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Article de méthode

Synthèse de nanoparticules d’or modifiées Aptamer-PEI-g-PEG chargées de doxorubicine pour l’administration ciblée de médicaments

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DOI :

10.3791/61139

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23 juin 2020

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1College of Life Sciences, Xinyang Normal University, 2Department of Imaging & Pathology, University of Leuven and Oral & Maxillofacial Surgery, University Hospitals Leuven, 3Analysis & Testing Center, Xinyang Normal University

Dans cet article

Résumé

Dans ce protocole, les nanoparticules d’or modifiées AS1411-g-PEI-g-PEG chargées de doxorubicine sont synthétisées via des réactions d’amide en trois étapes. Ensuite, la doxorubicine est chargée et administrée pour cibler les cellules cancéreuses pour le traitement du cancer.

Résumé

En raison de la résistance aux médicaments et de la toxicité dans les cellules saines, l’utilisation de la doxorubicine (DOX) a été limitée dans le traitement clinique du cancer. Ce protocole décrit la conception de poly(éthylénimine) greffée avec des nanoparticules d’or fonctionnalisées de polyéthylène glycol (PEI-g-PEG) avec des aptamères chargés (AS1411) et du DOX par des réactions d’amide. AS1411 est spécifiquement lié avec des récepteurs nucléoline ciblés sur les cellules cancéreuses afin que DOX cible les cellules cancéreuses au lieu des cellules saines. Tout d’abord, le PEG est carboxylé, puis greffé à l’Î.-P.-É. ramifié pour obtenir un copolymère PEI-g-PEG, ce qui est confirmé par une analyse RMN de 1H. Ensuite, les nanoparticules d’or revêtues de copolymère PEI-g-PEG (PEI-g-PEG@AuNPs) sont synthétisées, et DOX et AS1411 sont liés de manière covalente aux AuNPs progressivement via des réactions d’amide. Le diamètre de l’AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs préparé est d’environ 39,9 nm, avec un potentiel zêta de -29,3 mV, ce qui indique que les nanoparticules sont stables dans l’eau et le milieu cellulaire. Les tests de cytotoxicité cellulaire montrent que les AuNPs chargés de DOX nouvellement conçus sont capables de tuer les cellules cancéreuses (A549). Cette synthèse démontre la disposition délicate des copolymères PEI-g-PEG, des aptamères et des DOX sur les AuNPs qui sont obtenus par des réactions séquentielles d’amide. Ces Aptamères-PEI-g-PEG fonctionnalisés AuNPs fournissent une plate-forme prometteuse pour l’administration ciblée de médicaments dans le traitement du cancer.

Introduction

Étant le principal problème de santé publique dans le monde, le cancer est largement caractérisé comme ayant un faible taux de guérison, un taux de récidive élevé et un taux de mortalité élevé1,2. Les méthodes anticancéreuse conventionnelles actuelles comprennent la chirurgie, la chimiothérapie et la radiothérapie3,parmi lesquelles la chimiothérapie est le traitement principal pour les patients atteints de cancer dans la clinique4. Les médicaments anticancéreux utilisés cliniquement comprennent principalement le paclitaxel (PTX)5 et la doxorubicine (DOX)6,7. DOX, un médicament antinéoplasique, a été largement appliqué en chimiothérapie clinique, en raison des avantages de la cytotoxicité du cancer et de l’inhibition de la prolifération des cellules cancéreuses8,9. Cependant, DOX provoque une cardiotoxicité10,11,et la courte demi-vie de DOX restreint son application dans la clinique12. Par conséquent, des porteurs de médicaments dégradables sont nécessaires pour charger dox et libérer subequently d’une manière contrôlée à une zone ciblée.

Les nanoparticules ont été largement utilisées dans les systèmes d’administration de médicaments ciblés et présentent plusieurs avantages dans le traitement du cancer (c.-à-d. rapport surface/volume important, petite taille, capacité d’encapsuler divers médicaments et chimie de surface accordable, etc.) 13,14,15. En particulier, les nanoparticules d’or (AuNPs) ont été largement utilisées dans des applications biologiques et biomédicales, telles que le traitement photothermique du cancer16,17. Les propriétés uniques des AuNPs, telles que la synthèse facile et la fonctionnalisation générale de surface, ont d’excellentes perspectives dans le domaine clinique du traitement du cancer18. En outre, les AuNPs ont été utilisés pour identifier les stratégies d’administration de médicaments, diagnostiquer les tumeurs et surmonter la résistance dans de nombreuses études19,20.

