Design nano-léků založený na fyziologických vlastnostech glutathionu

Abstraktní:Glutathion (GSH) se účastní a reguluje důležité fyziologické funkce těla jako základní antioxidant. GSH hraje důležitou roli vantioxidační, detoxikaci, proti stárnutí, posílení imunity, aprotinádorová aktivita. Zde, na základě fyziologických vlastností GSH u různých onemocnění, zejména včetněsilná redukovatelnost GSH, vysoký obsah GSH v nádorových buňkáchaDeplece NADPH, když je GSSH redukován na GSH, obsáhle informujeme o principech návrhu, účinku a potenciálních problémech různýchnanoléky při cukrovce, rakovina, onemocnění nervového systému, fluorescenční sondy, zobrazování a jídlo. Tyto studie plně využívají fyziologické a patologické hodnoty GSH a vyvíjejí vynikající metody návrhunano-lékysouvisející s GSH, což ukazuje důležitý vědecký význam a významnou aplikační hodnotu pro výzkum souvisejících nemocí, kterých se GSH účastní nebo na které reaguje.

klíčová slova:glutathion; fyziologická vlastnost; nanoléčiva; Posouzení

Klikněte sem a získejte Cistanche pro anti-aging

1. Struktura glutathionu

Glutathion (GSH) byl objeven Hopkinsem v roce 1921 [1] a je to tripeptidová sloučenina vytvořená z kyseliny glutamové, cysteinu a glycinu prostřednictvím kondenzace peptidové vazby. Jeho chemický název je -L-glutamyl-L-cysteyl-glycin a molekulární vzorec je C10H17O6SN3 [2]. Existují dva druhy glutathionu, a to redukovaný glutathion (GSH) a oxidovaný glutathion (GSSG). Struktura GSH obsahuje aktivní redukční skupinu, sulfhydryl (-SH), který se snadno oxiduje a dehydrogenuje. Glutathionperoxidáza (GSH-Px) může katalyzovat GSH na GSSG, zatímco glutathionreduktáza (GSH-R) může použít nikotinamid adenindinukleotid fosfát (NADPH) ke katalýze GSSG na GSH. Hlavní aktivní skupinou GSSG je disulfidická vazba (-SS-). Biosyntéza GSH je přímo řízena systémem syntázy, spíše než jako syntéza proteinů na ribozomu [3–5]. Konkrétní struktura a postup syntézy jsou znázorněny na obrázku 1.

2. Fyziologická funkce GSH

GSH se nachází téměř v každé buňce těla [6] a je široce přítomen v řadě základních orgánů a tkání, jako je krev, játra a ledviny, ve kterých jsou játra a ledviny hlavními syntetickými, metabolickými a vylučovacími látkami. orgány GSH [7]. Obecně platí, že GSH hraje důležitou fyziologickou roli v organismech, zatímco GSSG je třeba redukovat na GSH, aby se dosáhlo fyziologické aktivity. GSH udržuje normální funkci imunitního systému a má zjevné antioxidační a detoxikační účinky. Jedinečná struktura GSH z něj navíc dělá významný lapač volných radikálů v těle [8–10]. Proto má GSH výhodu vynikající role v boji proti stárnutí, posilování imunity a protinádorové aktivitě [11–13]. Když se v buňce vytvoří malé množství H2O2, GSH redukuje H2O2 na H2O pomocí GSH-Px, přičemž se oxiduje na GSSG. GSSG přijímá H plus a redukuje se na GSH pomocí GSH-R, takže vychytávací reakce volných radikálů v těle může pokračovat, což chrání strukturu a funkci buněčné membrány před interferencí a poškozením oxidů [14]. Kromě toho má GSH také úlevovou aktivitu při neuronální excitační intoxikaci [15], kterou lze využít ke zmírnění toxických a vedlejších reakcí způsobených chemoterapií u pacientů s maligními nádory [16].

