【Zn-NMOF载药】靶向生物相容性Zn-金属-有机框架纳米复合材料用于癌症细胞化疗

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摘要：
Islamic Azad University的Sepideh Khaleghi等报道的本篇文章（Sci Rep 2024, 14, 18311）中开发了一种新型的生物相容性和生物可降解的锌基纳米金属-有机框架（Zn-NMOF），通过叶酸（FA）功能化的壳聚糖（CS）涂层实现对乳腺癌细胞的靶向药物输送。利用FT-IR、DLS、XRD、SEM和TEM等技术对合成的NMOF-CS-FA-D纳米复合物进行了全面表征。体外研究表明，该纳米复合物在pH 5.0和7.4条件下对DOX的释放行为具有控制性，且在酸性环境下加速释放，有利于药物进入癌细胞。实验结果显示，经NMOF-CS-FA-D纳米复合物处理24小时后，MCF-7乳腺癌细胞的存活率显著下降，且与凋亡和自噬相关的基因表达水平显著增加，细胞周期分析显示大量细胞处于凋亡阶段。

研究背景：
1. 在癌症治疗领域，尤其是乳腺癌，传统的化疗方法存在诸多挑战，如缺乏特异性、对健康组织的副作用、治疗稳定性低和药物剂量需求高等。
2. 已有研究开发了多种生物相容性和生物可降解的纳米载体，如固体脂质纳米复合物、无机材料、水凝胶和聚合物纳米粒子等，以提高药物输送效率并减少副作用。
3. 本研究在现有研究基础上，开发了一种新型的Zn-NMOF纳米复合物，通过FA功能化的CS涂层实现对DOX的靶向输送，提高了药物的装载效率，并在模拟癌细胞酸性环境的条件下实现了加速释放。

实验部分：
1. Zn-NMOF纳米复合物的合成：
   1) 在强烈超声条件下，将132 mg的醋酸锌二水合物溶解在14 mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，超声15分钟。
   2) 将100 mg的对苯二甲酸(TPA)和350 mg的1,4-二氮杂环[2.2.2]辛烷(DABCO)各自溶解在6.5 mL的DMF中，室温下搅拌10分钟。
   3) 将上述溶液混合后，逐滴加入到锌醋酸衍生物中，超声15分钟，然后8000 rpm离心30分钟，弃去上清液，沉淀用DMF洗涤以纯化。
2. CS涂层Zn-NMOF纳米复合物(NMOF-CS)的制备：
   1) 将50 mg的NMOF在10 mL乙醇中搅拌溶解。
   2) 82 mg的CS在10 mL 1%醋酸中溶解，搅拌24小时以形成均匀溶液。
   3) 将CS溶液与NMOF溶液混合，搅拌48小时后，8000 rpm离心收集产物，并用乙醇洗涤。
3. FA功能化CS(NMOF-CS-FA)的合成：
   1) 280 mg的FA和100 mg的1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDC)在12 mL无水DMF中搅拌2小时以形成均匀溶液。
   2) 50 mg的CS在10 mL 1%醋酸中溶解，然后加入到FA溶液中，搅拌16小时。
   3) 用1M NaOH调节pH至7，8000 rpm离心收集产物，冻干后保存。
4. DOX药物装载的NMOF-CS-FA纳米复合物(NMOF-CS-FA-D)的制备：
   1) 将CS和FA修饰的NMOF溶液与DOX溶液混合，搅拌48小时以实现药物装载。
   2) 用蒸馏水洗涤DOX装载的纳米复合物，以去除未结合的药物。
5. 体外细胞实验：
   1) 将MCF-7乳腺癌细胞和HFF-1正常细胞在含有10%胎牛血清的RPMI1640培养基中培养。
   2) 通过MTT实验评估不同浓度的NMOF-CS-FA-D纳米复合物对细胞存活率的影响。
   3) 采用Real-Time PCR技术分析经NMOF-CS-FA-D处理后凋亡和自噬相关基因的表达水平变化。
   4) 利用流式细胞仪进行细胞周期分析和细胞凋亡分析。

分析测试：
1. 纳米复合物的FT-IR表征：利用PerkinElmer 843 FT-IR光谱仪记录了NMOF, NMOF-CS, NMOF-CS-FA, 和NMOF-CS-FA-D的FT-IR光谱，分析了化学键和官能团的变化。
2. 纳米复合物的XRD分析：使用X射线衍射技术评估了NMOF的晶体结构和相纯度，以及DOX装载后结构的变化。
3. 纳米复合物的DLS粒径分析：使用NanoBrook 90 Plus DLS设备测量了NMOF和NMOF-CS-FA-D的流体动力学粒径和多分散指数(PDI)。
4. 纳米复合物的SEM和TEM形态分析：使用Philips EM 208S SEM和TEM显微镜观察了NMOF和NMOF-CS-FA-D的形态和尺寸。
5. 药物装载效率和释放研究：
   1) 通过Nano-drop UV-vis分光光度计测量NMOF-CS-FA-D溶液的DOX浓度，计算药物装载量(DLC)和装载效率(DLE)。
   2) 在pH 5.0和7.4条件下，使用透析法研究DOX从纳米复合物中的释放行为，记录不同时间点的释放量。
6. 细胞活性MTT实验：测量了不同浓度下NMOF-CS, NMOF-CS-D, NMOF-CS-FA, 和NMOF-CS-FA-D对MCF-7和HFF-1细胞存活率的影响。
7. 基因表达分析：采用qRT-PCR技术测定了经NMOF-CS-FA-D处理后MCF-7细胞中Caspase-9, BAX, BECLIN1, 和ATG5基因的相对表达水平。
8. 细胞周期分析：使用流式细胞仪分析了经NMOF-CS-FA-D处理后MCF-7细胞的细胞周期分布。
9. 细胞凋亡分析：采用Annexin V-FITC/PI染色，通过流式细胞仪评估了NMOF-CS-FA-D对MCF-7细胞凋亡的影响。

总结：
本文成功开发了一种新型的Zn-NMOF纳米复合物，用于靶向输送DOX至乳腺癌细胞。通过叶酸功能化的壳聚糖涂层，实现了对癌细胞的特异性识别和药物的控制释放。体外实验表明，该纳米复合物能有效抑制乳腺癌细胞的增殖，并诱导细胞凋亡。

展望：
本研究为乳腺癌的靶向治疗提供了一种新的策略。未来的研究可以进一步探索该纳米复合物在体内的药代动力学和生物分布，以及其长期安全性和疗效。此外，可以研究不同类型癌细胞对该纳米复合物的响应，以及如何优化纳米复合物的设计以提高其在复杂生物环境中的稳定性和靶向性。

Targeted biocompatible Zn-metal–organic framework nanocomposites for intelligent chemotherapy of breast cancer cells
文章作者：Parinaz Fereydouni, Arash Al Mohaddesin & Sepideh Khaleghi
DOI：10.1038/s41598-024-69457-6
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41598-024-69457-6

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