Dizajn nano-lijekova zasnovan na fiziološkim svojstvima glutationa

sažetak:Glutation (GSH) je uključen i reguliše važne fiziološke funkcije tijela kao esencijalni antioksidans. GSH igra važnu ulogu uantioksidacija, detoksikaciju, protiv starenja, jačanje imuniteta, iantitumorsko djelovanje. Ovdje, na osnovu fizioloških svojstava GSH kod različitih bolesti, uglavnom uključujući ijaka reducibilnost GSH, visok sadržaj GSH u tumorskim ćelijama, i theSmanjenje NADPH kada se GSSH reducira na GSH, opširno izvještavamo o principima dizajna, efektima i potencijalnim problemima raznihnano-lijekovi u dijabetesu, rak, bolesti nervnog sistema, fluorescentne sonde, snimanje i hrana. Ove studije u potpunosti koriste fiziološku i patološku vrijednost GSH i razvijaju odlične metode dizajnanano-drogevezano za GSH, što pokazuje važan naučni značaj i istaknutu primjenu za istraživanja srodnih bolesti u kojima GSH učestvuje ili na koja odgovara.

Ključne riječi:glutation; fiziološka svojstva; nano-lijekovi; recenzija

Kliknite ovdje da biste dobili Cistanche za anti-aging

1. Struktura glutationa

Glutation (GSH) je otkrio Hopkins 1921. [1], i predstavlja tripeptidno jedinjenje formirano od glutaminske kiseline, cisteina i glicina kondenzacijom peptidne veze. Njegov hemijski naziv je -L-glutamil-L-cysteyl-glycine, a molekulska formula je C10H17O6SN3 [2]. Postoje dvije vrste glutationa, a to su reducirani glutation (GSH) i oksidirani glutation (GSSG). Struktura GSH sadrži aktivnu redukujuću grupu, sulfhidril (-SH), koja se lako oksidira i dehidrogenira. Glutation peroksidaza (GSH-Px) može katalizirati GSH u GSSG, dok glutation reduktaza (GSH-R) može koristiti nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADPH) da katalizira GSSG u GSH. Glavna aktivna grupa GSSG-a je disulfidna veza (-SS-). Biosintezu GSH direktno kontroliše sistem sintaze, a ne kao sinteza proteina na ribosomu [3-5]. Specifična struktura i postupak sinteze prikazani su na slici 1.

2. Fiziološka funkcija GSH

GSH se nalazi u gotovo svakoj ćeliji tijela [6], i široko je prisutan u različitim esencijalnim organima i tkivima, kao što su krv, jetra i bubrezi, u kojima su jetra i bubrezi glavni sintetički, metabolički i izlučujući. organa GSH [7]. Generalno, GSH igra važnu fiziološku ulogu u organizmima, dok GSSG treba da se redukuje na GSH da bi se postigla fiziološka aktivnost. GSH održava normalnu funkciju imunog sistema i ima očigledne antioksidativne i detoksikacione efekte. Štaviše, jedinstvena struktura GSH čini ga istaknutim čistačem slobodnih radikala u tijelu [8–10]. Stoga, GSH ima prednosti odlične uloge u borbi protiv starenja, jačanju imuniteta i antitumorske aktivnosti [11–13]. Kada se mala količina H2O2 generiše u ćeliji, GSH redukuje H2O2 u H2O sa GSH-Px, dok se oksidira u GSSG. GSSG prihvata H plus i redukuje u GSH sa GSH-R, tako da se može nastaviti reakcija čišćenja slobodnih radikala u organizmu, čime se štiti struktura i funkcija ćelijske membrane od interferencije i oštećenja oksida [14]. Osim toga, GSH također ima olakšavajuću aktivnost kod neuronske ekscitatorne intoksikacije [15], koja se može koristiti za ublažavanje toksičnih i nuspojava uzrokovanih kemoterapijom kod pacijenata sa malignim tumorima [16].