Néanmoins, les AuNPs doivent être davantage adaptés pour surmonter la résistance aux médicaments via une libération locale élevée aux lésions tumorales par perméation et rétention améliorées (EPR), telles que les propriétés de ciblage et d’accessibilité. Les polymères fonctionnalisés AuNPs ont présenté des avantages uniques, tels que l’amélioration de la solubilité dans l’eau des médicaments anticancéreux hydrophobes et le temps de circulation prolongé21,22. Divers polymères biocompatibles ont été utilisés pour les revêtements AuNP, tels que le polyéthylène glycol (PEG), la polyéthylèneimine (PEI), l’acide hyaluronique, l’héparine et la gomme xanthane. Ensuite, la stabilité, ainsi que la charge utile, des AuNPs est améliorée bien23. Plus précisément, PEI est un polymère hautement ramifié qui est composé de nombreuses unités répétitrices d’amines primaires, secondaires et tertiaires24. L’Île-du-Prince-Édouard a une excellente solubilité, une faible viscosité et un haut degré de fonctionnalité, ce qui convient au revêtement sur les AuNPs.

D’autre part, les médicaments anticancéreux doivent être livrés directement aux cellules cancéreuses avec une efficacité de chargement améliorée et une toxicité plus faible pour le traitement des tumeurs métastatiques primaires et avancées25. Les ligands ciblés ont un grand potentiel pour les systèmes d’administration ciblés de médicaments anticancéreux26. Sa sélectivité pour la liaison à la molécule cible confère une spécificité de ciblage des médicaments anticancéreux et augmente l’enrichissement des médicaments dans les tissusmalades 27. Plus de ligands comprennent des anticorps, des polypeptides et de petites molécules. Par rapport à d’autres ligands, les aptamères d’acides nucléiques peuvent être synthétisés in vitro et sont faciles à modifier. AS1411 est un oligonucléotide phosphodiétre de 26 pb non modifié qui forme une structure G-tétramère dimérique stable pour se lier spécifiquement à un récepteur protéique nucléaire cible surexprimé sur les cellules cancéreuses28,29,30. L’AS1411 inhibe la prolifération de nombreuses cellules cancéreuses mais n’affecte pas la croissance des cellules saines31,32. En conséquence, AS1411 a été utilisé pour fabriquer un système d’administration de médicaments ciblé idéal.

Dans cette étude, un copolymère PEI-g-PEG est synthétisé via une réaction d’amide, puis des nanoparticules d’or recouvertes de copolymere PEI-g-PEG (PEI-g-PEG@AuNPs) sont fabriquées. En outre, DOX et AS1411 sont liés séquentiellement à la pei-g-PEG@AuNPs préparée, comme indiqué dans Figure 1. Ce protocole détaillé vise à aider les chercheurs à éviter bon nombre des pièges courants associés à la fabrication de nouveaux pei-g-PEG@AuNPs chargés de DOX et d’AS1411.

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Protocole

ATTENTION : Assurez-vous de consulter toutes les fiches signalétiques (FS) pertinentes avant d’utiliser tous les produits chimiques. Plusieurs des produits chimiques utilisés pour la préparation des copolymères et des nanoparticules sont extrêmement toxiques. Les nanoparticules présentent également des dangers potentiels. Assurez-vous d’utiliser toutes les pratiques de sécurité appropriées et l’équipement de protection individuelle, y compris les gants, le sarrau de laboratoire, les capuches, les pantalons pleine longueur et les chaussures à bout fermé.

