Nanotechnologia

W poprzednim artykule omówiliśmy wstępnie zagadnienie dotyczące wykorzystania nanocząstek tlenku żelaza w walce z nowotworami. Z kolei w tej części artykułu chcemy skazać na ciekawe badanie wykonane przez naukowców z Krakowa w którym otrzymano nanocząstki SPION funkcjonalizowane koniugatem kurkuminy, jako hybrydowy system do hipertermii magnetycznej i dostarczania leków.

W badaniu przeprowadzonym przez zespół z AGH i UJ kurkuminę poddano reakcji z alginianem sodu poprzez estryfikacje Steglicha, uzyskując rozpuszczalny w wodzie, ujemnie naładowany koniugat. Koniugat ten następnie użyto do utworzenia zewnętrznej warstwy na SPION-CCh. Syntezę SPION i SPION-CCh przeprowadzono w wodzie poprzez współstrącanie żelaza (II) i żelaza (III). Następnie zbadano właściwości fizykochemiczne i magnetyczne otrzymanego układu w celu sprawdzenia jego potencjalnej przydatności w terapii przeciwnowotworowej (Lachowicz et al., 2018)

Rysunek 1. (a, b) Mikrografy TEM SPION-CCh-AA-Cur; rozkład wielkości (c) rdzeni magnetycznych i (d) aglomeratów.

Morfologię i wielkość otrzymanego układu nanocząstek (SPION-CCh/AA-Cur) określono metodą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM). TEM to technika obrazowania wewnętrznej struktury ciał stałych za pomocą wiązki elektronów o wysokiej energii przepuszczanej przez ciało stałe (Stachowiak et al.,2004). Wyniki obrazowania z wykorzystaniem TEM przedstawiono na Rys. 1. Obraz SPION-CCh/AA-Cur przedstawia aglomeraty utworzone przez rdzenie magnetyczne pokryte dwuwarstwą polimerową. Obserwowane aglomeraty magnetopolimerowe miały średnią wielkość 69 ± 31 nm (Rys. 1d), a rdzenie były dobrze widoczne w matrycy polimerowej. Stwierdzono, że rozmiary rdzeni magnetycznych mieszczą się w zakresie od 5 do 16 nm, a średnia średnica wynosi 10,2 ± 2,1 nm.

Rysunek 2. Krzywa rozpraszania SPION-CCh-AA-Cur z dopasowanym modelem obejmującym dwie populacje cząstek kulistych (rdzenie i aglomeraty) (a) oraz funkcje rozkładu wielkości uzyskane z modelu (znormalizowane do całkowitej liczby cząstek) (b).

Z kolei pomiary rozpraszania promieni rentgenowskich pod małymi kątami (SAXS) SPION-CCh/AA-Cur ujawniły rozkład wielkości bi-log-normalny dla rdzeni tlenku żelaza. Metoda rozpraszania pod małymi kątami (SAS) z wykorzystaniem neutronów (SANS) lub promieni rentgenowskich (SAXS) dostarcza informacji strukturalnych o niejednorodności obiektów rozpraszających, takich jak pory, w zakresie wielkości od 1–200 nm (Steriotis et al., 2000). Wyniki tego pomiaru przedstawiono na Rys. 2. Badanie wykazało, iż otrzymane rdzenie miały umiarkowanie szeroki rozkład wielkości, o średniej średnicy w zakresie 13,7 ± 2,5 nm, gdzie ich znaczna część tworzyła aglomeraty. Sam rozmiar aglomeratu, zbudowanego z cząstek elementarnych o wielkości 18,6 nm, został zamodelowany za pomocą fraktala masowego z wykładniczym odcięciem wynosił około 44 nm, co jest zgodne z wynikami wcześniejszej analizy TEM. Różnicę pomiędzy wielkością cząstek pierwotnych a wielkością rdzenia zespół zinterpretował jako grubość warstwy stabilizatora cząstek pierwotnych, której SAXS nie mógł rozróżnić ze względu na niski kontrast pomiędzy stabilizatorem a rozpuszczalnikiem.

Rysunek 3. Profile rozkładu średnic hydrodynamicznych uzyskane z pomiarów DLS dla SPION-CCh (linia czerwona), SPION-CCh/AA-CUR (linia niebieska).