Iako GSH igra važnu ulogu u fiziološkim funkcijama, ostaju značajna ograničenja, uključujući njegovu nesposobnost da prodre kroz ćelijske membrane, laku oksidaciju, lošu stabilnost i nisku bioraspoloživost, što dramatično kompromituje efikasnost liječenja kod bolesti. Nanotehnologija je nova tehnologija za isporuku lijekova koja čini biološki aktivnu supstancu ugrađenom ili modificiranom na nanomaterijalima uglavnom putem fizičkih, kemijskih i drugih metodologija konjugacije. Nanočestice formirane inkapsulacijom ili samosastavljanjem mogu ne samo zaštititi biološku aktivnost GSH, već i poboljšati njegovu stabilnost i biodostupnost. Osim toga, snažna redukcijska karakteristika GSH u mikrookruženju može se koristiti za cijepanje specifičnih nanočestica koje reaguju na redoks kako bi se postigli efekti kontroliranog oslobađanja i cilja lijekova. Stoga se u ovom pregledu posebno fokusiramo na principe dizajna, efekte i potencijalne probleme različitih nano-lijekova na osnovu fizioloških svojstava GSH kod različitih bolesti. Štaviše, trenutni izazovi i buduće strategije za razvoj nano-lijekova se takođe razmatraju sa stanovišta praktične primene.

3. Sistemi za isporuku nano-lijekova

Uz velika ulaganja i brz razvoj posljednjih godina, nanotehnologija se primjenjuje u svim područjima biomedicinske nauke i tehnologije [17]. Slično, nanotehnologija pruža novi pristup za isporuku lijekova, posebno ciljanu isporuku lijekova. Ciljani sistemi za isporuku lijekova isporučuju željene lijekove u oboljele dijelove i smanjuju distribuciju u normalna tkiva ili ćelije [18]. Prednosti nanočestica kao sistema za isporuku lekova opisane su na sledeći način: (1) Rastvaraju nerastvorljive lekove i sprečavaju degradaciju leka iz organizma; (2) produžiti vrijeme cirkulacije lijekova; (3) pokazuju dobru biokompatibilnost i biorazgradivost; (4) posjeduju visok kapacitet punjenja lijeka i nisku toksičnost; (4) selektivno isporučuju lijekove terapijskim ciljevima, kao što su tumorsko tkivo, tumorske ćelije, stromalne ćelije povezane s tumorom i suborganele [19]. Do sada su razvijeni brojni materijali kao što su polimeri, lipidi i neorganski materijali koji se koriste kao nosači lijekova za kontrolu ponašanja lijekova u oslobađanju [20,21]. Osim toga, stimulacija REDOX odgovora je visoko cijenjena u liječenju bolesti i široko se koristi u nanomedicinskoj isporuci lijekova [22,23]. REDOX potencijali u mikrookruženju su multivarijabilni u različitim tkivima i mogu se koristiti za dizajniranje sistema za isporuku osjetljivih na REDOX. Stoga, dizajn i proizvodnja nanočestica koje reagiraju na glutation mogu biti obećavajući pristup za ciljanu isporuku lijekova [24].

4. Dizajn nano-lijekova za dijabetes na osnovu fizioloških svojstava GSH

4.1. Dizajn nano-lijekova zasnovan na ulozi GSH u oksidativnom stresu

Oksidativni stres je potvrđen kao dominantna patogeneza dijabetesa, a hiperglikemija je primarni faktor rizika za promicanje proizvodnje reaktivnih vrsta kisika (ROS). Postoji više vrsta ROS-a, kao što su superoksidni anion (O2-), vodonik peroksid (H2O2), hidroksilni radikal (OH-), azot dioksid (NO2) i azot oksid (NO) slobodni radikali, itd. [25]. Niz antioksidanata u normalnom tijelu uključuje vitamin A, vitamin C, vitamin E, GSH, superoksid dismutazu (SOD), GSH-Px i GSH-R, itd., [26]. Među njima, GSH je važan član endogenog antioksidansa u tijelu. Ima prednosti uklanjanja slobodnih radikala, ublažavanja oštećenja i održavanja redoks ravnoteže u stanicama [27]. Kada je tijelo napadnuto slobodnim radikalima, GSH se može koristiti kao direktan čistač slobodnih radikala, ko-supstrat GSH-Px, kofaktor enzimske reakcije i konjugat mnogih endogenih reakcija za poboljšanje oksidativnog stresa i odgode. razvoj dijabetesa [28].