1. Synthèse du polyéthylène glycol double-carboxyle (CT-PEG)33

  1. Ajouter 1,46 g (14,6 mmol) d’anhydride succinique (SA) et 209 mg (1,71 mmol) de 4-diméthylaminopyridine (DMAP) dans une fiole de fond ronde de 100 mL.
  2. Ajouter 15 mL de tétrahydrofurane anhydre (THF) dans la fiole utilisée à l’étape 1.1 et installer un bouchon en verre. Maintenir le ballon à 0 °C pendant 30 min.
  3. Ajouter 4,28 g (4,28 mmol) de polyéthylène glycol (PEG) et 1,8 mL (12,8 mmol) de triéthylamine (TEA) dans une nouvelle fiole.
  4. Ajouter 15 mL de THF anhydre dans la fiole utilisée à l’étape 1.3 et installer un bouchon en verre. Transer lentement la solution dans le ballon utilisé à l’étape 1.2, à l’aide d’une seringue sous atmosphère d’azote.
  5. Agiter la solution à 0 °C pendant 2 h, puis poursuivre la réaction à température ambiante (TA) pendant une nuit.
  6. À l’aide d’un évaporateur rotatif (40 °C, 0,1 MPa), concentrer la solution de réaction et éliminer le solvant THF.
  7. A TA, dissoudre la solution réactionive de l’étape 1.6 dans 15 mL de 1,325 g/mL de dichlorométhane (DCM), puis ajouter 15 mL d’éther diéthylique froid(Et2O)pour obtenir le produit de précipitation (diacide de polyéthylène glycol). Retirez le solvant à l’intermédiaire du papier filtre.
    Remarque : L’étape de précipitation peut être répétée 3x.
  8. Sécher les précipités sous vide à TA pendant 48 h.

2. Synthèse du copolymère PEI-g-PEG

  1. Ajouter 305,47 mg de CT-PEG de l’étape 1.8 et 5 mL de diméthylsulfoxyde (DMSO) dans une fiole et agiter à TA pour que le CT-PEG soit complètement dissous dans le DMSO.
  2. Dissoudre 49,46 mg de chlorhydrate de 1-(3-diméthylaminopropyl)-3-éthylcarbodiimide (EDC) dans 5 mL de DMSO, puis ajouter la solution dans le ballon utilisé à l’étape 2.1 et agiter pendant 30 min à TA.
  3. Dissoudre 29,69 mg de N-hydroxysuccinimide (NHS) dans 5 mL de DMSO et ajouter la solution dans la fiole utilisée à l’étape 2.1. Continuer à remuer à RT pendant 3 h.
  4. Dissoudre 28,6 μL de polyéthylèneimine (PEI) dans 10 mL de DMSO et ajouter la solution goutte à goutte dans la fiole utilisée à l’étape 2.1. Remuer pendant 3 jours au moins.
  5. Transférer la solution réagie de l’étape 2.4 dans un sac de dialyse (coupure de poids moléculaire de 1 000 [MWCO]). Placer le sac de dialyse dans un bécher de 1 L avec 500 mL d’eau ultrapure comme dialysat. Changer l’eau ultrapure toutes les 12 h pendant 3 jours.
  6. Transattribuer la solution à l’étape 2.5 dans un autre sac de dialyse (10 000 MWCO). Placer le sac de dialyse dans un bécher de 1 L avec 500 mL d’eau ultrapure comme dialysat. Changer l’eau ultrapure toutes les 12 h pendant 3 jours.
  7. Concentrer la solution de l’étape 2.6 à l’aide d’un évaporateur rotatif (40 °C, 0,1 MPa) et sécher l’échantillon pour obtenir la poudre PEI-g-PEG.

3. Synthèse de PEI-g-PEG@AuNPs

  1. Dissoudre 5 mg de PEI-g-PEG préparé (étape 2.7) dans 5 mL d’eau ultrapure dans une nouvelle fiole et l’adapter à un bouchon en verre.
  2. Ajouter 100 mL de solution HAuCl4 de 0,3 mM dans la fiole et agiter la solution pendant 3 h à TA.
    Remarque : la couleur de la solution doit changer immédiatement de jaune à orange.
  3. Ajouter 1 mL de solution de NaBH 4 à1 mg/mL dans le ballon et agiter la solution pendant 3 h à TA.
    REMARQUE: La solution de réaction devrait instantanément devenir bordeaux.
  4. Dialyser le produit réactionnel à l’aide d’un sac de dialyse (1 000 MWCO) pendant 3 jours comme décrit à l’étape 2.5 pour obtenir la solution PEI-g-PEG@AuNPs.

4. Synthèse de DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs

  1. Ajouter 1 mL de solution DOX à 2,2 mg/mL et 20 mL de solution PEI-g-PEG@AuNPs dans une nouvelle fiole et l’adapter à un bouchon en verre.
  2. Dissoudre 0,727 mg d’EDC dans 1 mL d’eau ultrapure et ajouter la solution EDC à la fiole utilisée à l’étape 4.1.
  3. Dissoudre 0,437 mg de NHS dans 1 mL d’eau ultrapure. Ajouter la solution nhs dans le ballon et agiter à TA pendant 1 h.
  4. Dialyser le produit réactionnel à l’aide d’un sac de dialyse (1 000 MWCO) pendant 3 jours comme décrit à l’étape 2.5 pour obtenir la solution DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs.

