RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Rui Xue Zhang1, Tian Zhang1, King Chen1, Ji Cheng1, Paris Lai1, Andrew M. Rauth2, K. Sandy Pang1, Xiao Yu Wu1
1Department of Pharmaceutical Sciences,University of Toronto, 2Departments of Medical Biophysics and Radiation Oncology, University of Toronto, Ontario Cancer Institute,University Health Network
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Ten protokół opisuje efektywny i wygodny proces analityczny pobierania próbek i jednoczesnego oznaczania wielu leków, doksorubicyny (DOX), mitomycyny C (MMC) i kardiotoksycznego metabolitu DOX, doksorubicyny (DOXol), w próbkach biologicznych z przedklinicznego modelu guza piersi traktowanego preparatami nanocząsteczkowymi synergicznego połączenia leków.
Chemioterapia skojarzona jest często stosowana w klinice w leczeniu raka; jednak związane z nią działania niepożądane na normalną tkankę mogą ograniczyć jej korzyści terapeutyczne. Wykazano, że kombinacja leków oparta na nanocząsteczkach łagodzi problemy napotykane podczas terapii skojarzonej z bezpłatnymi lekami. Nasze wcześniejsze badania wykazały, że połączenie dwóch leków przeciwnowotworowych, doksorubicyny (DOX) i mitomycyny C (MMC), wywołało efekt synergiczny zarówno przeciwko mysim, jak i ludzkim komórkom raka piersi in vitro. Hybrydowe nanocząstki polimerowo-lipidowe (DMPLN) z jednoczesnym obciążeniem DOX i MMC ominęły różne pompy transportera wypływu, które nadają oporność wielolekową, i wykazały zwiększoną skuteczność w modelach guzów piersi. W porównaniu z konwencjonalnymi formami roztworów, tak wyższą skuteczność DMPLN przypisano zsynchronizowanej farmakokinetyce DOX i MMC oraz zwiększonej wewnątrzkomórkowej biodostępności leku w komórkach nowotworowych, co umożliwił nanonośnik PLN.
Aby ocenić farmakokinetykę i biodystrybucję jednocześnie podawanych DOX i MMC zarówno w postaci wolnego roztworu, jak i nanocząstek, opracowano prostą i efektywną metodę analizy wielolekowej wykorzystującą wysokosprawną chromatografię cieczową (HPLC) z odwróconymi fazami. W przeciwieństwie do wcześniej opisanych metod, które analizowały DOX lub MMC indywidualnie w osoczu, ta nowa metoda HPLC jest w stanie jednocześnie określić ilościowo DOX, MMC i główny kardiotoksyczny metabolit DOX, doksorubicynol (DOXol), w różnych matrycach biologicznych (np. Krew pełna, guz piersi i serce). Podwójna sonda fluorescencyjna i absorbująca promieniowanie ultrafioletowe, 4-metylolumbelliferon (4-MU), została użyta jako wzorzec wewnętrzny (IS) do jednoetapowego wykrywania wielu analiz leków o różnych długościach fal detekcji. Metoda ta została z powodzeniem zastosowana do określenia stężeń DOX i MMC dostarczanych zarówno przez nanocząstki, jak i roztwory w pełnej krwi i różnych tkankach w ortotopowym mysim modelu guza piersi. Przedstawiona metoda analityczna jest użytecznym narzędziem do analizy przedklinicznej dostarczania kombinacji leków na podstawie nanocząstek.
Chemioterapia jest podstawową metodą leczenia wielu nowotworów, jednak często wiąże się z poważnymi działaniami niepożądanymi i ograniczoną skutecznością z powodu oporności na leki i innych czynników1,2,3. Aby poprawić wyniki chemioterapii, w klinice zastosowano schematy kombinacji leków w oparciu o takie czynniki, jak nienakładające się na siebie toksyczności, różne mechanizmy działania leków i niekrzyżowa oporność na leki4,5,6. W badaniach klinicznych często obserwowano lepszy wskaźnik odpowiedzi guza przy jednoczesnym podawaniu kombinacji leków w porównaniu ze schematem sekwencyjnego dostarczania leków7,8. Jednak ze względu na nieoptymalną biodystrybucję wolnych form leków, jednoczesne wstrzykiwanie wielu leków może powodować wyraźną normalną toksyczność tkankową, która przeważa nad efektem terapeutycznym9,10,11. Wykazano, że dostarczanie leków oparte na nanonośnikach zmienia farmakokinetykę i biodystrybucję leków w kapsułkach, zwiększając akumulację ukierunkowaną na nowotwór12,13,14. Jak omówiliśmy w naszych ostatnich artykułach, nanocząstki współładowane synergistycznymi kombinacjami leków wykazały zdolność do łagodzenia problemów napotykanych przez wolne kombinacje leków, ze względu na kontrolowane czasowe i przestrzenne jednoczesne dostarczanie wielu leków do tkanki nowotworowej, umożliwiając synergiczne działanie leków przeciwko komórkom nowotworowym4,15,16. W rezultacie, zarówno w badaniach przedklinicznych, jak i klinicznych, wykazano wyższą skuteczność terapeutyczną i niską toksyczność4,17,18.
