NANOTERAPIA SOB DEMANDA ELETRO-RESPONSIVA CONTROLADA REMOTAMENTE BASEADA EM ÓXIDO DE GRAFENO MODIFICADO

1. Sahoo ^a e,T. Mitra ^b e,K. Chakraborty ^c,P. Sarkar ^d.

^aEscola de Física, Universidade Sambalpur, JyotiVihar, Burla, Odisha, 768019, Índia

^bDepartamento de Bioquímica, Universidade de Calcutá, Calcutá, 700019, Índia

^cDepartamento de Ciência e Tecnologia da Computação, Escola Técnica de Calcutá, 700013, Bengala Ocidental, Índia

^dBharat Pharmaceutical Technology, Amtali, West Tripura, Tripura, 799130, Índia

Abstrato

Este estudo se concentra no desenvolvimento de um novo sistema de nanopartículas de óxido de grafeno (GO) responsivo a campo elétrico para entrega de medicamentos sob demanda. Hoje, o GO é uma opção atraente adotada em diversas aplicações biológicas por suas características exclusivas como flexibilidade, condutividade, custo-benefício e natureza responsiva a estímulos externos. É comum a utilização de múltiplos medicamentos no tratamento do câncer. Esse tipo de terapia tem menos efeitos colaterais, resistência aos medicamentos e é mais eficaz do que utilizar apenas um medicamento. Este estudo tem como objetivo determinar a liberação de medicamento duplo controlado por baixa voltagem (aspirina e doxorrubicina) da superfície GO. Aqui, demonstramos como controlar remotamente a taxa de liberação do medicamento com um prático telefone celular, com zero liberação passiva em tempo ocioso. Além disso, o estudo teve como objetivo estimar o sinergismo da aspirina com a doxorrubicina no mecanismo de liberação do GO na presença de voltagem externa, utilizando o método espectroscópico. Além disso, observamos atividade antitumoral induzida por aspirina e doxorrubicina em MDA-MB 231 (célula de câncer de mama) in  vitro . Assim, nosso estudo apresenta uma combinação nobre de aspirina e doxorrubicina que poderia ser utilizada para administração controlada remotamente de medicamentos sob demanda para tratamento de câncer de mama triplo negativo, usando GO como transportador.

Introdução

Nos últimos anos, os materiais responsivos a estímulos revolucionaram o mundo da biomedicina e da biotecnologia. Os agentes terapêuticos podem ser liberados de sistemas de administração de medicamentos responsivos a estímulos por muitos fatores endógenos, como temperatura, pH, biomoléculas como enzimas e assim por diante [[1], [2], [3], [4]]. Contudo, neste processo, o principal desafio é localizar o fármaco particularmente num tecido doente, mas não no tecido saudável, especialmente quando a diferença entre estes tecidos é bastante insignificante; portanto, levanta a possibilidade de liberação fora do alvo. Em contrapartida, todos esses obstáculos podem ser eliminados pela introdução de fatores exógenos como campo magnético, luz, calor, voltagem são totalmente separados da fisiologia do paciente e podem administrar o medicamento de forma mais controlada e precisa na região alvo [5,6 ].

Os sistemas de distribuição de medicamentos sob demanda que fornecem medicamentos de acordo com as necessidades dos pacientes têm atraído atenção significativa, pois reduziram os riscos e complicações envolvidos. Muitos materiais inteligentes são usados ​​para entrega de medicamentos sob demanda, utilizando suas respostas a vários estímulos, como temperatura, luz UV, estimulação magnética e elétrica. Esses materiais apresentam menos efeitos colaterais e podem desencadear a liberação do medicamento pela imposição dos estímulos mencionados acima.

Reduzir os efeitos colaterais dos medicamentos anticancerígenos, melhorar o efeito terapêutico e a bioimagem são tarefas difíceis e, portanto, um esforço constante foi direcionado para superar todos esses desafios. Como resultado, numerosos novos transportadores de medicamentos foram concebidos e introduzidos nos últimos dias. Entre esses novos carreadores de fármacos promissores, o óxido de grafeno (GO) tem sido amplamente utilizado devido à sua alta biocompatibilidade com alta capacidade de carregamento de fármacos. GO é um alótropo de carbono monoatômico hibridizado sp ² bidimensional com grupos funcionais epóxi, hidroxila e carboxila em seu plano basal e bordas [7,8]. Uma grande quantidade de área de superfície disponível, uma estrutura p-conjugada e interações de Van der Waals do GO tornam-no um excelente carreador de medicamentos [9,10].