5. Synthèse de AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs

  1. Ajouter 20 mL de solution DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs et 4OD d’AS1411 (DO = densité optique; 1OD ≈ 33 μg) à une nouvelle fiole.
  2. Dissoudre 28,76 mg d’EDC dans 1 mL d’eau ultrapure et ajouter la solution EDC à la fiole utilisée à l’étape 5.1.
  3. Dissoudre 17,27 mg de NHS dans 1 mL d’eau ultrapure. Ajouter la solution nhs à la fiole utilisée à l’étape 5.1 et agiter la réaction pendant 1 h à TA.
  4. Dialysez le produit de réaction à l’aide d’un sac de dialyse (1 000 MWCO) pendant 3 jours comme décrit à l’étape 2.5 pour obtenir as1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs.

6. Caractérisation de l’échantillon

  1. Dissoudre le polymère CT-PEG (étape 1.8) et le copolymère PEI-g-PEG (étape 2.7) dans le chloroforme-d dans des tubes de résonance magnétique nucléaire (RMN), respectivement. Analyser les échantillons à l’aide d’un spectromètre RMN 600 MHz équipé d’un aimant supraconducteur de 14,09 T et d’une sonde haute résolution à gradient Z à large bande de 5,0 mm 600 MHz pour confirmer la structure chimique34.
  2. Disperser les AUNPs, dox et AS1411, et préparer pei-g-PEG@AuNPs (étape 3.4), DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs (étape 4.4) et AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs (étape 5.4), respectivement dans de l’eau ultrapure. Ensuite, transférez vers des cuvettes et enregistrez les spectres ultraviolets visibles (UV-vis) à l’aide d’un spectrophotomètre UV-vis.
  3. Fixez un adhésif double face (~ 2 mm x 2 mm) à la feuille d’aluminium et trempez la solution d’échantillon (PEI-g-PEG@AuNPs, DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs et AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs) sur l’ensemble du ruban uniformément. Analyser les échantillons à l’aide d’un analyseur de spectroscopie photoélectronique à rayons X.
  4. Disperser les solutions PEI-g-PEG@AuNPs, DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs et AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs, respectivement, dans de l’eau ultrapure. Ensuite, transférer aux cuvettes et évaluer la distribution de la taille à l’aide de la diffusion dynamique de la lumière.
  5. Disperser les solutions PEI-g-PEG@AuNPs, DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs et AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs dans de l’eau ultrapure (une goutte d’échantillon par 5 mL d’eau ultrapure pour chaque échantillon). Sonicate pendant 2 h. Trempez la grille de cuivre dans des solutions d’échantillons et séchez sous une lampe infrarouge. Caractériser la morphologie à l’aide d’un microscope électronique à transmission.
  6. Injecter 1 mg d’AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs dans une cassette de dialyse MWCO de 20 kDa, puis placer dans 80 mL de solution saline tamponnée au phosphate (PBS) avec 5 % d’albumine sérique bovine (BSA). Remuer à 37 °C.
  7. Aux points de temps prédéterminés, recueillir des aliquotes de 100 μL et les remplacer par du PBS frais. Utilisez un spectrophotomètre UV-vis pour mesurer l’intensité de fluorescence DOX des aliquotes.

7. Dosage CCK-8 des nanoparticules AS1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs

  1. Cultiver des cellules A549 dans le milieu Eagle modifié de Dulbecco (DMEM) complété par 10 % de sérum fœtal bovin, 100 U/mL de pénicilline et 100 μg/mL de streptomycine sous une atmosphère humidifiée de 95 % d’air et de 5 % deCO2 à 37 °C. Remplacez le milieu de culture tous les 2 jours. Utiliser des cellules au passage 5 pour les essais de prolifération cellulaire et de cytotoxicité afin d’évaluer quantitativement la cytotoxicité des nanoparticules as1411-g-DOX-g-PEI-g-PEG@AuNPs préparées.
  2. Ajouter 100 μL de solution de nanoparticules dans chaque puits contenant 1 mL de milieu cellulaire. Après la culture pendant 24 h et 48 h, retirez immédiatement le milieu de culture des plaques de culture cellulaire, puis ajoutez immédiatement 300 μL de milieux de culture frais et 30 μL de solutions de kit de comptage cellulaire kit-8 (CCK-8) à chaque puits. Incuber pendant 4 h dans un incubateur deCO2 à 37 °C.
  3. Transférer 200 μL de solutions de réaction de l’étape 7.2 dans une plaque de 96 puits. Lire la densité optique (DO) de chaque puits à 570 nm avec un lecteur de microplaque.
  4. Observer la morphologie des cellules à 24 h et 48 h au microscope.