Tabela 1. Średnice hydrodynamiczne i potencjały zeta SPION-CCh i SPION-CCh/AA-Cur.

Techniki oparte na rozpraszaniu światła, mianowicie dynamiczne rozpraszanie światła i potencjał zeta, stosowane do fizykochemicznej charakterystyki nanocząstek. Dynamiczne rozpraszanie światła wykorzystuje się do pomiaru wielkości nanocząstek, ale także do oceny ich stabilności w czasie w zawiesinie, w różnych warunkach pH i temperatury, a potencjał Zeta służy do charakteryzowania ładunku powierzchniowego nanocząstek, uzyskując informacje o ich stabilności i interakcji powierzchni z innymi cząsteczkami (Carvalho et al., 2018). Na podstawie pomiarów dynamicznego rozpraszania światła SPION-CCh/AA-Cur, zilustrowanych na Rys.3., zespół określił, iż przeprowadzona przez nich procedura powlekania SPION miała pozytywny wpływ na wielkość i ładunek powierzchniowy aglomeratów. Pokrycie SPION-CCh koniugatem anionowym AA-Cur zmieniło potencjał zeta nanocząstek z +34 do -35 mV, co zostało przedstawione w tabeli 1. SPION-CCh/AA-Cur tworzyły mniejsze aglomeraty, o średnia wielkość średnicy nie przekraczającej 60 nm, co zespół zinterpretował jako wynik wystąpienia silnych oddziaływania polikationowo-polianionowych, skutkujących powstaniem bardziej zwartej struktury powłoki.

Rysunek 4. Widma FTIR SPION bez polimeru, SPION-CCh, SPION-CCh-AA-CUR.

W celu potwierdzenia obecności w otrzymanych układach kationowych warstw chitozanu (CCh) i warstw koniugatu alginowego (AA-CUR), przeprowadzono analizę spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR). Metoda polega na adsorpcji światła w zakresie podczerwieni widma elektromagnetycznego przez większość cząsteczek próbki. Powstałe widmo reprezentuje absorpcję i transmisję molekularną, tworząc molekularny odcisk palca próbki z pikami absorpcji, które odpowiadają częstotliwościom drgań pomiędzy wiązaniami atomów tworzących materiał (Jafari et al., 2017). Na Rys. 4 przedstawiono widma FTIR magnetycznych nanocząstek tlenku żelaza bez modyfikacji powierzchni (SPION), stabilizowanych kationową warstwą chitozanu (SPION-CCh) oraz dwuwarstwą polimerową zawierającą koniugat kurkuminy (SPION-CCh/AA-Cur). Widma FTIR SPION-CCh i SPION-CCh/AA-Cur potwierdziły obecność kationowej pochodnej chitozanu. Na podstawie powyższego, stwierdzono, iż SPION-CCh zostały pomyślnie pokryte AA-Cur.

Rysunek 5. Widma XPS: (a) badania SPION-CCh-AA-Cur, (b) SPION-CCh C1s, (c) SPION-CCh-AA-Cur C1s.

W celu dalszego zbadania struktury układów SPION-CCh i SPION-CCh/AA-Cur zbadano ich powierzchniowe wiązania chemiczne za pomocą szerokiego skanu przy pomocy rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS). XPS określa skład pierwiastkowy powierzchni. Technika polega na analizie wyemitowanych fotoelektronów po naświetleniu próbki promieniami rentgenowskimi (Giri, 2019). Rysunek 5a przedstawia widmo badania SPION-CCh/AA-Cur. Energie wiązania 284,8, 285,6, 286,3 i 287,9 eV przypisano grupom C – C / C – H, C – N, C – O i O – C – O / C = O powłoki polisacharydowej. Stosunek zawartości atomowej C do O (C/O) w SPION-CCh/AA-Cur był mniejszy niż w SPION-CCh, co implikuje zmniejszenie względnej zawartości CCh w układzie. Ponadto zawartość grup C=O i C–O w SPION-CCh/AA-Cur była znacznie wyższa niż w SPION-CCh. Dodatkowo intensywność piku żelaza (710 eV) nieznacznie malała w SPION-CCh-AA-Cur. Wyniki te potwierdziły obecność warstwy AA-Cur w układzie SPION-CCh/AA-Cur.

