Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Studie biedt een nieuwe strategie voor het bouwen van hoogwaardige NIR-II PTA's met kleine moleculen

Rationeel ontwerp van nieuwe op aza-BODIPY gebaseerde NIR-II PTA's en de fotothermische behandeling ervan voor diepe tumoren. (A) Moleculaire structuren van SW1 tot SW8. (B) Voorbereiding van SW8@NP's. (C) Kinetisch mechanisme voorgesteld voor SW8@NPs. (D) PTT-effecten van SW8@NPs voor cellulaire en diermodellen van osteosarcoom onder laserbestraling van 808/1.064 nm (gemaakt met http://BioRender.com). (E) Schematische weergave van moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan door SW8 gemedieerde antitumoreffecten onder laserbestraling van 808 / 1.064 nm. Krediet:Onderzoek (2023). DOI:10.34133/research.0169

Onlangs heeft het team van academicus Huang Wei, professor Li Lin en professor Hu Wen Bo van de School of Northwestern Polytechnical University een ultra-efficiënt NIR-II fotothermisch middel ontwikkeld voor 1.064 nm lasergemedieerde fotothermische behandeling van osteosarcoom.



De studie, "Acceptor Engineering Produces Ultrafast Nonradiative Decay in NIR-II Aza-BODIPY Nanoparticles for Efficient use. Osteosarcoma Photothermal Therapy via Concurrent Apoptosis and Pyroptosis", werd gepubliceerd in Research .

De behandeling van kanker is nog steeds een van de grootste uitdagingen waarmee mensen vandaag de dag worden geconfronteerd, ondanks aanzienlijk betere medische technologie. De afgelopen jaren is de ontwikkeling van nabij-infrarood (NIR) fotothermische middelen (PAT's), moleculair gerichte medicijnen voor fotothermische therapie (PTT), naar voren gekomen als een nieuwe onderzoekshotspot.

Vergeleken met andere lichtbanden heeft NIR-licht een beter biologisch penetratievermogen en kan het worden gebruikt voor milde PTT van diep weefsel in combinatie met geschikte PAT's. Het merendeel van de experimenten met muizenmodellen bevindt zich nog steeds in de fase van subcutane tumortherapie, die wordt beperkt door de geringe penetratiediepte van NIR-I-licht en die geen diep tumorweefsel in het lichaam kan verwijderen.

De penetratiediepte van het NIR-II-licht neemt echter toe en er wordt verwacht dat de diepe tumor-PTT klinische toepassing zal bereiken. Momenteel zijn er veel onderzoeken naar PTA's en worden er regelmatig nieuwe materialen ontwikkeld. De factoren die de functie van PTA's beïnvloeden, zijn onder meer de absorptiegolflengte, de grootte en de oppervlaktemodificatie.

Hoewel verschillende soorten PTA's unieke voordelen vertonen, moet een fotothermisch materiaal worden onderzocht dat vele voordelen integreert, zoals hoge fotothermische conversie-efficiënties (PCE's), een lange absorptiegolflengte, sterke bioveiligheid en goede wateroplosbaarheid.

PTA's met kleine moleculen met intense NIR-II-absorptie en hoge PCE's zijn veelbelovende kandidaten voor de behandeling van diepgewortelde tumoren zoals osteosarcoom. Tot nu toe is de ontwikkeling van NIR-II PTA's met kleine moleculen grotendeels afhankelijk geweest van het fabriceren van donor-acceptor-donor (D –A –D/D') structuren en is er beperkt succes geboekt.

Hierin werd door middel van acceptortechniek een donor-acceptor-acceptor (D – A – A ') -gestructureerde NIR-II aza-boor-dipyrrometheen (aza-BODIPY) PTA (SW8) gemakkelijk ontwikkeld voor de 1.064 nm lasergemedieerde fototheranostische behandeling van osteosarcoom.

Het veranderen van de donorgroepen in acceptorgroepen produceerde opmerkelijke roodverschuivingen van absorptiemaxima van NIR-I-gebieden (~ 808 nm) naar NIR-II-gebieden (~ 1.064 nm) voor aza-BODIPY's (SW1 tot SW8). Bovendien assembleert SW8 zichzelf tot nanodeeltjes (SW8@NPs) met intense NIR-II-absorptie en een ultrahoge PCE (75%, 1.064 nm).