Přestože GSH hraje důležitou roli ve fyziologických funkcích, přetrvávají významná omezení, včetně jeho neschopnosti proniknout buněčnými membránami, snadné oxidace, špatné stability a nízké biologické dostupnosti, což dramaticky snižuje účinnost léčby u nemocí. Nanotechnologie je nová technologie dodávání léčiv, která umožňuje, aby biologicky aktivní látka byla vložena nebo modifikována na nanomateriálech, zejména pomocí fyzikálních, chemických a jiných metod konjugace. Nanočástice vytvořené zapouzdřením nebo samosestavením mohou nejen chránit biologickou aktivitu GSH, ale také zlepšit jeho stabilitu a biologickou dostupnost. Kromě toho lze silnou redukční charakteristiku GSH v mikroprostředí využít ke štěpení specifických redoxně reagujících nanočástic za účelem dosažení účinků řízeného uvolňování a cílených léků. Proto se v tomto přehledu zaměřujeme samostatně na principy návrhu, účinky a potenciální problémy různých nanoléků na základě fyziologických vlastností GSH u různých onemocnění. Současné výzvy a budoucí strategie vývoje nanoléků jsou navíc diskutovány z hlediska praktické aplikace.

3. Systémy podávání nano-léků

S vysokými investicemi a rychlým rozvojem v posledních letech se nanotechnologie uplatňují ve všech oblastech biomedicínské vědy a techniky [17]. Podobně nanotechnologie poskytuje nový přístup k dodávání léků, zejména cílenému dodávání léků. Systémy cíleného podávání léků dodávají požadované léky do nemocných částí a snižují distribuci do normálních tkání nebo buněk [18]. Výhody nanočástic jako systémů pro dodávání léčiv jsou popsány následovně: (1) Rozpouštějí nerozpustná léčiva a brání degradaci léčiva z těla; (2) prodloužit dobu oběhu léků; (3) vykazují dobrou biologickou kompatibilitu a biologickou rozložitelnost; (4) mají vysokou kapacitu naplnění léčiva a nízkou toxicitu; (4) selektivně dodávat léky do terapeutických cílů, jako je nádorová tkáň, nádorové buňky, s nádorem spojené stromální buňky a suborganely [19]. Dosud byla vyvinuta řada materiálů, jako jsou polymery, lipidy a anorganické materiály, které byly použity jako nosiče léčiv pro řízení uvolňování léčiv [20,21]. Kromě toho je stimulace reakce REDOX vysoce ceněna při léčbě onemocnění a je široce používána v nanomedicínském dodávání léků [22,23]. Potenciály REDOX v mikroprostředích jsou multivariabilní v různých tkáních a lze je použít k navrhování dodávacích systémů citlivých na REDOX. Proto může být návrh a výroba nanočástic citlivých na glutathion slibným přístupem pro cílené podávání léků [24].

4. Návrh nanoléku pro diabetes založený na fyziologických vlastnostech GSH

4.1. Design nano-léků založený na úloze GSH v oxidativním stresu

Oxidační stres byl potvrzen jako převládající patogeneze diabetu a hyperglykémie je primárním rizikovým faktorem pro podporu produkce reaktivních forem kyslíku (ROS). Existuje několik druhů ROS, jako je superoxidový aniont (O2−), peroxid vodíku (H2O2), hydroxylové radikály (OH−), volné radikály oxidu dusičitého (NO2) a oxidu dusnatého (NO) a tak dále [25]. Řada antioxidantů v normálním těle zahrnuje vitamín A, vitamín C, vitamín E, GSH, superoxiddismutázu (SOD), GSH-Px a GSH-R atd. [26]. Mezi nimi je GSH důležitým členem endogenního antioxidantu těla. Má výhody vychytávání volných radikálů, zmírnění poškození a udržování redoxní rovnováhy v buňkách [27]. Když je tělo napadeno volnými radikály, může být GSH použit jako přímý lapač volných radikálů, kosubstrát GSH-Px, kofaktor enzymatické reakce a konjugát mnoha endogenních reakcí pro zlepšení oxidačního stresu a zpomalení. rozvoj diabetu [28].

