Разработка и свойства нового носителя доксорубицина на основе поверхностно-модифицированных микрочастиц ноль-валентного железа с высокой эффективностью инкапсуляции и возможностью его контролируемого высвобождения

В настоящее время химиотерапия в сочетании с хирургией и лучевой терапией является наиболее эффективным методом лечения рака. В то же время применение данного метода сопровождается серьезными побочными эффектами, обусловленными неспецифичностью большинства химиотерапевтических агентов. В связи с этим разработка систем доставки лекарственных средств (СДЛС), способных обеспечить адресацию химиотерапевтического агента к раковым клеткам, а также его контролируемое высвобождение представляют собой перспективный подход для эффективного лечения онкологических заболеваний.
Цель работы – синтез нового СДЛС на основе поверхностно-модифицированных микрочастиц ноль-валентного железа, изучение его свойств в качестве носителя химиотерапевтического агента (эффективность инкапсуляции, емкость загрузки, возможность контролируемого высвобождения химиотерапевтического агента) и безопасности.
Материалы и методы. Частицы были получены методом восстановления хлорида железа (III) боргидридом натрия с последующей in situ модификацией поверхности 4-карбоксибензолдиазония тозилатом согласно модифицированной методике. Наличие функциональных групп на поверхности подтверждали методом ИК-спектроскопии с использованием спектрометра Nicolet iS5 Infrared Spectrometer (Thermo Scientific, США). Размеры и поверхностный заряд микрочастиц в растворе исследовали методом динамического рассеяния света и дзета-потенциала. Для оценки влияния pH окружающей среды на скорость высвобождения доксорубицина исследование проводили в моделированных физиологических условиях (pH 3,3; 5,5; 7,4). Изучение высвобождения под воздействием ультразвукового поля проводили одновременно при тех же условиях. Влияние модификации поверхности на эффективность инкапсуляции оценивали при различных значениях рН (3,3; 5,5; 7,4) и концентрациях доксорубицина (0,2; 0,35; 0,5; 0,75; 1,0 мг/мл). Для подтверждения безопасности разработанной СДЛС определение цитотоксичности проводили на клеточной линии HeLa (ATCC® CCL-2™).
Результаты. Предложена оригинальная методика получения носителя на основе микрочастиц нольвалентного железа с ковалентно присоединенным к поверхности хитозаном (Fe-CS), обладающе го высокими значениями э.ффективности инкапсуляции и емкости загрузки доксорубицина (0,9 мг на 1 мг микрочастиц Fe-CS), низкой цитотоксичностью, а также возможностью контролируемого высвобождения цитостатического агента (доксорубицина) под воздействием ультразвукового излучения при различных значениях рН.
Заключение. Получен носитель на основе микрочастиц ноль-валентного железа с ковалентно присоединенным к поверхности хитозаном (Fe-CS). Определена эффективность инкапсуляции, емкость загрузки доксорубицина и подтверждена возможность его контролируемого высвобождения под воздействием ультразвукового поля при различных значениях рН. В эксперименте in vitro на клеточной линии HeLa (ATCC® CCL-2™) установлено отсутствие токсичности для всех образцов (Fe0,Fe-COOH и Fe-CS) вне зависимости от их концентрации.

1. Liu F.S. Mechanisms of chemotherapeutic drug resistance in cancer therapy – A quick review. Taiwan J. Obstet. Gynecol. 2009; 48 (3): 239–244. DOI: 10.1016/S1028-4559(09)60296-5.

2. Wang D., Zhou J., Shi R., Wu H., Chen R., Duan B., Xia G., Xu P., Wang H., Zhou S., Wang C., Wang H., Guo Z., Chen Q. Biodegradable core-shell dual-metal-organic-frameworks nanotheranostic agent for multiple imaging guided combination cancer therapy. Theranostics. 2017; 7 (18): 4605–4617. DOI: 10.7150/thno.20363.

3. Jain R.K., Stylianopoulos T. Delivering nanomedicine to solid tumors. Nat. Rev. Clin. Oncol. 2010; 7 (11): 653–664. DOI: 10.1038/nrclinonc.2010.139.

4. Palumbo M.O., Kavan P., Miller W.H. Jr., Panasci L., Assouline S., Johnson N., Cohen V., Patenaude F., Pollak M., Jagoe R.T., Batist G. Systemic cancer therapy: achievements and challenges that lie ahead. Front. Pharmacol. 2013; 4 (57): 1–9. DOI: 10.3389/fphar.2013.00057.

5. Sak. K. Chemotherapy and dietary phytochemical agents. Chemotherapy Research and Practice. 2012; 2012: 282570.DOI: 10.1155/2012/282570.

6. Prasanna N.R., Triveni C., Soumya R., Ramana B.V., Nagarajan G. Novel Delivery Systems in Cancer Chemotherapy. Research & Reviews in Pharmacy and Pharmaceutical Sciences. 2013; 2 (1): 8–19.

7. Hu Q., Sun W., Wang C., Gu Z. Recent advances of cocktail chemotherapy by combination drug delivery systems. Adv. Drug Deliv. Rev. 2016; 98: 19–34. DOI: 10.1016/j.addr.2015.10.022.