Deze ultrahoge PCE was voornamelijk afkomstig van een extra niet-stralingsvervalpad, dat een 100 keer hogere vervalsnelheid vertoonde vergeleken met die van conventionele routes zoals interne conversie en vibratierelaxatie. Uiteindelijk voerden SW8@NPs zeer efficiënte 1.064 nm lasergemedieerde NIR-II PTT van osteosarcoom uit via gelijktijdige apoptose en pyroptose.

Dit werk illustreert niet alleen een benadering op afstand voor de behandeling van diepgewortelde tumoren met hoge spatiotemporele controle, maar biedt ook een nieuwe strategie voor het bouwen van hoogwaardige NIR-II PTA's met kleine moleculen.

Synthese en fotofysische eigenschappen van SW1 tot SW8. (A) Schematisch diagram van de synthetische route SW1 tot SW8. (B) Genormaliseerde absorptie (zwart) en fotoluminescentie (PL) spectra (rood) van SW1 tot SW8 in dimethylsulfoxide (DMSO). (C) Energieniveaus berekend voor HOMO en LUMO. (D) Fotothermische curven van SW1 tot SW8 en ICG (4 × 10−5 mol l −1 ) in DMSO onder laser (808/1.064 nm, 0,23 W cm −2 ) bestraling. Krediet:Onderzoek (2023). DOI:10.34133/research.0169

Eerst synthetiseerden de onderzoekers een reeks organische kleine moleculen PTA's op basis van aza-BODIPY. Opvallend is dat er opmerkelijke roodverschuivingen voor de absorptie- en PL-spectra plaatsvonden van SW5 naar SW6, waar de elektronendonerende benzeendonor (D') werd veranderd in de pyridine-acceptor (A').

Een verdere toename van het elektronentekort van A' veroorzaakte meer bathochrome golflengten van SW6 naar SW8, vooral de rode verschuiving van de absorptiegolflengte is duidelijk, terwijl het elektronendonerende deel (van SW1 naar SW5) geen uitgesproken golflengteverschuiving vertoonde. Bovendien verbeterde de introductie van alkylketens de J-aggregatie van moleculen, wat zich manifesteert door een rode verschuiving van de emissiegolflengte van SW6 naar SW8. Tijdsafhankelijke dichtheidsfunctionaaltheorie (TD-DFT) berekeningen onthulden een geleidelijke afname van de HOMO-LUMO-energiekloof van SW5 naar SW8, consistent met de roodverschoven spectra.

Met name de LUMO-energieniveaus voor SW5-8 daalden in volgorde, terwijl de HOMO-energieniveaus vrijwel onveranderd bleven. Dit fenomeen geeft aan dat de acceptorsegmenten op de 3- en 5-posities van aza-BODIPY de energieverschillen aanzienlijk hebben verkleind, wat een alternatieve benadering biedt om nieuwe organische NIR-II-materialen met kleine moleculen te construeren.

Vervolgens selecteert dit artikel de meest voordelige absorptie-/emissiegolflengte SW8 voor zelfassemblage. SW8 werd ingekapseld in een amfifiele matrix om in water oplosbare nanodeeltjes te vormen (SW8@NPs). Er werd vastgesteld dat de PCE van SW8@NP's onder laserbestraling van 1064 nm maar liefst 75% bedroeg, wat een opmerkelijke verbetering is vergeleken met die van SW1-7@NP's.

Bovendien schreven ultrasnelle spectroscopische onderzoeken deze ultrahoge PCE toe aan een niet-stralingstussenliggende toestand. Dit donkere tussenproduct heeft tot 80% van de opgewonden populatie uitgeput, met een hoge vervalsnelheid van 1,3 × 10 13 s -1 ten opzichte van conventionele niet-stralingsvervalkanalen zoals interne conversie, resulterend in de ultrahoge PCE.

Ten slotte werd, om de biocompatibiliteit van SW8@NPs te bestuderen, osteosarcoomcel 143B behandeld met SW8@NPs. De resultaten toonden aan dat SW8@NP's op efficiënte wijze cellulaire opname door de 143B-cellen konden bewerkstelligen met lage donkertoxiciteit en hoge fototoxiciteit. Het apoptoseniveau was aanzienlijk verhoogd na 808 nm en er waren 1.064 fotothermische beelden gemaakt. Röntgenbeeldvorming werd gebruikt om de orthotopische tumorgroei te volgen. de tumoren werden gedurende 10 minuten met laser bestraald en gedurende 12 dagen om de dag herhaald.