GO é bem disperso em solução aquosa devido à presença de grupos hidroxila, carboxila e epóxi, que melhoram significativamente a ligação interfacial dentro dos componentes e transferem a tensão com eficiência. Essas vantagens tornam o GO um material nanocompósito extremamente potencial como carreador de medicamentos no campo da biomedicina e da biotecnologia, ao mesmo tempo em que é combinado com um polímero ou matriz inorgânica [13,14].

No presente estudo, nossa estratégia é desenvolver um nanocompósito de óxido de grafeno (ONG) funcionalizado com duas moléculas de fármacos diferentes, uma é um medicamento anticancerígeno comum para câncer de mama, a doxorrubicina (DOX), e outra é um antiinflamatório não esteroidal. , ácido acetilsalicílico ou aspirina (ASP). Foi observado que pacientes com câncer que tomam um suplemento de ASP apresentam risco reduzido de câncer e maior sobrevida global do que aqueles que não o fazem [15,16]. ASP é um medicamento antiinflamatório mais comumente usado para tratar doenças inflamatórias. A associação entre inflamação crónica e cancro [17,18] sugere que a ASP pode ser eficaz contra o cancro. Os efeitos anticancerígenos da ASP já foram estabelecidos no câncer colorretal [19,20], câncer de esôfago [21], câncer gástrico [22], câncer de fígado [23] e câncer de pâncreas [24].

Nossa hipótese é que uma combinação de ASP e DOX (ASDO) poderia aumentar o efeito anticancerígeno no tratamento do câncer de mama. Portanto, este estudo foi desenvolvido para verificar se as propriedades citotóxicas do ASDO são sinérgicas quando usadas em conjunto na linhagem celular MDA-MB 231 (linhagem celular de câncer de mama triplo-negativo epitelial humano, TNBC), in  vitro .

Neste trabalho, demonstramos que a taxa de crescimento das células é reduzida quando tratadas com ASDO em comparação com células tratadas apenas com DOX.

Após a aplicação de estímulos externos, muitos materiais são capazes de liberar drogas. No entanto, a maioria deles necessita de instrumentos sofisticados, exceto estimulação elétrica. A administração eletroestimulada de medicamentos tem atraído atenção devido ao baixo custo, à simplicidade e à portabilidade do equipamento de controle, tornando-o gerenciável para aplicações customizadas [6,25]. Neste estudo, utilizamos ONG como material eletrossensível para distribuir drogas de forma controlável. Neste estudo, a ONG é primeiro modificada com um grupo amina para funcionalizá-la com ASP. Esta ONG modificada com etiqueta ASP é usada para carregar o medicamento anticâncer DOX. Essa ONG carregada de drogas passa então pela estimulação elétrica externa controlada pelo celular, que desencadeia a liberação de ambas as drogas (ASP e DOX). Nosso estudo estimou a voltagem necessária na liberação de DOX da ONG. A liberação de ASP é outro aspecto que foi aqui investigado sob a influência da estimulação elétrica. O efeito sinérgico do ASP obriga o DOX a liberar mais.

Vários relatórios foram feitos sobre o uso do sistema duplo de administração de medicamentos com base GO para tratamento de câncer devido à alta biodisponibilidade, baixos efeitos colaterais sistêmicos e ricos locais de modificação funcional de superfície [26]. A maior parte do medicamento pode ser liberada de forma controlada, evitando a liberação fora do alvo e melhorando a eficiência da terapia [27,28]. No entanto, várias deficiências no sistema duplo de distribuição de fármacos limitam as suas aplicações: (1) a fuga de fármaco pode ser facilmente estimulada durante a distribuição do fármaco da corrente sanguínea para organelos tumorais; (2) os medicamentos liberados no citoplasma não possuem organelas-alvo, o que pode influenciar o efeito da terapia. Portanto, para erradicar esses problemas, o vazamento de medicamentos precisa ser cuidado no sistema duplo de administração de medicamentos. No entanto, nossa investigação avaliou se há ou não liberação passiva.

Embora vários trabalhos tenham sido realizados sobre administração eletroestimulada de medicamentos usando grafeno como material de base, a administração dupla eletroestimulada de medicamentos é rara no campo de pesquisa de distribuição de medicamentos. Esta é a primeira vez que usamos ASP e DOX como medicamento modelo que pode ser administrado simultaneamente por voltagem externa. Também demonstramos como medicamentos hidrofílicos (ASP) e hidrofóbicos (DOX) podem ser entregues usando uma única plataforma de entrega. Não só que o uso desses medicamentos duplos apresenta vantagens diferentes. Primeiramente, observamos na presença de ASP a liberação de DOX aumentou diversas vezes, o que é benéfico para o tratamento do câncer. Em segundo lugar, a presença de ASP com DOX aumenta a ativação das enzimas caspase 3, 8 e 9 que são responsáveis ​​pela indução de apoptose em células HepG2.