Značajno je da su mnogi istraživači dizajnirali nano-lijekove za liječenje dijabetesa i komplikacija na temelju fiziološke uloge GSH u oksidativnom stresu. Wei Wang et al. [29] dizajnirali su novi antioksidativni glutation liposom (GSH-LIP) za primjenu u terapiji dijabetičke nefropatije. GSH-LIP ne samo da može poboljšati bioraspoloživost GSH, već i ukloniti višak ROS izazvan oksidativnim stresom i poboljšati antioksidativni kapacitet. Xiao et al. [30] je razvio sistem isporuke sastavljen od enteričkih Eudragit L100- nanočestica cisteina/reduciranog glutationa (Eul-cys/GSH NP) za oralnu isporuku inzulina. Otkrili su da Eul-cys/GSH NP mogu promovirati crijevnu apsorpciju inzulina i produžiti vrijeme smanjenja šećera u krvi, što sugerira da bi Eul-cys/GSH NP mogli biti obećavajući sistem za isporuku za terapiju dijabetesa. Gore navedeni dizajn nano-lijekova GSH je da su lijekovi inkapsulirani u fosfolipide ili amfifilne materijale, kao što su liposomi i micele, kao što je prikazano na slici 2A. Kuan et al. [31] dizajnirali su magnetne nanočestice vezane za GSH koje su pripremljene kovalentnom vezom GSH i nanočestica. Pokazalo se da ova magnetna nanočestica vezana za GSH može zadržati približno 87 posto enzimske aktivnosti i dobiti peptid sličan glukagonu-1, peptidni hormon za terapiju dijabetesa tipa 2. Ovaj dizajn nano-lijeka je kombinovao SH u GSH sa silla-NH2 kovalentnom vezom, kao što je prikazano na slici 2B. Mottaghipisheh et al. [32] otkrili su da ekstrakti S. marianum, B. vulgaris i D. sophia koji kombinuju nanočestice CuO pokazuju određeni učinak na dijabetičke štakore, te da mogu značajno smanjiti sadržaj GSH-Px kako bi spriječili oksidaciju GSH. Gurunathan istraživačka grupa [33] koristila je Au nanočestice (AuNP) za liječenje dijabetesa i kompenzirala rupe u antioksidativnom odbrambenom sistemu tijela. Eksperimentalni rezultati su pokazali da su nivoi GSH, superoksid dismutaze (SOD), katalaze i GSH-Px značajno povećani kod dijabetičkih štakora tretiranih AuNPs, inhibicijom lipidne peroksidacije i stvaranja ROS-a tokom hiperglikemije. Većina ovih nano-lijekova su aktivni nano enzimi koji direktno deluju na GSH ili GSH-Px kako bi regulisali sintezu GSH, kao što je prikazano na slici 2C.

Slika 2. Nano-lijekovi za dijabetes su dizajnirani na osnovu GSH. (A) GSH je inkapsuliran u Enteric eudragit L100-cistein za pripremu reduciranih nanočestica glutationa (Eul-cys/GSH NP) [30]; (B) GSH-vezane magnetne nanočestice (SPION@silica-NH2). GSH je reagovao sa anhidridom maleinske kiseline da bi se formirale SPION@silica-GSH nanočestice [31]; (C) transmisioni elektronski mikroskop slike nanočestica CuO i enzima Au nanočestica [32,33]

4.2. Dizajn nano-droga zasnovan na ulozi GSH u poliolnom putu

Kada se koncentracija glukoze u krvi kod dijabetesa poveća i premaši normalni metabolički kapacitet, mnogo glukoze se metabolizira putem poliola. Aldoza reduktaza (AR) u poliolnom putu smanjuje prekomjernu glukozu u sorbitol pomoću NADPH kao kofaktora. Velika količina akumulacije sorbitola dovodi do prekomjernog sorbitola u ćeliji i oštećuje ćelijsku permeabilnost zbog njihove niske lipofilnosti. Nakon toga, sorbitol ne prodire u ćelijsku membranu, te dalje uzrokuje oticanje i rupturu stanica, izazivajući niz dijabetesa i razvoj kroničnih komplikacija [34–37]. GSSH može iscrpiti NADPH i biti reduciran u GSH pomoću GSH-R. Ako je sinteza GSH normalna, ili dođe do dramatičnog pada GSH, potrošnja NADPH će se sigurno povećati [21]. Stoga je put poliola obrnut kako bi se ograničila proizvodnja sorbitola, što predstavlja novi cilj za prevenciju i ublažavanje dijabetesa (slika 3A).