Rysunek 6. Analiza termograwimetryczna systemów SPION: czerwone – natywne SPIONy; zielony — SPION-CCh; niebieski — SPION-CCh/AA-Cur.

Analiza termograwimetryczna (TGA) to metoda analizy termicznej, w której mierzy się zmiany właściwości fizycznych i chemicznych materiałów w funkcji rosnącej temperatury (przy stałej szybkości nagrzewania) lub w funkcji czasu (przy stałej temperaturze i/lub stałej stracie masy) (Tanzi et al., 2019).Krzywe TGA dla SPION-CCh i SPION-CCh/AA-Cur o zmodyfikowanej powierzchni, zamieszczone na Rys. 6., wykazały, że w przypadku niepowlekanego SPION zaobserwowano niewielką utratę masy poniżej 200°C, co można przypisać usunięciu resztek wody, a utrata masy pomiędzy 200°C – 400°C, była związana usuwaniu powierzchniowych grup hydroksylowych. W przypadku SPION-CCh i SPION-CCh-AA-Cur odnotowano znacznie większy ubytek masy zarówno poniżej 200°C, jak i w zakresie 200–400°C, gdzie pierwszy etap przypisano utracie wody resztkowej, gdyż obie warstwy (CCh i AA-Cur), składające się z polimerów hydrofilowych, wiążą w swojej strukturze znacznie więcej wody niż niepowleczony SPION. Powyżej 200°C odnotowano rozpoczęcie się rozkładu warstw polimerowych, gdzie obliczony ubytek masy w zakresie 200°C – 400°C wyniósł 37,6% dla SPION-CCh i 58,3% dla SPION-CCh/AA-Cur, gdzie całkowity ubytek masy ciała dla SPION obliczono na 11,3%. Te wartości można wytłumaczono różnicą względnego procentu wagowego polimeru w stosunku do rdzenia nieorganicznego w obu systemach, a uzyskane wyniki potwierdziły obecność warstwy CCh i odpowiedniej dwuwarstwy na powierzchni odpowiednio SPION-CCh i SPION-CCh/AA-Cur.

Rysunek 7. Obszar niskiego pola pętli magnesowania próbki SPION-CCh (a) i SPION-CCh-AA-Cur (b) w wybranych temperaturach (80 K i 290 K). Wstawki przedstawiają zależność temperaturową namagnesowania ZFC i FC próbek SPION-CCh (a) i SPION-CCh/AA-Cur (b) mierzoną przy ogrzewaniu poniżej 100 Gs. Tm oznacza temperaturę maksimum profilu ZFC.

W celu analizy wpływu powłoki na namagnesowanie nanocząstek wyznaczono namagnesowania SPION-CCh i SPION-CCh/AA-Cur, poprzez badanie z wykorzystaniem magnetometrii wibracyjnej próbki (VSM). VSM to wszechstronna technika pomiaru momentu magnetycznego próbki, gdy jest ona wibrowana prostopadle do jednolitego pola magnesującego. Technikę VSM można zastosować do uzyskania informacji o momencie magnetycznym próbek w oparciu o prawo indukcji magnetycznej Faradaya (Adeyeye & Shimon, 2015).

Wyniki badania zaprezentowano na Rys. 7. Magnetometria próbki wibrującej potwierdziła ich superparamagnetyczne właściwości w temperaturze pokojowej, wykazując brak koercji i remanencji, co sugeruje pomijalne sprzężenia międzycząsteczkowe w aglomeratach, które uznano za zespoły rdzeni superparamagnetycznych. Dalsze dowody superparamagnetyczności uzyskano z analizy temperaturowej namagnesowania. W niskich temperaturach profile magnesowania ZFC i FC różniły się znacznie z powodu niewystarczającej energii cieplnej do pokonania anizotropowej bariery energetycznej. Wraz ze wzrostem temperatury, powstająca równowaga między energią anizotropii a energią fluktuacji cieplnej powodowała zbieżność tych profili, definiując temperaturę blokowania cząstki superparamagnetycznej. W badanych próbkach temperatura blokowania większości cząstek wynosiła około 120 K, co sugeruje zaniedbywalną objętość zablokowanych cząstek w temperaturze pokojowej. Brak sygnatury przejścia Verweya wskazał, że rdzenie cząstek składają się z maghemitu. Namagnesowanie nasycenia (Msat) wynosiło 57 emu/g dla SPION-CCh i spadło do 44 emu/g dla SPION-CCh/AA-Cur, co jest wystarczające do utrzymania silnej odpowiedzi magnetycznej. Rozkład wielkości rdzeni magnetycznych, badany za pomocą TEM, jest stosunkowo wąski, a temperaturę blokowania oszacowano na 90-100 K.

