ПРИМЕНЕНИЕ НАНОСТРУКТУРНЫХ ОКСИДОВ ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ рН МИКРООКРУЖЕНИЯ ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК

Цель исследования – установить взаимосвязь между кислотно-основными характеристиками наноструктур на основе оксидов алюминия и/или магния и их противоопухолевой активностью в экспериментах in vitro.

Материал и методы. Для синтеза наноструктур на основе оксидов алюминия и/или магния с различными кислотно-основными характеристиками поверхности был использован метод гидролиза алкоголятов металлов и их смесей. Морфологию наноструктур исследовали методом просвечивающей электронной микроскопии с интегрированной системой энергодисперсионного анализа. Фазовый состав частиц определяли методом рентгеновской дифракции. Влияние синтезированных наноструктур на жизнеспособность клеточных линий определяли при помощи MTT -теста на культурах клеток MDA , PyMT и Neuro-2a.

Результаты. В работе методом гидролиза алкоголятов алюминия и магния, а также их смеси были синтезированы наноструктуры оксида алюминия AlOOH, оксида магния MgO, композитные частицы AlOOH/MgO, эффективно подавляющие жизнедеятельность опухолевых клеток. Показано, что наибольшей цитотоксичностью обладает MgO, наименьшей – AlOOH. Анализ физико-химических характеристик синтезированных наноструктур показал, что основными факторами, обусловливающими их противоопухолевую активность, являются кислотно-основные свойства поверхности. Установлено, что MgO повышает рН клеточной питательной среды до 9,4, AlOOH – до 7,7, AlOOH/MgO – до 8,8. При этом наблюдается корреляция между количеством живых клеток при контакте питательной среды с наноструктурами и клеток, инкубированных в среде при повышенном рН, не содержащей наноструктуры. Данный подход может быть использован для синтеза материалов, способных изменять кислотность микроокружения опухолевых клеток в заданном диапазоне для противоопухолевой терапии, в том числе потенцируя действие стандартных химиопрепаратов за счет снижения внеклеточной кислотности.

Заключение. Анализ характеристик синтезированных наноструктур показал, что основными факторами, обусловливающими их противоопухолевую активность, являются кислотно-основные свойства поверхности. Данный подход может быть использован для синтеза материалов, способных изменять кислотность микроокружения опухолевых клеток в заданном диапазоне для противоопухолевой терапии, в том числе потенцируя действие стандартных химиопрепаратов за счет снижения внеклеточной кислотности.

1. Lee H., Lytton-Jean A.K.R., Chen Y., Love K.T., Park A.I., Karagiannis E.D., Sehgal A., Querbes W., Zurenko C.S., Jayaraman M., Peng C.G., Charisse K., Borodovsky A., Manoharan M., Donahoe J.S.,Truelove J., Nahrendorf M., Langer R., Anderson D.G. Molecularly self-assembled nucleic acid nanoparticles for targeted in vivo siRNA delivery. Nat Nanotechnol. 2012 Jun 3; 7(6): 389–93. doi: 10.1038/nnano.2012.73.

2. Mikhaylov G., Klimpel D., Schaschke N., Mikac U., Vizovisek M., Fonovic M., Turk V., Turk B., Vasiljeva O. Selective targeting of tumor and stromal cells by a nanocarrier system displaying lipidated cathepsin B inhibitor. Angew Chem Int Ed Engl. 2014 Sep 15; 53(38): 1007781. doi: 10.1002/anie.201402305.

3. Mikhaylov G., Mikac U., Magaeva A.A., Itin V.I., Naiden E.P., Psakhye I., Babes L., Reinheckel T., Peters C., Zeiser R., Bogyo M., Turk V., Psakhye S.G., Turk B., Vasiljeva O. Ferri-liposomes as an MRI-visible drug-delivery system for targeting tumours and their microenvironment Nat Nanotechnol. 2011 Aug 7; 6(9): 594–602. doi: 10.1038/nnano.2011.112.

4. Peer D., Karp J.M., Hong S., Farokhzad O.C., Margalit R., Langer R. Nanocarriers as an emerging platform for cancer therapy. Nat Nanotechnol. 2007 Dec; 2(12): 751–60. doi: 10.1038/nnano.2007.387.

5. Shu Y., Shu D., Haque F., Guo P. Fabrication of pRNA nanoparticles to deliver therapeutic RNAs and bioactive compounds into tumor cells. Nat Protoc. 2013 Sep; 8(9): 1635–59. doi: 10.1038/nprot.2013.097.

6. Hauert S., Bhatia S.N. Mechanisms of cooperation in cancer nanomedicine: towards systems nanotechnology. Trends Biotechnol. 2014 Sep; 32(9): 448–55. doi: 10.1016/j.tibtech.2014.06.010.

7. Jo D.H., Kim J.H., Lee T.G. Size, surface charge, and shape determine therapeutic effects of nanoparticles on brain and retinal diseases. Nanomedicine. 2015 Oct; 11(7): 1603–11. doi: 10.1016/j.nano.2015.04.015.

