Журнал наномедицинских и биотерапевтических открытий
Открытый доступ

Абстрактный

Полученные из имида углеродные точки демонстрируют многообещающие противоопухолевые свойства в многочисленных экспериментальных проектах in vitro

Адриан Тирон

Рак по-прежнему является основной причиной смерти во всем мире. Множественные и гетерогенные внутренние молекулярные дефекты объясняют агрессивность злокачественных новообразований. Искаженный и ненадлежащий контроль фундаментальных программ клеточной биологии, таких как выживание клеток, самоубийство клеток, дифференциация клеток и интеграция клеточной ткани в архитектуру, лежат в основе развития опухолей. Такие факторы активируют эпителиально-мезенхимальный переход (ЭМП), который позволяет опухолевым клеткам приобретать различные характеристики, позволяющие им вторгаться и повышать выживаемость при различных типах лечения. Технологии на основе наноматериалов предлагают новые многообещающие подходы к диагностике и терапии заболеваний. Мы исследуем потенциальные противоопухолевые свойства одного из новейших классов наноматериалов на основе углерода, углеродных точек. Два типа ранее физико-химически охарактеризованных углеродных точек были оценены с использованием моделей in vitro. Пролиферация клеток, апоптоз и виментин как маркер ЭМП были исследованы в моделях клеточных культур: 2D, 3D, монокультура или сокультура. Полученные из имида C-Dots влияют на выживаемость раковых клеток градуированным образом, с минимальным воздействием на нормальные клетки, что указывает на многообещающие противоопухолевые эффекты для лечения рака. Более того, присутствие полученных из имида C-Dots снижает экспрессию связанного с ЭМП маркера Виментина. Протестированные углеродные точки обладают селективными противоопухолевыми свойствами, которые могут быть определены типом предшественника.

Углеродные точки (C-точки) представляют собой новый класс наноструктурированных материалов, которые в основном состоят из углеродистого ядра и поверхности, расположенных в различных функциональных группах. В результате своей особой структуры C-точки обладают несколькими замечательными особенностями, такими как зависящая от возбуждения настраиваемая фотолюминесценция, простота приготовления, начиная с широкого спектра потенциальных прекурсоров, низкая токсичность, диспергируемость в различных растворителях. Благодаря своим уникальным особенностям они были тщательно рассмотрены для применения в различных областях, от оптоэлектроники и датчиков до биомедицинской области в последние 5 лет.

Very recent studies report the use of C-Dots as efficient agents for drug delivery and antitumoral activity. The present paper assesses the potential antitumoral properties of two C-Dots types synthesized from imide precursors. One C-Dot type is prepared through thermal decomposition of N-hydroxyphthalimide (NHF) precursor in a controlled partial pyrolytic process as described in a previous paper. The second type of C-Dots was prepared from N-hydroxysuccinimide (NHS) according to a previously described method and tested in parallel with the first type. Tested C-Dots have been previously physicchemically characterized and the batches of C-Dots prepared for this study were morpho-structurally validated by FTIR, TEM, and DLS techniques. The NHF precursor has been proved to have antitumoral activity while NHS, routinely used as reagent for peptide synthesis has no reports in this respect.

Metastasis, meaning cancer cells that escape from the primary tumor, disseminate and engraf in distant organs, are responsible for 90% of cancer-related deaths. The Epithelial-to-Mesenchymal Transition is a complex molecular program where non-motile, polarized epithelial cells degrade their cell-cell junctions and convert to mesenchymal-like types, which facilitate cell invasion and metastasis, resistance to chemotherapy, resistance to radiation-induced DNA damage and increased cell survival. Defects in programmed cell death pathways including apoptosis play important roles in tumor pathogenesis, allowing neoplastic cells to survive. Apoptosis is a regulatory system for balancing the homeostasis situation during the growth, development, and differentiation among multi-cellular organisms. Caspases are a family of cysteine proteases that play key roles in programmed cell death and are the essential elements in the apoptosis process. It is known that apoptosis defects may allow epithelial cells to survive without attachment to extracellular matrix that later facilitates metastasis.

The effect of C-Dots prepared through pyrolysis of N-hydroxyphthalimide or N-hydroxysuccinimide was investigated in different cellular microenvironments with notable antitumoral effects. Assessment of the antitumoral activity included sequential evaluation of the proliferation, survival, invasiveness and tissue scale interactions of several representative malignant cell lines. As expected, C-Dots prepared from NHF showed antitumoral activity, but surprisingly, the C-Dots prepared from NHS also displayed antitumoral activity on certain cell lines, with minimal toxic effects on normal cells. The fact that the tested C-Dots do not overlap entirely their antitumoral properties indicates that developing new C-Dots types may lead to the identification of new active molecules suitable for cancer treatment.

N-гидроксифталимид (NHF) (97%) и N-гидроксисукцинимид (NHS) (98%) были приобретены у Sigma-Aldrich. Для синтеза C-Dots использовалась вода Milli-Q высокой чистоты. Оба типа C-Dots, использованные в этом исследовании, были получены путем пиролитической обработки N-гидроксисукцинимида (NHS) и N-гидроксифталимида (NHF) соответственно в соответствии с экспериментальным путем, описанным в предыдущих статьях. В каждом случае полученная водная дисперсия центрифугировалась дважды при 15000 об/мин в течение 10 мин. Полученные партии были исследованы морфоструктурно с использованием анализа FT-IR, TEM и DLS, результаты находились в хорошем соответствии с опубликованными исследованиями, как подробно описано в разделе дополнительной информации. MDA-MB-231, 4T1 (Американская коллекция типовых культур, Роквилл, Мэриленд, ATCC) культивировались, как описано Гьердрумом и др. HMLE (ATCC) (подарок доктора Дж. Лоренса) поддерживались в среде MEBM (Lonza) с добавлением набора MEGM bullet-kit (Lonza).