Nasze poprzednie badania in vitro wykazały, że połączenie dwóch leków przeciwnowotworowych, doksorubicyny (DOX) i mitomycyny C (MMC), wywołało efekt synergiczny przeciwko kilku liniom komórek raka piersi, a ponadto, współładowanie DOX i MMC w hybrydowych nanocząstkach polimerowo-lipidowych (DMPLN) pokonało różne wielolekooporne pompy wypływu (np. glikoproteina P i białko odporne na raka piersi)19,20,21. In vivo DMPLN umożliwił przestrzenno-czasowe jednoczesne dostarczanie DOX i MMC do miejsc nowotworowych oraz zwiększył biodostępność leków w komórkach nowotworowych, na co wskazuje moderacja powstawania metabolitu DOX doksorubicynolu (DOXol)22. W rezultacie, DMPLN zwiększył apoptozę komórek nowotworowych, zahamowanie wzrostu guza i wydłużenie przeżycia gospodarza w porównaniu z kombinacją wolnych DOX i MMC lub liposomalnym preparatem DOX22,23,24,25.
Analiza rzeczywistej ilości leków dostarczanych jednocześnie przez nanonośnik jest kluczowa dla projektowania skutecznych preparatów nanocząstek. Opracowano wiele metod analizy poziomu w osoczu pojedynczych dawek DOX lub MMC przy użyciu wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC) samodzielnie lub w połączeniu ze spektrometrią mas (MS)26,27,28,29,30,31,32,33,34. Metody te są jednak często czasochłonne i niepraktyczne w przypadku terapii skojarzonej, ponieważ duża liczba próbek biologicznych musi być przygotowywana oddzielnie do analizy wielu leków (czasami zawierających metabolity leków). Oprócz silnego wiązania DOX i MMC z białkami osocza, czerwone krwinki mają również dużą zdolność do wiązania i koncentracji wielu leków przeciwnowotworowych35,36. W związku z tym analiza osocza pod kątem DOX lub MMC może zaciemnić rzeczywiste stężenia leków we krwi. Niniejsza praca (
Wszystkie eksperymenty na zwierzętach zostały zatwierdzone przez Komitet ds. Opieki nad Zwierzętami Uniwersyteckiej Sieci Zdrowia w Ontario Cancer Institute i przeprowadzone zgodnie z wytycznymi Kanadyjskiej Rady ds. Opieki nad Zwierzętami.
1. Przygotowanie próbki biologicznej
2. Oprzyrządowanie HPLC i parametry operacyjne
3. Walidacja HPLC


Dwa leki przeciwnowotworowe, DOX i MMC, a także metabolit DOX, DOXol, zostały wykryte jednocześnie bez żadnej ingerencji biologicznej w tych samych warunkach gradientowych HPLC przy użyciu 4-MU jako I.S. zarówno dla detektorów fluorescencji, jak i UV. DOX, MMC, DOXol i 4-MU były od siebie dobrze oddzielone, a czasy retencji wynosiły 5,7 minuty dla MMC, 10,4 minuty dla DOXol, 10,9 minuty dla 4-MU i 11,1 minuty dla DOX (Rysunek 2). Każdy lek w pełnej krwi i różnych tkankach wykazywał liniowość stężeń ze współczynnikami korelacji (R2) w zakresie od 0,98 do 1,00 (Rysunek 3 i Tabela 1). Dolna granica oznaczalności (LLOQ) DOX, DOXol i MMC wynosiła odpowiednio 10 ng/ml, 10 ng/ml i 100 ng/ml we krwi pełnej oraz 25 ng/mL, 25 ng/ml i 200 ng/ml w różnych tkankach (tabela 1). Opracowana metoda HPLC wykazała mniej niż 15% różnicę pod względem precyzji i dokładności w ciągu dnia i między dobami dla DOX, MMC i DOXol w pełnej krwi i różnych matrycach biologicznych (np. sercu, płucach, wątrobie, śledzionie i nerkach), co wskazuje na doskonałą odtwarzalność (tabele 2 i 3). Ponad 85% DOX i MMC zostało odzyskanych z krwi pełnej po ekstrakcji (Tabela 4).