Konkurirajući za NADPH sa GSH-R i time rezultirajući smanjenom količinom GSH, put poliola povećava osjetljivost na intracelularni oksidativni stres. Wang et al. [29] pripremili su nove antioksidativne GSH liposome (GSH-LIP) koji su primijenjeni u terapiji dijabetičke nefropatije. Pokazalo je da GSH-LIP efikasno iscrpljuje NADPH kako bi blokirao put poliola i dramatično ublažava dijabetičku nefropatiju, što je pružilo novu teorijsku osnovu za istraživanje nano-lijekova u terapiji dijabetičke nefropatije.

5. Dizajn nano-lijekova za tumor na osnovu fizioloških svojstava GSH

5.1. Nanočestice implementiraju mehanizme isporuke ciljanja tumora

5.1.1. Pasivno ciljanje

Pasivno ciljanje uglavnom ovisi o njegovoj nanometarskoj veličini i mikrovaskularnoj strukturi na mjestu tumora. U poređenju s normalnim tkivima, većina tumorskih tkiva ima nepotpuno vaskularno remodeliranje zbog snažnog rasta i metabolizma, s razmakom od 10-1000 nm između vaskularnog endotela. Stoga, nanočestice odgovarajuće veličine mogu doći do tumorskog tkiva kroz cirkulaciju krvi i obogaćene su tumorskim tkivima kroz efekat poboljšane permeabilnosti i retencije (EPR) [38]. Općenito se vjeruje da nanočestice od 10-100 nm imaju bolji EPR efekat [39]. S druge strane, stanje rasta i gustina vaskularnog endotela u tumorskim područjima također mogu utjecati na EPR efekat [40].

5.1.2. Aktivno ciljanje

U cilju daljeg poboljšanja preuzimanja sistema za isporuku nano-lijekova od strane tumorskih ćelija, površina nanočestica se može modifikovati aktivno ciljanim ligandima, tako da mogu ući u ćelije putem endocitoze posredovane receptor-ligandom prepoznavanjem specifičnih receptora na površine tumorskih ćelija [41]. U poređenju s pasivnim ciljanjem, aktivne ciljane nanočestice imaju jaču specifičnost i mogu značajno povećati intracelularnu koncentraciju lijeka u tumorskim stanicama [42].

5.1.3. Sistem za isporuku nano-lijekova koji reaguje na mikrookruženje tumora

U poređenju sa normalnim tkivima, tumorska tkiva i ćelije predstavljaju jedinstvene karakteristike mikrookruženja, uglavnom odražavajući sledeće aspekte [43]: (1) pH vrednost: okruženje tumora je slabo kiselo, pH 6,5-7.0. Inkluzije tumorskih ćelija ili lizozomi imaju niži pH od 4.0–6.0 [44]; (2) tumorske ćelije predstavljaju reduktivnu sredinu u kojoj koncentracija glutationa može doseći 1-10 mM, što je 100-1000 puta od one u krvnoj sredini [45]; (3) mitohondrije tumorskih ćelija predstavljaju oksidativno okruženje, u kojem koncentracija reaktivnih vrsta kiseonika (ROS) može dostići nivo mM [46]. Sistem isporuke nano-lijekova koji reaguje na pH: promena svojstava tela pod pH stimulacijom čini da se nanočestice depolimerizuju kako bi se postigla svrha ciljane isporuke leka u tumorske ćelije [47]. Redukcioni sistem isporuke nano-lijekova: prema koncentracijskoj razlici između GSH u tumorskim ćelijama i normalnim tkivima, dizajnirani su nanonosači materijali osetljivi na redukciju. Disulfidne ili dis-selenske veze sadržane u materijalu nosača mogu se reducirati intracelularnim GSH i prekinuti, uzrokujući drastične promjene u svojstvima nosača i oslobađanje inkapsuliranih lijekova [48].