Rysunek 8. Wzrost temperatury podczas 1200 s magnetycznego ogrzewania SPION-CCh i SPION-CCh-AA-Cur w wodzie przy c_Fe = 0,3 mg/mL

W zmiennym polu magnetycznym nanocząstki generują ciepło przez fluktuacje namagnesowania, co zachodzi poprzez procesy relaksacji (mody Neeliana i Browna) oraz utraty histerezy. W hipertermii magnetycznej (MHT) ciepło to podnosi temperaturę nowotworu, zmieniając jego fizjologię i prowadząc do śmierci komórek. Układy hybrydowe SPION-CCh i SPION-CCh/AA-Cur zostały przetestowane do zastosowań w MHT, przy pomocy metody indukcyjnego nagrzewania (IH). Nagrzewanie indukcyjne jest nieinwazyjną technologią, polegającą na indukowaniu zmiennego pola magnetycznego w podgrzewanym ośrodku, gdzie podgrzewany materiał jest ferromagnetyczny i przewodzący, w związku z czym indukowane prądy, zwane także prądami wirowymi lub Foucaulta, powodują nagrzewanie materiału na skutek efektu Joule’a (Lucía et al., 2018).

Przy stężeniu żelaza 0,3 mg Fe/ml w oscylującym polu magnetycznym (23,77 kA/m, 360 kHz), zmierzono wzrost temperatury zawiesin tych układów. SPION-CCh i SPION-CCh/AA-Cur wykazały wzrost temperatury o odpowiednio 7,5°C i 14,5°C, osiągając plateau po 1000 s. SPION-CCh/AA-Cur osiągnął temperaturę 42-43°C, odpowiednią do hipertermii, nawet przy niskich stężeniach żelaza, przy zachowaniu dobrej stabilności koloidalnej.

Na podstawie wzrostu temperatury obliczono współczynnik absorpcji właściwej (SAR). Dla SPION-CCh/AA-Cur przy stężeniu żelaza 0,3 mg/ml uzyskano wartość SAR równą 280 ± 3 W/g, co jest wyższe od wartości SAR dla SPION-CCh (168 ± 2 W/g). Wyniki te są wyższe niż te dla nanocząstek tlenku żelaza o podobnych rozmiarach i warunkach, co może wynikać z połączenia wąskiego rozkładu wielkości cząstek, wysokiego nasycenia magnetycznego i dobrej stabilności koloidalnej.

Wysokie wartości SAR mogą być też spowodowane tworzeniem małych aglomeratów, które zwiększają mikrotarcie. Nanozespoły i struktury łańcuchopodobne mogą zwiększać wydajność grzewczą nanocząstek magnetycznych, dzięki efektom anizotropii jednoosiowej, wynikającej z orientacji magnesowania wzdłuż łańcucha. SPION-CCh-AA-Cur prawdopodobnie tworzyły takie struktury z powodu silnych oddziaływań elektrostatycznych, co sprzyja powstawaniu łańcuchów o zwiększonej efektywnej anizotropii i prowadzi do większych strat histeretycznych, poprawiając proces rozpraszania energii.

Rysunek 9. Widma fluorescencji otrzymanych układów (SPION-CCh, SPION-CCh/AA-Cur) w dyspersjach wodnych (c = 0,1 mM, λex = 405 nm).