Procedury analizy wielolekowej wykorzystujące jednoetapową deproteinizację za pomocą zakwaszonego rozpuszczalnika ekstrakcyjnego, a następnie zastosowanie wielokanałowej metody HPLC, zostały pomyślnie zastosowane do określenia farmakokinetyki i biodystrybucji długo krążących lub opartych na pegylowanych nanocząsteczkach dostarczania leków zarówno DOX samodzielnie, jak i w połączeniu z MMC w ortotopowym mysim modelu guza piersi (Rysunki 4 i 5). Rysunek 4 pokazuje co najmniej 6-krotnie wyższe stężenia leków we krwi dostarczanych przez nanocząsteczki (tj. liposomalne DOX i DMPLN) niż równoważne wolne roztwory leków (tj. wolne DOX lub wolne DOX-MMC) (Rysunek 4). Ze względu na przedłużone krążenie ogólnoustrojowe, nanocząstki były w stanie wykorzystać zwiększoną przepuszczalność i retencję guza, co spowodowało zwiększoną akumulację DOX i MMC w guzie piersi (Ryc. 5A)37. Tymczasem ilościowo określone tworzenie metabolitu DOX DOXol w guzach piersi w ciągu 24 godzin wskazuje na różnicę w biodostępności leków dla różnych preparatów leków (Ryc. 5B).

Rysunek 1: Ilustracja procesów analizy do jednoczesnego oznaczania DOX i MMC dostarczanych przez nanocząstki in vivo. (A) Przygotowanie DMPLN przy użyciu jednoetapowej metody ultrasonizacji, po której następuje proces samoorganizacji; (B) Pobieranie próbek biologicznych z ortotopowego mysiego modelu guza piersi; (C) Ekstrakcja narkotyków z matryc biologicznych i rekonstytucja leków; (D) Gradientowa HPLC do rozdzielania DOX, MMC i DOXol. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Porównanie chromatogramów czystej krwi pełnej i mieszanin leków we krwi. Porównanie chromatogramów ślepej próby pełnej i mieszanin leków we krwi przy użyciu HPLC sprzężonego z detektorami UV i fluorescencji przy (A) UV 360 nm dla MMC; b) UV 310 nm dla I.S. 4-MU; C) fluorescencja przy λex/em = 480/560 nm dla DOX i DOXol; (D) Fluorescencja przy λex/em = 365/445 nm dla I.S. 4-MU. AU to jednostka absorbancji, a EU to jednostka fluorescencji. Stężenia wstrzykiwanych MMC, DOX i DOXol oraz ich I.S. 4-MU wynosiły odpowiednio 100 ng/mL, 50 ng/mL, 50 ng/ml i 200 ng/ml. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Reprezentacja standardowych krzywych dla MMC, DOX i DOXol w krwi pełnej. Zakresy stężeń wynosiły od 100 ng/ml do 2000 ng/ml dla MMC (A), od 5 ng/ml do 2000 ng/ml dla niskiego stężenia DOX (B) i od 5 ng/ml do 50 ng/ml dla DOXolu (C). