 000 клеток/колодка) обрабатывали 5 мкг/мл DOX или FePO₄-DOX 0,5, 1 и 3 ч, фиксировали, окрашивали DAPI и образовывали на Zeiss LSM-700. DOX флуоресценция (560 нм) использовали для отслеживания внутриклеточного поглощения.

РНК стабильность и экспрессия

Дрожжевая РНК (1 мг/мл) инкубировали с 20 мкг/мл Cu, FePO₄, Ag, CNT или ZnO наночастиц при 37 °C и мониторили во времени RAGE. Для сывороточной стабильности РНК инкубировали в 10 % FBS/DMEM. Люциферазу-кодирующая мРНА транслировали в кроличьем ретикулоцитарном лизате с или без 20 мкг/мл FePO₄ или Cu наночастиц, люминесценцию измеряли Biotek Synergy H1 ридером.

Статистический анализ

Данные представляют минимум три независимых эксперимента, выражают как mean ± s.d. Данные живучести получены из шести технических реплик.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, поддерживающие это исследование, доступны у соответствующего автора по разумному запросу.