5.2. Dizajn nano-lijekova zasnovan na smanjenju NADPH tokom smanjenja GSSG u feroptozi

Feroptoza je programirani put ćelijske smrti koji je karakteriziran izmijenjenom željezom i redoks homeostazom. Općenito se vjeruje da je posebnost feroptoze nakupljanje ROS-a koji se oslanja na željezo, što rezultira pojavom peroksidacije lipida i ćelijske smrti [49]. Nadalje, feroptoza također pokazuje pad regulacije jezgra enzima GPX4 u antioksidativnom sistemu (sistem glutationa). Lipidni peroksidi će biti uklonjeni pomoću GPX4. Ako je aktivnost GPX4 inhibirana, proizvodit će se više lipidnih peroksida što rezultira oksidativnom neravnotežom i pojavom feroptoze [50]. Stoga su inhibicija GPX4 ili modulacija biosinteze GSH za smanjenje aktivnosti GPX4 dva tipična pristupa za indukciju feroptoze. GSSG se redukuje na GSH sa GSH-R i trošenjem NADPH. NADPH je esencijalni intracelularni redukcijski agens za eliminaciju lipidnih hidroperoksida, a kada su ovi procesi poremećeni, pokreće se feroptoza [51]. Osim toga, drugi mehanizam feroptoze je arahidonska kiselina/adrenska kiselina (AA/AdA), u kojoj je akumulacija PE-AA-OOH još jedan očigledan marker feroptoze. Vrijedi napomenuti da akumulacija PE-AA-OOH u stanicama ovisi o aktivnosti GPX4, a PE-AA-OOH se može oksidirati u PE-AA-OH u prisustvu GPX4 [52–54]. Stoga se smanjenje NADPH, prekomjerni PE-AA-OOH i nedostatak GPX4 općenito predlažu kao glavne karakteristike inducirane feroptoze [55–57], kao što je prikazano na slici 3B.

Slika 3. Patogeneza GSH uključena u: (A) mehanizam poliolnog puta [21]; (B) mehanizam feroptoze [58].

Wang et al. [58] dizajnirao je azobenzenski linker sa polipeptidom konjugovanim nitroimidazolom (DHM@RSL3), koji se cepao u anaerobnom okruženju. DHM@RSL3 nano-micele su ušle u ćelije i cijepale se kako bi oslobodile RSL3, neku vrstu GPX4 inhibitora. U međuvremenu, azobenzen iscrpljuje NADPH, ključni koenzim u sintezi GSH i Trx(SH)2, što rezultira smanjenjem sadržaja GSH i Trx(SH)2, i dvostruko inducira feroptozu za promicanje apoptoze tumorskih stanica. Zhao et al. [59] su pripremili RSL3 gvožđe FL induktor fluorescencije, koji je inkapsuliran u micele da cilja GPX4. Otkrili su da je u modelima ćelija humanog adenokarcinoma jajnika otpornih na lijekove pronađeno da su micele RSL3 30 puta toksične od aktivnih kontrolnih micela. Ovo je uglavnom zbog opadanja GSH, koji povećava sposobnost RSL3 da indukuje feroptozu.

5.3. Dizajn nano-lijekova zasnovan na sposobnosti redukcije GSH u mikrookruženju tumora

5.3.1. Teorija osjetljivosti na redoks u sistemu isporuke nano-lijekova

GSH se smatra primarnim merkaptan-disulfid redoks puferom kao redukcijskim agensom u ćelijama [60,61]. Koncentracija GSH u krvi je samo 0,1 do 1 posto od one u stanicama [62], stoga je krv obično okruženje u kojem GSH manje posreduje redoks reakcije. Međutim, tumorske ćelije su okarakterisane kao abnormalni metabolizam tumora i povišen nivo GSH kada se stvara oksidativni stres, a citosolna koncentracija GSH u tumorskim ćelijama (2–20 mmol·L −1) je 1000 puta veća od one u normalnim ćelijama, što rezultira predstavlja jaku redukcijsku sredinu [63,64]. Ova ekstremna razlika u koncentraciji čini GSH redoks okidačem u sistemu isporuke lijekova. Stoga se pojavio ciljni sistem za isporuku nano-lijekova osetljiv na redoks, čija je glavna karakteristika dizajna uvođenje reagujućih hemijskih veza u kičmu nosača, bočni lanac ili sredstvo za umrežavanje. Štaviše, ove hemijske veze su relativno stabilne u normalnom okruženju ljudskog tela, uključujući krv i tkivo, ali se lako podvrgavaju redoks reakcijama sa visokim koncentracijama GSH, što dovodi do cepanja hemijskih veza radi oslobađanja lekova i postizanja tačne isporuke lijekova u tumorskim stanicama [65,66].