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Zastosowanie systemu analizy wielu leków, wykorzystującego metodę wielokanałowej i gradientowej HPLC, do badania farmakokinetyki długo krążących leków opartych na nanocząsteczkach. (A) Profile stężenia DOX w czasie i krwi w monoterapii z zastosowaniem wolnych roztworów leków (free DOX) lub preparatu liposomalnego (patrz tabela materiałów); (B) Profile czasowo-krwionośne DOX i MMC jako wolnej kombinacji leków (free DOX-MMC) lub DMPLN. Krew pełną pobierano w różnych punktach czasowych do 24 godzin po pojedynczym wstrzyknięciu dożylnym myszom z ortotopowym mysim guzem piersi. Wszystkie myszy leczono DOX w dawce 9,2 mg/kg samodzielnie lub w skojarzeniu z 2,9 mg/kg MMC. Ponieważ LLOD MMC wynosił 100 ng / ml przy użyciu detektora UV sprzężonego z HPLC, stężenie MMC po 6 godzinach po wstrzyknięciu określono za pomocą spektrometrii mas. Rysunek został zmodyfikowany na podstawie Zhang et al. Nanomedycyna za zgodą22. Wszystkie punkty danych są przedstawione jako średnia ± odchylenie standardowe (SD) przy n = 3. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Zastosowanie analizy wielu leków przy użyciu metody gradientowej HPLC do badania biodystrybucji guza w systemie dostarczania leków opartym na nanocząsteczkach. (A) Całkowite stężenia DOX i MMC wolnego DOX-MMC lub DMPLN w nowotworach piersi; (B) Całkowite tworzenie metabolitu DOXol w guzach piersi leczonych mono- lub skojarzoną chemioterapią DEX. Wszystkie myszy leczono DOX w dawce 9,2 mg/kg samodzielnie lub w skojarzeniu z 2,9 mg/kg MMC. Ponieważ wolny DOX-MMC miał niską akumulację guza, która była poza LLOD MMC przy użyciu detektora UV sprzężonego z HPLC, stężenie MMC w wolnym DOX-MMC określono za pomocą spektrometrii mas. Rysunek został zmodyfikowany na podstawie Zhang et al. Nanomedycyna za zgodą22. Wszystkie punkty danych są przedstawione jako średnia ± SD przy n = 3. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Tabela 1: Liniowość i LLOQ DOX, MMC i DOXol w różnych matrycach biologicznych. Dane reprezentują średnią ± SD dla n = 3.

Tabela 2: Precyzja i dokładność w ciągu i między dniami DOX, MMC i DOXol w pełnej krwi myszy (n = 3).

Tabela 3: Precyzja i dokładność w ciągu doby i między dobami DOX, MMC i DOXol w nowotworach piersi (n = 3).

Tabela 4: Procent odzysku DOX i MMC w próbkach krwi pełnej po ekstrakcji (n = 3). Dane reprezentują średnią ± SD dla n = 3.
Autorzy nie mają konkurencyjnych interesów finansowych i konfliktów interesów.
Ten protokół opisuje efektywny i wygodny proces analityczny pobierania próbek i jednoczesnego oznaczania wielu leków, doksorubicyny (DOX), mitomycyny C (MMC) i kardiotoksycznego metabolitu DOX, doksorubicyny (DOXol), w próbkach biologicznych z przedklinicznego modelu guza piersi traktowanego preparatami nanocząsteczkowymi synergicznego połączenia leków.
Autorzy dziękują za dotację na sprzęt od Kanadyjskiej Rady Badań Przyrodniczych i Inżynieryjnych (NSERC) dla HPLC, dotację operacyjną od Kanadyjskiego Instytutu Badań nad Zdrowiem (CIHR) i Kanadyjskiego Sojuszu Badań nad Rakiem Piersi (CBCR) dla X.Y. Wu oraz stypendium Uniwersytetu w Toronto dla R.X. Zhanga i T. Zhanga.