Je pozoruhodné, že mnoho výzkumníků navrhlo nanoléky pro léčbu diabetu a komplikací na základě fyziologické role GSH při oxidativním stresu. Wei Wang a kol. [29] navrhli nový antioxidační glutathion liposom (GSH-LIP) pro použití v terapii diabetické nefropatie. GSH-LIP by mohl nejen zlepšit biologickou dostupnost GSH, ale také odstranit přebytek ROS vyvolaný oxidačním stresem a zlepšit antioxidační kapacitu. Xiao a kol. [30] vyvinuli aplikační systém složený z enterosolventních nanočástic Eudragit L100- cysteinu/redukovaného glutathionu (Eul-cys/GSH NP) pro orální aplikaci inzulinu. Zjistili, že Eul-cys/GSH NP mohou podporovat střevní absorpci inzulinu a prodloužit dobu snížení krevního cukru, což naznačuje, že Eul-cys/GSH NP by mohly být slibným systémem podávání pro diabetickou terapii. Výše uvedené návrhy nanoléčiv GSH spočívaly v tom, že léky byly zapouzdřeny ve fosfolipidech nebo amfifilních materiálech, jako jsou lipozomy a micely, jak je znázorněno na obrázku 2A. Kuan a kol. [31] navrhli magnetické nanočástice vázané na GSH, které byly připraveny prostřednictvím kovalentní vazby GSH a nanočástic. Ukázalo se, že tato magnetická nanočástice vázaná na GSH by si mohla zachovat přibližně 87 procent enzymové aktivity a získat peptid podobný glukagonu-1, peptidový hormon pro léčbu diabetu 2. typu. Tento návrh nanoléčiva kombinoval SH v GSH se silla-NH2 kovalentní vazbou, jak je znázorněno na obrázku 2B. Mottaghipisheh a kol. [32] zjistili, že extrakty S. marianum, B. vulgaris a D. sophia kombinující nanočástice CuO vykazovaly určitý účinek na diabetické potkany a mohly významně snížit obsah GSH-Px, aby se zabránilo oxidaci GSH. Výzkumná skupina Gurunathan [33] používala Au nanočástice (AuNP) k léčbě cukrovky a kompenzovala mezery v antioxidačním obranném systému těla. Experimentální výsledky ukázaly, že hladiny GSH, superoxiddismutázy (SOD), katalázy a GSH-Px byly významně zvýšeny u diabetických potkanů ​​léčených AuNP inhibicí peroxidace lipidů a tvorby ROS během hyperglykémie. Většina těchto nanoléků jsou aktivní nanoenzymy, které přímo působí na GSH nebo GSH-Px za účelem regulace syntézy GSH, jak je znázorněno na obrázku 2C.

Obrázek 2. Nanoléky pro diabetes jsou navrženy na základě GSH. (A) GSH byl zapouzdřen do enterického eudragitu L100-cysteinu za účelem přípravy redukovaných nanočástic glutathionu (Eul-cys/GSH NP) [30]; (B) Magnetické nanočástice vázané na GSH (SPION@silica-NH2). GSH reagoval s anhydridem kyseliny maleinové za vzniku nanočástic SPION@silica-GSH [31]; (C) snímky nanočástic CuO a enzymu nanočástic Au z transmisního elektronového mikroskopu [32,33]

4.2. Design nano-léků založený na úloze GSH v polyolové dráze

Když se koncentrace glukózy v krvi u diabetu zvýší a překročí normální metabolickou kapacitu, mnoho glukózy se metabolizuje polyolovou cestou. Aldóza reduktáza (AR) v polyolové dráze redukuje přebytek glukózy na sorbitol pomocí NADPH jako kofaktoru. Velké množství akumulace sorbitolu vede k nadměrnému množství sorbitolu v buňce a poškozuje buněčnou permeabilitu v důsledku jejich nízké lipofility. Následně sorbitol nepronikne buněčnou membránou a dále způsobuje otok a rupturu buněk, což vede k řadě diabetu a rozvoji chronických komplikací [34–37]. GSSH může vyčerpat NADPH a být redukován na GSH pomocí GSH-R. Pokud je syntéza GSH normální nebo dojde k dramatickému poklesu GSH, spotřeba NADPH se nutně zvýší [21]. Polyolová dráha je tedy obrácena, aby se omezila produkce sorbitolu, což poskytuje nový cíl pro prevenci a zmírnění diabetu (obrázek 3A).

Tím, že polyolová dráha soutěží o NADPH s GSH-R, a tudíž vede ke snížení množství GSH, zvyšuje náchylnost k intracelulárnímu oxidativnímu stresu. Wang a kol. [29] připravili nové antioxidační GSH liposomy (GSH-LIP), které byly aplikovány v terapii diabetické nefropatie. Ukázalo se, že GSH-LIP účinně vyčerpal NADPH, aby zablokoval polyolovou dráhu, a dramaticky zmírnil diabetickou nefropatii, což poskytlo nový teoretický základ pro výzkum nanoléků v terapii diabetické nefropatie.