Rycina 10. Obrazy konfokalne komórek (100×/1,4 Oil DIC) zarejestrowane przed (a) i 8 godzin po traktowaniu (b) SPION-CCh/AA-Cur (0,3 mg/ml Fe). Obrazy uzyskano przy wzbudzeniu przy 408 nm; emisję rejestrowano w zakresie 480–540 nm.

Podstawową koncepcją spektroskopii fluorescencyjnej (FS) jest to, że niektóre związki organiczne wykazują wyjątkową widoczną fluorescencję przy dłuższych falach, gdy są stymulowane promieniowaniem UV lub światłem widzialnym. W tej metodzie próbka zużywa podczas analizy światło o krótszej długości fali, w wyniku czego wytwarza określoną fluorescencję w wyniku wyładowań elektronowych przy dłuższych falach światła (Akter et al., 2024).

Widma fluorescencji układów nanocząstek SPION-CCh i SPION-CCh/AA-Cur zmierzono przy wzbudzeniu przy 405 nm (maksimum absorpcji kurkuminy), a wyniki przedstawiono na Rys. 9. SPION-CCh nie wykazały fluorescencji, natomiast SPION-CCh/AA-Cur zarejestrowały pasmo fluorescencji z maksimum przy 565 nm, potwierdzając obecność kurkuminy. Fluorescencję układu SPION-CCh/AA-Cur wykorzystano do badania wychwytu komórkowego i lokalizacji nanocząstek w komórkach fibroblastów za pomocą mikroskopii konfokalnej. Rys. 10. przedstawia obraz fluorescencji fibroblastów przed (a) i po (b) 8 godzinach inkubacji z SPION-CCh/AA-Cur. Jasnozielona fluorescencja obserwowana wyłącznie wewnątrz komórek potwierdziła efektywne pobieranie układu zawierającego kurkuminę przez fibroblasty. Zaobserwowany wychwyt był szybki w porównaniu z podobnymi systemami, np. po 24 godzinach inkubacji w fibroblastach zaobserwowano jedynie niewielką liczbę znakowanych FITC SPION opłaszczonych PEG350 i PEG2000.

Rycina 11. Wyniki testu MTT przeprowadzonego dla komórek NIH3T3 inkubowanych przez 24 godziny z SPION-CCh i SPION-CCh/AA-Cur przy różnych stężeniach żelaza. Wartości wyrażono jako procent kontroli, którą zdefiniowano jako 100%. Słupki błędów przedstawiają średnie i odchylenia standardowe eksperymentów przeprowadzonych w trzech powtórzeniach (n = 3).

Otrzymane systemy SPION-CCh i SPION-CCh/AA-Cur mają potencjalne zastosowania biomedyczne, dlatego zbadano ich cytotoksyczność, poprzez test MTT. Test MTT jest czułym i wiarygodnym wskaźnikiem aktywności metabolicznej komórek (Patravale et al., 2012). Wykazano, że przy stężeniu 0,5 mg/ml, używanym w hipertermii, SPION-CCh/AA-Cur nie wykazano cytotoksyczności. Wyniki wskazały na znaczącą różnicę w cytotoksyczności między SPION-CCh a SPION-CCh/AA-Cur, gdzie SPION-CCh wykazały wyższą cytotoksyczność, prawdopodobnie z powodu obecności grup kationowych na powierzchni nanocząstek. Powlekanie koniugatem AA-Cur znacznie zmniejszyło toksyczność, co może być związane z redukcją wpływu czwartorzędowych grup amoniowych, znanych ze swojej cytotoksyczności.

