Полидопаминовые ядро-оболочечные наночастицы с редокс-чувствительными полимерными оболочками для таргетированной доставки лекарств и синергестической химио-фототермической терапии

Аннотация

Фототермическая терапия (ФТТ) в ближнем инфракрасном (НИК) диапазоне обеспечивает высокую селективность к опухолям и минимальные побочные эффекты, однако ее клиническое влияние ограничено недостаточной доставкой тепла. Здесь мы сообщаем о ядро-оболочечной наночастице, объединяющей полидопаминовое (PDA) ядро с дисульфид-сшитой поли(метакриловой кислоты) (PMAA) оболочкой. PDA ядро обеспечивает эффективную НИК фототермическую конверсию, в то время как редокс-лабильная PMAA оболочка инкапсулирует доксорубицин (DOX) и селективно освобождает его в восстанавливающей, кислой микросреде раковых клеток. In vitro, DOX-загруженные PDA@PMAA наночастицы показывают синергетическое подавление клеток A549 при комбинации с низкодозной лазерной иррадиацией, достигая >85 % уничтожения клеток при общей дозе лекарства 5 мкг/мл. Эта платформа демонстрирует точную, запускаемую доставку лекарств и усиленную химио-фототермическую эффективность.

Введение

ФТТ использует НИК-абсорбирующие агенты для конвертации света в тепло, требуются аблирующие температуры (>55 °C) для некроза опухоли при сохранении нормальной ткани. Полидопамин (PDA) — мидий-вдохновленный полимер, сильно абсорбирующий в НИК, с 40 % фототермической конверсионной эффективностью, биосовместимый и биодеградируемый. Однако одно-модальная ФТТ не может достичь достаточной температуры в ядре опухоли без повреждения окружающей ткани. Комбинирование гипертермии с химиотерапией стало мощной стратегией: тепло усиливает поглощение лекарства и увеличивает его цитотоксичность, в то время как химиотерапия убивает клетки, выжившие после нагрева. Для реализации этой синергии мы спроектировали умную ядро-оболочечную систему, где PDA ядро обеспечивает фототермическую конверсию, а дисульфид-сшитая PMAA оболочка выступает резервуаром лекарства, деградирующим в редуктивной среде опухоли (концентрация глутатиона 2–10 мМ против 20–40 мкМ в плазме) и при слегка кислом pH.

Материалы и методы

Материалы

Все реагенты аналитического класса. Гидрохлорид дофамина, метакрилоил хлорид, глутатион, метакриловая кислота (MAA), N,N'-бис(акрилоил)цистамин (BAC), 2,2'-азобизизобутиронитрил (AIBN) и доксорубицин (DOX·HCl) приобретены у стандартных поставщиков. Реагенты для клеточной культуры получены от Invitrogen и Sigma-Aldrich.

Характеризация

Передаточная электронная микроскопия (TEM) (Tecnai G2 20 TWIN) визуализировала морфологию. Динамическое световое рассеяние (DLS, Malvern Nano-ZS90) измеряло гидродинамический размер и ζ-потенциал. UV-Vis спектры записывали на Perkin-Elmer Lambda 750. Фурье-преобразование инфракрасной спектроскопии (FT-IR) (Nicolet 6700) подтвердило сшивание. Фототермическая производительность оценивали иррадиацией водных дисперсий (100 мкг/мл) 808-нм лазером (5 Вт/см²) в течение 300 с и регистрацией температурных изменений термопарой (±0,1 °C). Клеточное поглощение и локализация образовывали konfокальной лазерной сканирующей микроскопией (CLSM, Leica TCS SP8 STED 3X).

Синтез PDA@PMAA наночастиц

PDA сферы формировали окислением 0,5 г дофамина в 90 мл H₂O/40 мл EtOH/3 мл NH₃·H₂O при 30 °C в течение 24 ч. PMAA оболочка выращивали методом дистилляционно-осажденной полимеризации: 100 мг MAA, 10 мг BAC, 3 мг AIBN растворили в 25 мл ацетонитрила, затем добавили 50 мг PDA сфер. Смесь нагревали до 100 °C, мешали 2 ч, затем центрифугировали и промывали. Варируя массовое отношение PDA/MAA (0,5–6) настраивали толщину оболочки (120–200 нм).

Загрузка и высвобождение лекарства

DOX (1 мг/мл, pH 8,0) смешивали с 10 мг PDA@PMAA-1 в течение 24 ч, затем центрифугировали и промывали. Содержание загрузки (LC) и эффективность инкапсуляции (EE) рассчитывали из UV-Vis абсорбции на 480 нм. In vitro высвобождение мониторили в фосфатных буферах (pH 7,4, 5,5) с/без 10 мМ GSH при 37 °C, пробуя каждые 2 ч. Диализационный мешок (14 кДа MWCO) удерживал наночастицы; среда высвобождения обновляли при взятии пробы. Процент высвобождения рассчитывали как кумулятивное высвобожденное лекарство к общему загруженному.