5. Návrh nanoléku pro nádor na základě fyziologických vlastností GSH

5.1. Nanočástice implementují doručovací mechanismy cílené na nádor

5.1.1. Pasivní cílení

Pasivní cílení závisí především na jeho nanometrové velikosti a mikrovaskulární struktuře v místě nádoru. Ve srovnání s normálními tkáněmi má většina nádorových tkání neúplnou vaskulární remodelaci v důsledku prudkého růstu a metabolismu, s mezerou 10–1000 nm mezi vaskulárním endotelem. Proto se nanočástice odpovídající velikosti mohou dostat do nádorových tkání krevním oběhem a jsou obohaceny v nádorových tkáních prostřednictvím efektu zvýšené permeability a retence (EPR) [38]. Obecně se má za to, že 10–100 nm nanočástice mají lepší účinek EPR [39]. Na druhou stranu, růstový stav a hustota vaskulárního endotelu v oblastech tumoru mohou také ovlivnit efekt EPR [40].

5.1.2. Aktivní cílení

Aby se dále zvýšil příjem nano-léčivého transportního systému nádorovými buňkami, může být povrch nanočástic modifikován aktivně cílenými ligandy, aby mohly vstupovat do buněk endocytózou zprostředkovanou receptorem-ligandem rozpoznáním specifických receptorů na povrchu nádorových buněk [41]. Ve srovnání s pasivním cílením mají aktivní cílené nanočástice silnější specificitu a mohou významně zvýšit intracelulární koncentraci léčiva v nádorových buňkách [42].

5.1.3. Mikroprostředí nádoru reagující na nano-léčivo dodávací systém

Ve srovnání s normálními tkáněmi mají nádorové tkáně a buňky jedinečné vlastnosti mikroprostředí, které odrážejí zejména následující aspekty [43]: (1) Hodnota pH: prostředí nádoru je slabě kyselé, pH 6,5–7.0. Inkluze nádorových buněk nebo lysozomy mají nižší pH 4.0–6.0 [44]; (2) nádorové buňky představují redukční prostředí, ve kterém může koncentrace glutathionu dosáhnout 1–10 mM, což je 100–1000krát více než v krevním prostředí [45]; (3) mitochondrie nádorových buněk představují oxidační prostředí, ve kterém může koncentrace reaktivních forem kyslíku (ROS) dosáhnout úrovně mM [46]. Systém dodávání nanoléčiv reagující na pH: změna tělesných vlastností při stimulaci pH způsobuje depolymerizaci nanočástic, aby bylo dosaženo cíle cíleného dodávání léku do nádorových buněk [47]. Redukční systém podávání nanoléčiv: podle rozdílu koncentrací mezi GSH v nádorových buňkách a normálních tkáních jsou navrženy nanonosiče citlivé na redukci. Disulfidické nebo disselenové vazby obsažené v materiálu nosiče mohou být redukovány intracelulárním GSH a rozbity, což způsobí drastické změny vlastností nosiče a uvolní zapouzdřené léky [48].

5.2. Návrh nano-léků založený na vyčerpání NADPH během GSSG snížení feroptózy

Ferroptóza je cesta programované buněčné smrti, která se vyznačuje změněnou homeostázou železa a redox. Obecně se má za to, že zvláštností feroptózy je akumulace ROS v závislosti na železe, což vede k peroxidaci lipidů a buněčné smrti [49]. Dále feroptóza také ukazuje pokles regulace jádrového enzymu GPX4 v antioxidačním systému (glutathionový systém). Lipidové peroxidy budou zachycovány GPX4. Pokud je aktivita GPX4 inhibována, bude produkováno více lipidových peroxidů, což vede k oxidační nerovnováze a výskytu feroptózy [50]. Inhibice GPX4 nebo modulace biosyntézy GSH za účelem snížení aktivity GPX4 jsou tedy dva typické přístupy k indukci ferroptózy. GSSG se redukuje na GSH pomocí GSH-R a konzumací NADPH. NADPH je nezbytným intracelulárním redukčním činidlem pro eliminaci hydroperoxidů lipidů a při narušení těchto procesů dochází ke spuštění ferroptózy [51]. Kromě toho je dalším mechanismem feroptózy kyselina arachidonová/kyselina adrenová (AA/AdA), ve které je dalším zjevným markerem ferroptózy akumulace PE-AA-OOH. Stojí za zmínku, že akumulace PE-AA-OOH v buňkách závisí na aktivitě GPX4 a PE-AA-OOH může být oxidován na PE-AA-OH v přítomnosti GPX4 [52–54]. Deplece NADPH, nadměrný PE-AA-OOH a nedostatek GPX4 jsou proto obecně navrženy jako hlavní charakteristiky indukované ferroptózy [55–57], jak ukazuje obrázek 3B.

Obrázek 3. Patogeneze GSH zapojeného do: (A) mechanismu polyolové dráhy [21]; (B) mechanismus feroptózy [58].