| Doksorubicyna | Polymed Theraeutics | 111023 | Lek przeciwnowotworowy |
| Mitomycyna C | Polymed Theraeutics | 060814 | Lek przeciwnowotworowy |
| Doksorubicynol (DOXol) | Toronto Research Chemicals | D558020 | Metabolit |
| soli sodowej DOX 4-metylumbliferonu | Sigma-Aldrich | M1508 | Wzorzec wewnętrzny |
| Kwas mirystynowy | Sigma-Aldrich | 544-63-8 | Materiały na hybrydowe nanocząstki polilipidowe |
| Polioksyetylen (100) Stearate | Spectrum | M1402 | Materiały na hybrydowe nanocząstki polilipidowe |
| Polioksyetylen (40) Stearynian | Sigma-Aldrich | P3440 | Materiały na hybrydowe nanocząstki polilipidowe |
| Pluronic F68 (PF68) | BASF Corp. | 9003-11-6 | Materiały do hybrydowych nanocząstek polilipidowych |
| Ultradźwięki (UP100H) | Hielscher, Technologia ultradźwiękowa | NA | Przygotowanie nanocząstek |
| Kąpiel wodna (ISOTEMP 3016HS) | Fisher Scientific | NA | Przygotowanie nanocząstek |
| Doksorubicyna liposomalna (Caelyx) | Janssen | Zakupiony w aptece Princess Margaret | Hospital Klinicznie zatwierdzona formuła nanocząstek |
| Metanol klasy HPLC | Caledon Chemicals | 6701-7-40 | HPLC kompozycja fazy ruchomej |
| Klasa H2O | Caledon Chemicals | 8801-7-40 | HPLC kompozycja fazy ruchomej |
| Acetonitryl klasy HPLC | Caledon Chemicals | 1401-7-40 | HPLC kompozycja fazy ruchomej |
| Kwas trifluorooctowy | Sigma-Aldrich | 302031 | HPLC skład fazy ruchomej |
| 0,45 μ m Bibuła filtracyjna z membraną nylonową | Whatman | WHA7404004 | HPLC Przygotowanie fazy mobilnej |
| 1cc Plastikowe strzykawki | Becton, Dickinson and Company | 2606-309659 | Wtrysk leczniczy |
| 5cc Plastikowe strzykawki | Becton, Dickinson and Company | 2608-309646 | Kolekcje tkanek |
| Igły 30G 1/2 | Becton, Dickinson and Company | 305106 | Leczenie iniekcyjne |
| Igły 25G 5/8 | Becton, Dickinson and Company | 305122 | Kolekcje tkanek |
| Sterylne 0,9% soli fizjologicznej | Uniwersytet w Toronto Marka House | 1011 | Perfuzja tkanek |
| 13 ml Rurka stożkowa z zaokrąglonym dnem | SARSTEDT | 62.515.006 | Prolyprolen, homogenizacja tkankowa |
| Alpha Minimum Essential Medium (MEM) | Gibco | 12571063 | Pożywka komórkowa |
| 1 x Bufor fosforanowy Sól fizjologiczna | Gibco | 10010023 | Homogenizacja tkanek |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100-100 ML | Homogenizacja tkanek |
| Kwas mrówkowy | Caledon Chemicals | 1/5/3840 | Dostosuj pH dla rozpuszczalnika ekstrakcyjnego |
| Plastikowe rurki spryskane heparyną sodową | Becton, Dickinson i spółka | 367878 | Analityczna waga do pobierania krwi |
| Sartorius | |||
| CPA225D pH-metry NA | Fisher Scientific | 13-637-671 | accumet BASIC |
| Vortex Mixter | Fisher Scientific | 02-215-365 | Wirowanie próbek z żądaną prędkością |
| 1,5 ml Rurka do mikrowirówek | Fisherbrand | 2043-05408129 | Homogenizator prolyprolenu |
| Model 1000 | Fisher Scientific | 08-451-672 | Wirówka do homogenizacji tkanek |
| 5702R | Eppendorf | 5702R | Przygotowanie do ekstrakcji |
| Podgrzewany system parownika | Glas-Col | NA | Rekonstytucja próbki |
| HPLC Fiolki z gwintem | śrubowym DIKMA | 5320 | Wtrysk próbki HPLC |
| Zakrętki HPLC z białym silikonem PTFE Septa | DIKMA | 5325 | HPLC wtrysk próbki HPLC |
| Wkładka polipropylenowa HPLC | Agilent Technologies | 5182-0549 | Maksymalna głośność 250 μ l, wstrzyknięcie próbki HPLC |
| Xbridge C18 Kolumna | Waters Corporation | 186003117 | Analiza leków |
| Pompa gradientowa | Waters Corporation | W600 | Analiza narkotyków |
| Auto-sampler | Waters Corporation | W2707 | Analiza narkotyków |
| Detektor matrycy fotodiodowej | Waters Corporation | W2998 | Analiza narkotyków |
| Detektor fluorescencji Multi &lambda | Waters Corporation | W2475 | Analiza leków |
| EMPOWER 2 | Waters Corporation | NA | Oprogramowanie do analizy danych |
| Naukowiec | Micromath | NA | Analiza farmakokinelogiczna |
| Samice myszy Balb/c | JacksonLaboratory | 001026 | In vivo |
| EMT6 / WT Komórki raka piersi | dostarczone przez dr Iana Tannocka; Ontario Cancer Institute | NA | In vivo |