Assim, nosso objetivo neste estudo foi (i) perceber a eficácia do ASP na liberação de DOX do GO modificado na presença de voltagem externa, (ii) examinar nosso sistema para entrega de medicamentos sob demanda para ASP e DOX, (iii) ) como o problema de liberação passiva de um sistema de liberação dupla de fármaco sintetizado pode ser evitado e (iv) por fim, execução de um estudo celular para verificar a eficácia da liberação do fármaco na presença da voltagem externa e entender a importância do ASP na absorção do medicamento pela célula cancerígena. Assim, nosso trabalho apresenta um excelente sistema duplo de entrega de medicamentos na presença e ausência de voltagem DC, que pode ser extremamente útil para entrega controlada de medicamentos sob demanda na célula cancerosa.

Trechos de seção

Materiais

O nanopó de grafite foi adquirido dos laboratórios de pesquisa Sisco (SRL, Índia). Etilenodiamina (EDA), cloridrato de N- (3-dimetilaminopropil- N’ -etilcarbodiimida) (EDC-HCl), N -hidroxiuccinimida (NHS) e membrana de diálise (MWCO 2000) foram adquiridos à Sigma-Aldrich Company. Da HiMedia (Índia), foi adquirido ácido 2- ( N -morfolino) etano sulfônico (tampão MES). A doxorrubicina (DOX) e ASP foram obtidas da Sigma Aldrich. Ao longo do nosso estudo, utilizamos todos os reagentes do reagente analítico

Resultados e discussão

As propriedades estruturais e físico-químicas do grafite e do NGO determinam a cor de sua dispersão na água. Após 0,5 h de sonicação, partículas pretas eram visíveis na dispersão de grafite. Aqui, a maioria das partículas de grafite precipitou após 0,5 h. Por outro lado, a cor amarelo-escuro é formada para ONGs oxidadas individualmente. Após 2 h, uma boa quantidade de partículas GO foi precipitada em situação ociosa. Mas para ONG duplamente oxidada, obtivemos cor amarela transparente e homogênea

Atividade anticâncer

A atividade anticancerígena in  vitro do nanocompósito preparado foi avaliada através da realização do ensaio MTT (Fig. 9a). Neste estudo, avaliamos a atividade anticancerígena da nanomedicina com ou sem aplicação de estimulação elétrica e comparamos com DOX livre. Muito interessante, GO – NH – ASP-DOX com campo elétrico de 2,7 V mostrou atividade anticancerígena superior, enquanto DOX livre mostrou seu padrão de toxicidade convencional [38], e o nanocompósito GO – NH – ASP-DOX também mostrou toxicidade mínima

Conclusão

Em conclusão, mostramos aqui que a ONG pode ser usada como um agente duplo de distribuição de medicamentos, e a liberação de medicamentos pode ser controlada por uma voltagem externa. Para explorar o efeito sinérgico do ASP e do DOX, modificamos o NGO e anexamos dois medicamentos a ele. Nosso dispositivo controlado remotamente feito em laboratório liberou com eficiência o medicamento anticancerígeno. O processo de liberação pode ser facilmente ligado e desligado com um telefone celular, alterando a tensão de polarização. Aqui, a liberação de DOX de ONGs sob a influência de fontes externas

Declaração do autor CRediT

Dibakar Sahoo: Conceitualização, Metodologia, Curadoria de dados, Visualização, Investigação, Supervisão, Redação – Preparação, revisão e edição do rascunho original.

Tapas Mitra: Conceitualização, Metodologia, Curadoria de dados, Visualização, Investigação, Supervisão, Redação – revisão e edição.

Kaushik Chakraborty: Projeto e implementação do dispositivo eletrônico (Hardware & Software).

Priyatosh Sarkar: Metodologia, Curadoria de dados – estudo de células, Escrita – estudo de células.

Declaração de interesse concorrente

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes ou relações pessoais conhecidas que possam ter influenciado o trabalho relatado neste artigo.

Agradecimentos

DS é grato à University Grants Commission (UGC), de Nova Delhi, Índia, por sua cátedra assistente de UGC e por fornecer uma bolsa inicial de UGC. A DS também agradece à DST Odisha por fornecer subsídio para o projeto DST Odisha. A TM reconhece a DST, Nova Delhi, pela assistência financeira fornecida na forma de uma bolsa nacional de pós-doutorado SERB (SERB-NPDF). Os autores agradecem ao Prof. Anjan Kumar Dasgupta por dar permissão para medir alguns experimentos em seu laboratório.

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