De curve van de volumetendens voor de "SW8@NPs +1.064 nm laser"-groep demonstreerde volledige tumoruitroeiing gedurende de 12 dagen van monitoring. Daarentegen slaagden de andere vijf behandelingen er niet in de tumorgroei te onderdrukken, met een gemiddelde toename van het tumorvolume bij laserbestraling met een factor 4 tot 5. Vergeleken met de 808 nm-laser kan de 1.064 nn-laser 15 mm dik spierweefsel doordringen, waardoor de warmteproductie van SW8@NP effectief wordt gestimuleerd. Verdere onderzoeken naar orthotope 143B-tumordragende muizen toonden aan dat SW8@NP's een hoge accumulatie en een sterk fotothermisch effect op de tumorplaats hadden. Continue bestraling van tumorgebieden gedurende 10 minuten met behulp van een 808 (0,33 W cm -2 ) of 1.064 nm laser (0,5 W cm -2 ) werd 24 uur na SW8@NPs-injectie uitgevoerd.

Bovendien toonden histologische en immunohistochemische tests aan dat de tumorstructuur in de "SW8@NPs+1.064 nm"-groep ernstig beschadigd was, en dat de parenchymcellen in grote aantallen verdwenen en vacuolair leken, en de TUNEL-resultaten toonden aan dat het niveau van apoptose aanzienlijk was. toegenomen. Western blotting werd gebruikt om met apoptose geassocieerde eiwitten te analyseren (Bax, Bcl2, Caspase 9, Caspase 3 en PARP1).

In de groep "SW8@NPs+1.064 nm" was het algehele fosforylatieniveau van apoptotisch eiwit verhoogd en werd apoptose geactiveerd door bestraling. Samen onthulden de resultaten voor het eerst dat de SW8@NPs-gemedieerde NIR-II PTT antitumoreffecten uitoefende, voornamelijk door gelijktijdige apoptose en pyroptose te stimuleren.

In deze studie rapporteerden ze over het ontwerp van een nieuwe organische kleinmoleculige PTA (SW8) en zelftoegankelijke nanodeeltjes (SW8@NPs) met een hoge PCE (75%) in het NIR-II-venster (1.064 nm). Analyse van de moleculaire dynamiek van de geëxciteerde toestand toonde aan dat deze ultrahoge PCE voornamelijk voortkwam uit een extra niet-stralingsvervalpad.

Een reeks in vitro en in vivo experimenten heeft voor het eerst aangetoond dat superieure NIR-II PTT effectief gelijktijdige apoptose en pyroptose in osteosarcoomweefsels kan induceren. De onderzoekers suggereren dat het ontwerp van organische PTA's met kleine moleculen, gebaseerd op rationele principes in het NIR-II-venster, de praktische klinische toepassingen van fotothermische activeringen en behandelingen in de toekomst ten goede zal komen.

Meer informatie: Zhenxiong Shi et al, Acceptor Engineering produceert ultrasnel niet-radiatief verval in NIR-II Aza-BODIPY nanodeeltjes voor efficiënte fotothermische therapie voor osteosarcoom via gelijktijdige apoptose en pyroptose, Onderzoek (2023). DOI:10.34133/onderzoek.0169

Journaalinformatie: Onderzoek

Geleverd door Onderzoek




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Nieuwe vooruitgang in de biologische fixatie van stikstof in rijst
  2. Darmbacteriën veroorzaken indirect symptomen door het microbioom van fruitvliegen te veranderen
  3. 3 fasen van interfase
  4. Waar komt collageen vandaan?
  5. Kweek vers voedsel in uw huis - verticaal
  6. Mensen evolueren nog steeds - Heres the Evidence
  7. Tomatenbloesems ontvouwen nieuwe inzichten:sleutelgen TM6 regelt de bloemontwikkeling
  8. Veel voorkomende medicijnen tegen brandend maagzuur kunnen kanker en andere immuunstoornissen bij honden helpen bestrijden, vinden onderzoekers
  9. Rapport:Er zijn geen goede of slechte oliegewassen, alleen goede en slechte praktijken

Wetenschap