Podsumowując, stworzono stabilne koloidalnie nanocząstki SPION-CCh/AA-Cur z dwuwarstwową powłoką polimerową zawierającą kurkuminę. Analizy TEM i SAXS wykazały obecność aglomeratów o wielkości około 50 nm, z elementarnymi cząstkami rdzenia z tlenku żelaza o rozmiarze około 19 nm. Metody FTIR, XPS i TGA potwierdziły obecność obu warstw polimerowych. Badania fluorescencyjne potwierdziły obecność kurkuminy w układzie. Właściwości superparamagnetyczne SPION-CCh/AA-Cur zostały potwierdzone metodą VSM, mimo obniżonego namagnesowania nasycenia z powodu warstwy AA-Cur. Układ wykazał dobrą stabilność koloidalną i efektywność ogrzewania magnetycznego, osiągając temperaturę hipertermii (42-43°C) przy niskich stężeniach żelaza oraz wysoką wartość SAR (280 W/g). Wstępne badania biologiczne wykazały efektywne pobieranie SPION-CCh/AA-Cur przez fibroblasty i niższą cytotoksyczność w porównaniu do SPION-CCh. System SPION-CCh/AA-Cur, zawierający wodny koniugat kurkuminy, wykazuje duży potencjał jako środek do hipertermii magnetycznej i przeciwnowotworowy. Biorąc powyższe pod uwagę można stwierdzić, iż nowo uzyskany układ nanocząstek SPION-CCh/AA-Cur jest obiecującym czynnikiem hipertermii magnetycznej. Zawiera także kurkuminę w formie rozpuszczalnego w wodzie koniugatu.

Łącząc te dwie unikalne właściwości, wykazuje duży potencjał jako skuteczny środek przeciwnowotworowy, który może znaleźć w przyszłości zastosowanie terapiach celowanych.

• Adeyeye, A. O., & Shimon, G. (2015). Growth and Characterization of Magnetic Thin Film and Nanostructures. In Handbook of Surface Science (Vol. 5, pp. 1–41). Elsevier B.V. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-62634-9.00001-1
• Akter, T., Bhattacharya, T., Kim, J. H., Kim, M. S., Baek, I., Chan, D. E., & Cho, B. K. (2024). A comprehensive review of external quality measurements of fruits and vegetables using nondestructive sensing technologies. In Journal of Agriculture and Food Research (Vol. 15). Elsevier B.V. https://doi.org/10.1016/j.jafr.2024.101068
• Carvalho, P. M., Felício, M. R., Santos, N. C., Gonçalves, S., & Domingues, M. M. (2018). Application of light scattering techniques to nanoparticle characterization and development. In Frontiers in Chemistry (Vol. 6). Frontiers Media S.A. https://doi.org/10.3389/fchem.2018.00237
• Giri, T. K. (2019). Solid lipid nanoparticles for the delivery of drug molecules. In Materials for Biomedical Engineering: Organic Micro and Nanostructures (pp. 551–576). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-818433-2.00016-9
• Jafari, S. M., Faridi Esfanjani, A., Katouzian, I., & Assadpour, E. (2017). Release, Characterization, and Safety of Nanoencapsulated Food Ingredients. In Nanoencapsulation of Food Bioactive Ingredients: Principles and Applications (pp. 401–453). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809740-3.00010-6
• Lachowicz, D., Kaczyńska, A., Wirecka, R., Kmita, A., Szczerba, W., Bodzoń-Kulakowska, A., Sikora, M., Karewicz, A., & Zapotoczny, S. (2018). A hybrid system for magnetic hyperthermia and drug delivery: SPION functionalized by curcumin conjugate. Materials, 11(12). https://doi.org/10.3390/ma11122388
• Lucía, Ó., Domínguez, A., Sarnago, H., & Burdío, J. M. (2018). Induction heating. In Control of Power Electronic Converters and Systems: Volume 2 (pp. 265–287). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816136-4.00022-1
• Patravale, V., Dandekar, P., & Jain, R. (2012). Nanotoxicology: evaluating toxicity potential of drug-nanoparticles. In Nanoparticulate Drug Delivery (pp. 123–155). Elsevier. https://doi.org/10.1533/9781908818195.123
• Steriotis, T. A., Stefanopoulos, K. L., Mitropoulos, A. C., & Kanellopoulos, N. K. (2000). Membrane characterisation by combination of static and dynamic techniques. In Membrane Science and Technology (Vol. 6, Issue C, pp. 1–34). Elsevier. https://doi.org/10.1016/S0927-5193(00)80003-0
• SURFACE MICROGRAPHY AND A N A L Y S I S 8.1 INTRODUCTION. (n.d.).
• Tanzi, M. C., Farè, S., & Candiani, G. (2019). Techniques of Analysis. In Foundations of Biomaterials Engineering (pp. 393–469). Elsevier. https://doi.org/10.1016/b978-0-08-101034-1.00007-4