8. Peer D., Karp J.M., Hong S., Farokhzad O.C., Margalit R., Langer R. Nanocarriers as an emerging platform for cancer therapy. Nat. Nanotechnol. 2007; 2 (12): 751–760. DOI: 10.1038/nnano.2007.387.

9. Farokhzad O.C., Langer R. Impact of nanotechnology on drug delivery. ACS Nano. 2009; 3 (1): 16–20. DOI: 10.1021/nn900002m.

10. Lv S., Li M., Tang Z., Song W., Sun H., Liu H., Chen X. Doxorubicin-loaded amphiphilic polypeptide-based nanoparticles as an efficient drug delivery system for cancer therapy. Acta Biomater. 2013; 9 (12): 9330–9342. DOI: 10.1016/j.actbio.2013.08.015.

11. Lee C.S., Kim H., Yu J., Yu S.H., Ban S., Oh S., Jeong D., Im J., Baek M.J., Kim T.H. Doxorubicin-loaded oligonucleotide conjugated gold nanoparticles: a promising in vivo drug delivery system for colorectal cancer therapy. Eur. J. Med. Chem. 2017; 142: 416–423. DOI: 10.1016/j.ejmech.2017.08.063.

12. Di Martino A., Guselnikova O.A., Trusova M.E., Postnikov P.S., Sedlarik V. Organic-inorganic hybrid nanoparticles controlled delivery system for anticancer drugs. Int. J. Pharm. 2017; 526 (1–2): 380–390. DOI:10.1016/j.ijpharm.2017.04.061.

13. Kiraly R., Martin R.B. Metal ion binding to daunorubicin and quinizarin. Inorg. Chim. Acta. 1982; 67: 13–18.

14. Gallois L., Fiallo M., Garnier-Suillerot A. Comparison of the interaction of doxorubicin, daunorubicin, idarubicin and idarubicinol with large unilamellar vesicles circular dichroism study. Biochim. Biophys. Acta Biomembr.1998; 1370 (1): 31–40.

15. Pavinatto F.J., Caseli L., Oliveira O.N. Jr. Chitosan in nanostructured thin films. Biomacromolecules. 2010; 11 (8): 1897–1908. DOI: 10.1021/bm1004838.

16. Croisier F., Jérфme C. Chitosan-based biomaterials for tissue engineering. Eur. Polymer J. 2013; 49 (4): 780–792.

17. Yang W., Fu J., Wang T., He N. Chitosan/Sodium tripolyphosphate nanoparticles: preparation, characterization and application as drug carrier. J. Biomed Nanotechnol. 2009; 5 (5): 591–595.

18. Xu Y., Zhang X.Y., Hsing Y.M., Fang Y.Z. Ultrasonic-assisted synthesis of fe nanoparticles in the presence of Poly (N-vinyl-2-pyrrolidone). Chinese J. Chem. 2011; 29: 1829–1836.

19. Filimonov V.D., Trusova M.E., Postnikov P.S., Krasnokutskaya E.A., Lee Y. M., Hwang H. Y., Kim H., Chi K. W. Unusually stable, versatile, and pure arene diazonium tosylates: their preparation, structures, and synthetic applicability. Org. Lett. 2008; 10 (18): 3961–3964. DOI: 10.1021/ol8013528.

20. Guselnikova O.A., Galanov A.I., Gutakovskii A.K., Postnikov P.S. The convenient preparation of stable aryl-coated zerovalent iron nanoparticles. Beilstein J. Nanotechnol. 2015; 6: 1192–1198. DOI: 10.3762/bjnano.6.121.

21. Fang C., Kievit F.M., Veiseh O., Stephen Z.R., Wang T., Lee D., Ellenbogen R.G., Zhang M. Fabrication of magnetic nanoparticles with controllable drug loading and release through a simple assembly approach. J. Control Release. 2012; 162 (1): 233–241. DOI: 10.1016/j.jconrel.2012.06.028.

22. Soares P.I.P., Sousa A.I., Ferreira I.M.M., Novo C.M.M., Borges J.P. Towards the development of multifunctional chitosan-based iron oxide nanoparticles: Optimization and modelling of doxorubicin release. Carbohydr.Polym. 2016; 153 (20): 212–221. DOI: 10.1016/j.carbpol.2016.07.109.

23. Prodan A.M., Iconaru S.L., Ciobanu C.S., Chifiriuc M.C., Stoicea M., Predoi D. Iron oxide magnetic nanoparticles: characterization and toxicity evaluation by in vitro and in vivo assays. Journal of Nanomaterials. 2013;2013: 10. DOI: 10.1155/2013/587021.

24. Chehimi M.M., Lamouri A., Picot M., Pinson J. Surface modification of polymers by reduction of diazonium salts. The example of polymethylmethacrylate. J. Mater. Chem. C. 2014; 2: 356–363. DOI: 10.1039/C3TC31492H.

25. Paulusse J.M.J., Sijbesma R.P. Ultrasound in polymer chemistry: Revival of an established technique. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. 2006; 44 (19): 5445–5453. DOI: 10.1002/pola.21646.