5.3.2. Hemijske veze koje reaguju sa GSH

Hemijske veze osjetljive na redoks igraju ključnu ulogu u ciljanom sistemu za isporuku nano-lijekova osjetljivom na redoks, što je ekvivalentno prebacivanju sistema isporuke i direktno utiče na oslobađanje lijeka. Postoje neke uobičajene hemijske veze osjetljive na redoks, kao što su disulfidna veza (-SS-), mono tioeterska veza (-S-), konjugirana veza -Pt-O-, veza konjugirana diselenidom (-Se-Se-) , konjugirana veza -Se-N-, mono selenska veza (-Se-). Među njima, disulfidna veza se naširoko koristi za razvoj sistema za isporuku lijekova koji reagira na redukciju za terapiju raka. Vrste i karakteristike uobičajenih hemijskih veza osetljivih na redoks su prikazane u tabeli 1.

5.3.3. Dizajn nano-lijeka zasnovan na različitim hemijskim vezama Nano-lijek sa SS

Disulfidna veza (SS) je jedna od najčešćih veza osjetljivosti na redukciju GSH, a glavna metoda uvođenja -SS-a je dizajniranje prolijekova sa vezama osjetljivim na redoks. Shao et al. [67] uspješno kombinuje kamptotecin i hlorambucil disulfidnim vezama kako bi dizajnirao novi prolijek konjugiran s lijekom. Pod visokim koncentracijama GSH u tumorskim ćelijama, disulfidne veze se razaraju i efikasno oslobađaju ova dva leka protiv raka. U poređenju sa jednim lekom protiv raka, dva leka protiv raka mogu ne samo da efikasno ubiju ćelije tumora, već i značajno smanje neželjene nuspojave na normalne ćelije (slika 4A). Khorsand et al. [68] dizajnirali su razgradive micele koje reaguju na tiol koje se sastoje od visećeg bloka metakrilatnog polimera označenog disulfidom (PHMssEt) i hidrofilnog poli (etilen oksida) (PEO) bloka. Disulfidna veza u PEO-b-PHMssEt se cijepa pod djelovanjem GSH, što dovodi do nestabilnosti micela koje se same sklapaju. Ova nestabilnost micela izazvana GSH promijenila je njihovu distribuciju veličine i formirala velike agregate, čime je poboljšala oslobađanje inkapsuliranih lijekova protiv raka i omogućila multifunkcionalne primjene lijeka (Slika 4B). Sun et al. [69] pripremili su PTX-SS CIT nanočestice sa višom dvostrukom redoks osjetljivošću, bržim otpuštanjem lijeka specifičnog za tumor i jačom antitumorskom aktivnošću (slika 4C). Luo et al. [70] dizajnirali su nove konjugate koji reaguju na redoks premošćivanjem PTX i OA disulfidnom vezom (PTX-SS-OA). PTX SS-OA nanočestice su pokazale izrazitu superiornost u odnosu na taksol i PTX-OA, a tumor je skoro potpuno nestao kod miševa nakon tretmana nanočesticama (slika 4D). Nadalje, postoji mnogo dizajna nano-lijekova za antitumorsko liječenje zasnovano na disulfidnim vezama [71,72], koji pružaju obećavajuću perspektivu za dizajn sistema za isporuku nano-lijekova.

Slika 4. Šematski dizajn različitih lijekova protiv raka koji reaguju na GSH sa disulfidnom vezom. (A) Kamptotecin i hlorambucil konjugirani s disulfidnom vezom (SS) supramolekularni lijekovi protiv raka. Cepanje nanočestica na CPT sa GSH [67]; (B) GSH-reagirajući razgradive PEO-b PHMssEt micele. PEO-b-PHMssEt cijepanje na PEO-b-PHMSH sa GSH [68]; (C) cijepanje prolijekova PTX-SS-CIT premošćenih disulfidnom vezom na različita jedinjenja sa GSH [60]; (D) konjugati koji reaguju na redoks premošćavanjem PTX i OA sa disulfidnom vezom (PTX-SS-OA). PTX-SS-OA cijepanje na PTX sa GSH [70].''

Pitajte za više:

E-pošta:wallence.suen@wecistanche.com whatsapp: plus 86 15292862950