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Résultats

1 La spectroscopie RMN H a été utilisée pour confirmer la synthèse réussie du polymère CT-PEG et des copolymères PEI-g-PEG (Figure 2). La figure 2a montre que le signal du proton de méthylène à δ = 3,61 ppm et le signal du proton carboxyle à δ = 2,57 ppm confirment la synthèse réussie des polymères CT-PEG. La figure 2b montre que le signal de proton de méthylène du PEG à δ = 2,6 ppm et le signal...

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Discussion

Le spectre RMN 1H (Figure 2) confirme la synthèse réussie du copolymère CT-PEG et du copolymère PEI-g-PEG. Les poids moléculaires du PEG et de l’Île-du-Prince-Édouard étaient de 1 000 et 1 200, respectivement. De plus, le système catalytique EDC/NHS a été utilisé pour synthétiser le copolymère PEI-g-PEG via des réactions d’amide. Il convient de noter que si les poids moléculaires du PEG et de l’Î.-P.-É. changent pour synthétiser le copolymère PEI-g-PEG, le temps de réaction et le ...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Cette recherche a été financée par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (31700840); le projet de recherche scientifique clé de la province du Henan (18B430013, 18A150049). Cette recherche a été soutenue par le Nanhu Scholars Program for Young Scholars de XYNU. Les auteurs tiennent à remercier Zebo Qu, étudiant en licence au College of Life Sciences de XYNU, pour ses travaux utiles. Les auteurs tiennent à remercier le Centre d’analyse et de test de XYNU pour l’utilisation de leur équipement.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
4-DiméthylaminopyridineMacklinD807273
A549 celluleATCC CCL-185TM
AS1411BBI Life Sciences Corporation5'-d (TTTGGTGGTGGTGGGTGTGTGTGTGG) FL-AS1411 (marqué au fluorophore AS1411)
Tétrahydrofurane anhydre (THF)SinoPharm Chemical Reagent Co., Ltd
Kit de comptage cellulaire-8 ( CCK-8)Sigma Aldrich96992-500TESTS-F
DichlorométhaneMédecine traditionnelle chinoise80047318
Éther diéthylique (Et2O)SinoPharm Chemical Reagent Co., Ltd
Dimethyl sulfoxideMacklinD806645
Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM)Sigma Aldrich
Chlorhydrate de doxorubicineRhawnR017518
Ether absoluMédecine traditionnelle chinoise80059618
Microscope électronique à transmission par émission de champFEI CompanyTecnai G2 F 20
Chlorure d’or(III) trihydratéRhawnR016035
Laser Particle-size InstrumentMalvern Instruments LtdZetasizerNanoZS/ Masterszer3000E
Lecteur de microplaquesDispositifs moléculairesSpectraMax 190
Chlorhydrate de N-(3-Diméthylaminopropyl)-N'-éthylcarbodiimideMacklinN808856
N-HydroxysuccinimideMacklinH6231
Logiciel RMNDelta 5.2.1
Spectromètre à résonance magnétique nucléaireJEOLJNM-ECZ600R/S3
Origin 8.5OriginLab
PénicillineSigma AldrichV900929-100ML
Solution saline tamponnée au phosphateSigma AldrichP4417-100TAB
Poly(éthylène glycol)Sigma Aldrich81188BioUltra, moyenne Mn ~ 1000
Solution de poly (éthylèneimine)Sigma Aldrich482595moyenne Mn ~ 1200, 50 % en poids dans H2O
Borohydrure de sodium, poudreAcrosC18930
StreptomycineSigma Aldrich85886-10ML
Anhydride succiniqueMédecine traditionnelle chinoise30171826
TétrahydrofuraneMédecine traditionnelle chinoise40058161
TriéthylamineMédecine traditionnelle chinoise80134318
Spectromètre UV/VIS/NIRLambda950Lambda950
Thermo&ensp ; Fisher&ensp ; K-ALPHA 0,5 EV
Spectromètre photoélectronique à rayons X scientifique

Références

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