8. Petros R.A., DeSimone J.M. Strategies in the design of nanoparticles for therapeutic applications. Nat Rev Drug Discov. 2010 Aug; 9(8): 615–27. doi: 10.1038/nrd2591.

9. Schroeder A., Heller D.A., Winslow M.M., Dahlman J.E., Pratt G.W., Langer R., Jacks T., Anderson D.G. Treating metastatic cancer with nanotechnology. Nat Rev Cancer. 2011 Dec 23; 12(1): 39–50. doi: 10.1038/nrc3180.

10. Gao W., Chan J.M., Farokhzad O.C. pH-responsive nanoparticles for drug delivery. Mol Pharm. 2010 Dec 6; 7(6): 1913–20. doi: 10.1021/mp100253e.

11. Lee E.S., Na K., Bae Y.H. Super pH-sensitive multifunctional polymeric micelle. Nano letters. 2005 Feb; 5(2): 325–329. doi: 10.1021/nl0479987.

12. Chen D., Liu W., Shen Y., Mu H., Zhang Y., Liang R., Wang A., Sun K., Fu F. Effects of a novel pH-sensitive liposome with cleavable esterase-catalyzed and pH-responsive double smart mPEG lipid derivative on ABC phenomenon. Int J Nanomedicine. 2011; 6: 2053–61. doi: 10.2147/IJN.S24344.

13. Burger J.A., Ghia P., Rosenwald A., Caligaris-Cappio F. The microenvironment in mature B-cell malignancies: a target for new treatment strategies. Blood. 2009 Oct 15; 114(16): 3367–75. doi: 10.1182/blood-2009-06-225326.

14. Burger J.A. Targeting the microenvironment in chronic lymphocytic leukemia is changing the therapeutic landscape. Curr Opin Oncol. 2012 Nov; 24(6): 643–9. doi: 10.1097/CCO.0b013e3283589950.

15. Danhier F., Feron O., Preat V. To exploit the tumor microenvironment: Passive and active tumor targeting of nanocarriers for anti-cancer drug delivery. J Control Release. 2010 Dec 1; 148(2): 135–46. doi: 10.1016/j.jconrel.2010.08.027.

16. Puvvada N., Rajput S., Kumar B.N.P., Sarkar S., Konar S., Brunt K.R., Rao R.R., Mazumdar A., Das S.K., Basu R., Fisher P.B., Mandal M., Pathak A. Novel ZnO hollow-nanocarriers containing paclitaxel targeting folate-receptors in a malignant pH-microenvironment for effective monitoring and promoting breast tumor regression. Sci Rep. 2015 Jul 6; 5: 11760. doi: 10.1038/srep11760.

17. Robey I.F., Baggett B.K., Kirkpatrick N.D., Roe D.J., Dosescu J., Sloane B.F., Hashim A.I., Morse D.L., Raghunand N., Gatenby R.A., Gillies R.J. Bicarbonate Increases Tumor pH and Inhibits Spontaneous Metastases. Cancer Res. 2009 Mar 15; 69(6): 2260–8. doi: 10.1158/00085472.CAN-07-5575.

18. Prescott D.M., Charles H.C., Poulson J.M., Page R.L., Thrall D.E., Vujaskovic Z., Dewhirst M.W. The relationship between intracellular and extracellular pH in spontaneous canine tumors. Clin Cancer Res. 2000 Jun; 6(6): 2501–5.

19. Cardone R.A., Casavola V., Reshkin S.J. The role of disturbed pH dynamics and the Na+/H+ exchanger in metastasis. Nature reviews cancer. 2005 Oct; 5(10): 786–795. doi: 10.1038/nrc1713.

20. Kozin S.V., Shkarin P., Gerweck L.E. The cell transmembrane pH gradient in tumors enhances cytotoxicity of specific weak acid chemotherapeutics. Cancer research. 2001 Jun; 61(12): 4740–4743.

21. Raghunand N., Gatenby R.A., Gillies R.J. Microenvironmental and cellular consequences of altered blood flow in tumours. Br J Radiol. 2003; 76 Spec No 1: S11–22. doi: 10.1259/bjr/12913493.

22. Barringer E.A., Bowen H.K. Formation, Packing, and Sintering of Monodisperse TiO2 Powders. Journal of the American Ceramic Society. 1982 Dec; 165(12): 199–201.

23. Uchiyama K., Ogihara T., Ikemoto T., Mizutani N., Kato M. Preparation of monodispersed Y-doped ZrO 2 powders. Journal of materials science. 1987 Dec; 22(12): 4343–4347.

24. Salmon R., Matijević E. Preparation of colloidal magnesiumaluminumsilicates by hydrolysis of a mixed alkoxide. Ceramics International. 1990 Apr; 16(3): 157–163.

25. Zhang S., Li J, Lykotrafitis G., Bao G., Suresh S. Size-Dependent Endocytosis of Nanoparticles. Adv. Mater. 2009 Jul; 21: 419–424.

26. Jiang W., Kim B.Y., Rutka J.T., Chan W.C. Nanoparticle-mediated cellular response is size-dependent. Nature nanotechnology. 2008 Mar; 3: 145–150.