Heparin coated and 2-deoxy-D-glucose conjugated iron oxide nanoparticles for biologic applications

Abstract

Nanoteknolojinin kanser tedavisi için kullanılmasına olan ilgi geçtiğimiz yıllarda giderek artmaktadır. Manyetik rezonans görüntüleme, manyetik hedefleme, ilaç taşıma ve hipertermi uygulamalarında kullanılabilme yetenekleri ile çarpıcı özelliklere sahip olan manyetik nanoparçacıkların kullanıldığı manyetik temelli sistemlerden biri olan hipertermi, kanser tedavisinde terapötik araçtır. Biyomedikal ve klinik uygulamalarda en sık kullanılan manyetik nanomalzemeler demir oksit nanoparçacıklardır. Yakın zamanda, farklı şekillerdeki (çiçek, küp, küre vb.) ve kompozisyonlardaki demir nanoparçacıkların sentezlenmesindeki gelişmeler hipertermi amaçlı kullanımları için manyetik malzemelerin ısıtma yeteneğinin optimize edilebileceğini göstermiştir. Kemoterapötik ajanların veya moleküler hedefli terapötik ajanların kullanıldığı tedavilerin yanında tümör metabolizması da göz önünde bulundurularak alternatif bir tümör karşıtı yaklaşım önerilebilir. Kanser hücrelerinin hızlı büyümesinin nedeni mitokondrilerin devre dışı kalması; buna bağlı olarak hücrelerin apoptoza gitmek istememesi ve oksijen yokluğunda da büyüyebilmesidir (glikoliz). Bir pirüvat dehidrokinaz inhibitörü olan dikloroasetat (DKA) bu süreci, apoptozu da kapsayacak şekilde, tersine çevirir, proliferasyonu azaltır ve tümör büyümesini engeller. Ancak tümör büyümesini engelleyecek tedavi için oldukça yüksek dozda DKA kullanımı gerekmektedir. Bu durumda farmakolojik olarak uygun dozda DCA'yı tümör bölgesine taşıyabilecek ve hücresel alım etkinliğini artıracak manyetik nanoparçacıkların hazırlanması daha etkili bir tedavi seçeneği olarak görünmektedir. Bu çalışmada, hipertermide kullanılmak üzere yüksek ısıtma yeteneğine sahip çiçek küp ve küre şeklinde süperparamanyetik demir oksit nanoparçacıklar hazırladı. Hazırlanan manyetik nanoparçacıkların hipertermi verimleri incelemek üzere parçacıklara değişken manyetik alan uygulayan cihaz tasarlandı. Hipertermi ölçümlerine küre şekilli demir oksit parçacıklar ile başlandı. Küre şekilli nanoparçacıkların yüzeyleri doğal bir polimer olan heparin ile modifiye edilerek DKA'nın bu heparin tabakasının içinde tutturularak taşınması sağlandı. Son olarak, parçacıkların hücre zarında bulunan glikoz taşıyıcılarından hücre içine geçebilmesi için nanoparçacıklar 2-deoksi-D-glikoz (2-DG) ile işaretlendi. DKA ve hiperteriminin yanı sıra heparin ve 2-DG de apoptoz sürecinde rol oynamaktadır. Buna göre, bu yeni nanoparçacıkların taşıdıkları yükleri doğrudan kanser hücresine ulaştırmaları ve apaptoz yoluyla hücre ölümüne neden olmaları beklenmektedir. Bu çalışmada, kanserli karaciğer hücre dizisi (HepG2) kullanılarak nanoparçacıkların bağlanması ve hücre içine alınması, sitotoksisitesi ve apoptotik etkileri incelenmiştir. Demir oksit nanoparçacıklarının MRI ölçümlerinde kontrast ajanı olarak kullanıldığı bilinmektedir. Dolayısı ile hazırlanan nanoparçacıklar, tıbbi tedavinin sonuçlarının manyatik rezonans görüntüleme (MRI) sistemi ile takip edilmesine de olanak sağlayacaktır.

Over the past decade, there has been an increasing interest in using nanotechnology for cancer therapy. Magnetic-based systems containing magnetic nanoparticles have gained popularity because of their unique ability to be used in magnetic resonance imaging, magnetic targeting, drug carrying and hyperthermia. The last one represents a novel therapeutic concept to cancer treatmentIn biomedical and clinical applications the most commonly used magnetic nanomaterials are the iron oxide nanoparticles. Current progress in the synthesis of iron oxide nanoparticles with different shapes (flower, cube, spherical) and compositions show that the heating power of the magnetic material can be optimized for hyperthermia. Compared to the therapy of using chemotherapeutic agents or molecular-targeting therapeutic agents, an alternative antitumor approach can be proposed by considering tumor metabolism. The reason cancer is so fast growing is that the mitochondria have been deactivated, so the cells avoid apoptosis, as well as being able to grow in the absence of oxygen (glycolysis). Dichloroacetate (DCA) which is a pyruvate dehydrogenase kinase inhibitor, reverses this process, induces apoptosis, decreases proliferation, and inhibits tumor growth. However, therapeutically prohibitive high DCA doses are needed for tumor growth suppression. Thus, preparation of magnetic nanoparticles designed to carry pharmacologically relevant doses of DCA directly to the tumor site and enhance its effective cellular uptake may represent a more effective therapeutic option. In this study, flower, cubic and spherical shaped iron oxide nanoparticles, having high heating power that can be used in hyperthermia application were prepared. For inductive heating of magnetic nanoparticles, an induction device was designed. Hyperthermia studies was started by using spherical iron oxide nanoparticles. The surface of nanoparticles prepared was modified with heparin, a natural polymer and DKA was embedded into heparin layer. However, for effectively targeting mitochondria, triphenylphosphonium cation was incorporated to DKA through a biodegradable amide linkage before loading on to the nanoparticle. Finally nanoparticles was conjugated to 2-deoxy-D-glucose (2-DG) in order to transport the particles into the cells via glucose transformers present on the cell membranes. It needs to be stated that, besides DKA and hyperthermia, both heparin and 2-DG are known to play role in apoptosis process. Therefore these novel nanoparticles are expected to deliver their cargo directly to cancer cell and cause a cell death via apoptosis. The binding and uptake of nanoparticles, cytotoxicity and apoptosis were investigated using liver cancer cell line (HepG2). It is known that iron oxide nanoparticles are used as a contrast reagent in MRI systems. Consequently, these nanoparticles were also useful for monitoring the outcomes of the medical treatment by magnetic resonance imaging, MRI.