Клеточные исследования

Человеческие эмбриональные почечные клетки (HEK-293T) и клетки аденокарциномы легких (A549) культивировали в DMEM + 10 % FBS. Клеточное поглощение DOX-загруженных PDA@PMAA наблюдали после 1 ч и 4 ч инкубации. Цитотоксичность оценивали MTT-тестом: клетки обрабатывали свободным DOX, пустыми PDA@PMAA или DOX-загруженными PDA@PMAA (10–100 мкг/мл) в течение 24 ч, с или без 808-нм лазерной иррадиации (5 Вт/см², 300 с). Жизнеспособность клеток выражали относительно необработанных контрольных. Живая/мертвая окраска (Calcein-AM) и CLSM подтверждали терапевтический исход.

Результаты и обсуждение

Морфология и физико-химические свойства наночастиц

TEM изображения показывают монодисперсные сферические PDA ядра (~100 нм) и PDA@PMAA частицы (120–200 нм) с однородными оболочками. DLS показывает гидродинамические диаметры 176–349 нм, указывая на набухший полимерный слой в водной среде. ζ-потенциалы смещаются от –26,8 мВ (PDA) до –30,2 до +33,2 мВ (PDA@PMAA) по мере увеличения толщины оболочки, отражая экспозицию карбоксилатов. FT-IR подтверждает наличие амидных I/II полос (1650/1550 см⁻¹) от BAC и растяжения C=O на 1706 см⁻¹ от PMAA, подтверждая успешное сшивание.

Фототермическая производительность

UV-Vis спектры показывают широкое НИК поглощение для всех образцов; PDA демонстрирует наивысшую абсорбцию на 808 нм. Фототермические нагревания показывают, что 100 мкг/мл PDA дисперсия повышает температуру на 41 °C, тогда как PDA@PMAA-1 достигает 56 °C, превышая 55 °C порог аблирования опухоли. Температурный рост обратно коррелирует с толщиной оболочки, подтверждая, что тонкая оболочка сохраняет фототермическую эффективность, позволяя загрузку лекарства.

Контролируемое высвобождение лекарства

Загрузка DOX дает LC = 5,1 % и EE = 53,7 % для PDA@PMAA-1, выше, чем PDA отдельно (LC = 3,7 %). В физиологическом буфере (pH 7,4) высвобождение незначительно (<11 % за 24 ч). В 10 мМ GSH высвобождается 72,8 % DOX за 24 ч из-за разрыва дисульфидных связей. Кислые условия (pH 5,5) с GSH вызывают взрывное высвобождение (≈87 % за 24 ч) по мере протонирования карбоксилатов коллапсирует полимерную сеть. Фототермическая иррадиация (5 Вт/см², 300 с) не изменяет профиль высвобождения, указывая на структурную целостность при нагреве.

In vitro антиопухолевая эффективность

Конфокальные изображения показывают быстрое клеточное поглощение DOX-загруженных PDA@PMAA; флуоресценция появляется в цитоплазме через 1 ч и распространяется в ядро к 4 ч, указывая на эффективную эндоцитоз и высвобождение лекарства. HEK-293T клетки демонстрируют >90 % жизнеспособность после 24-ч воздействия пустыми PDA@PMAA-1 при концентрациях до 100 мкг/мл, подтверждая биосовместимость. A549 клетки показывают дозо-зависимую цитотоксичность: пустые PDA@PMAA-1 с лазером снижают жизнеспособность до ~54 % при 100 мкг/мл; DOX-загруженные PDA@PMAA-1 без лазера снижают до ~38 % при той же дозе лекарства. Комбинация DOX-загруженных PDA@PMAA-1 и лазера снижает жизнеспособность до ~16 % (IC₅₀ = 2 мкг/мл), заметно лучше, чем каждая модальность в отдельности (IC₅₀ = 5,6 мкг/мл для свободного DOX). Живая/мертвая окраска подтверждает эти находки. Данные подтверждают синергестический химио-фототермический эффект, позволяющий более низкие дозы лекарств и минимальное повреждение нормальных тканей.

Заключение

Мы спроектировали полидопаминовое ядро-дисульфид-сшитую PMAA оболочку наночастицу, одновременно предлагающую высокую эффективность НИК фототермической конверсии, редокс-чувствительное высвобождение лекарства и отличную биосовместимость. DOX-загруженные PDA@PMAA-1 достигают быстрой, таргетированной высвобождения в микросреде опухоли и, в комбинации с кратковременной лазерной иррадиацией, дают превосходное уничтожение опухолевых клеток (>85 %) при низких концентрациях лекарства. Эта многофункциональная платформа несет сильную перспективу для клинического перевода комбинированной химио-фототермической раковой терапии.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, сгенерированные в ходе этого исследования, доступны у соответствующего автора по запросу.