Wang a kol. [58] navrhli azobenzenový linker s polypeptidem konjugovaným s nitroimidazolem (DHM@RSL3), který se štěpil v anaerobním prostředí. Nanomicely DHM@RSL3 vstoupily do buněk a štěpily se za uvolnění RSL3, což je druh inhibitoru GPX4. Mezitím azobenzen vyčerpává NADPH, klíčový koenzym v syntéze GSH a Trx(SH)2, což má za následek snížení obsahu GSH a Trx(SH)2 a duální indukci ferroptózy k podpoře apoptózy nádorových buněk. Zhao a kol. [59] připravili induktor fluorescence RSL3 iron FL, který byl zapouzdřen do micel, aby cílil na GPX4. Zjistili, že v modelech buněk lidského adenokarcinomu vaječníků odolných vůči lékům bylo zjištěno, že micely RSL3 jsou 30krát toxické než aktivovatelné kontrolní micely. To je způsobeno především poklesem GSH, který zvyšuje schopnost RSL3 indukovat ferroptózu.

5.3. Návrh nano-léků založený na redukční schopnosti GSH v mikroprostředí nádoru

5.3.1. Teorie redox-senzitivní v nano-drogovém aplikačním systému

GSH je považován za primární merkaptan-disulfidový redoxní pufr jako redukční činidlo v buňkách [60,61]. Koncentrace GSH v krvi je pouze 0,1 procenta až 1 procento koncentrace v buňkách [62], takže krev je obvykle prostředím, ve kterém GSH méně zprostředkované redoxní reakce. Nádorové buňky jsou však charakterizovány jako abnormální nádorový metabolismus a zvýšená hladina GSH, když vzniká oxidační stres, a koncentrace cytosolického GSH v nádorových buňkách (2–20 mmol·L −1 ) je 1000krát vyšší než v normálních buňkách, což má za následek představující silně redukční prostředí [63,64]. Tento extrémní rozdíl v koncentraci činí GSH redoxním spouštěčem v systému dodávání léčiv. Proto se objevil redox-senzitivní cílený systém dodávání nanoléčiv, jehož hlavním konstrukčním rysem je zavedení responzivních chemických vazeb v nosném řetězci, postranním řetězci nebo síťovacím činidle. Kromě toho jsou tyto chemické vazby relativně stabilní v normálním prostředí lidského těla včetně krve a tkání, ale snadno podléhají redoxním reakcím s vysokými koncentracemi GSH, což vede ke štěpení chemických vazeb za uvolnění léčiv a dosažení přesného dodání. léků v nádorových buňkách [65,66].

5.3.2. Chemické vazby, které reagují s GSH

Redox-senzitivní chemické vazby hrají klíčovou roli v redox-senzitivním cíleném systému dodávání nanoléčiv, který je ekvivalentní přepínači systému podávání a přímo ovlivňuje uvolňování léku. Existují některé běžné redoxně citlivé chemické vazby, jako je disulfidová vazba (-SS-), monothioetherová vazba (-S-), konjugovaná vazba -Pt-O-, vazba konjugovaná s diselenidem (-Se-Se-) , konjugovaná vazba -Se-N-, mono selenová vazba (-Se-). Mezi nimi byla disulfidová vazba široce používána k vývoji systému podávání léčiva reagujícího na redukci pro terapii rakoviny. Druhy a charakteristiky běžných redox-senzitivních chemických vazeb jsou uvedeny v tabulce 1.

5.3.3. Design nano-léčiv založený na různých chemických vazbách Nano-léčivo s SS

Disulfidická vazba (SS) je jednou z nejběžnějších vazeb na snížení citlivosti na GSH a hlavní metodou zavedení -SS- je navrhnout proléčiva s redoxně citlivými vazbami. Shao a kol. [67] úspěšně zkombinovali kamptotecin a chlorambucil disulfidovými vazbami k návrhu nového proléčiva konjugovaného s lékem. Při vysokých koncentracích GSH v nádorových buňkách jsou disulfidové vazby zničeny a účinně uvolňují tato dvě protirakovinná léčiva. Ve srovnání s jedním protirakovinným lékem mohou dva protirakovinné léky nejen účinně zabíjet nádorové buňky, ale také výrazně snížit nepříznivé vedlejší účinky na normální buňky (obrázek 4A). Khorsand a kol. [68] navrhl thiol-responzivní degradovatelné micely sestávající ze závěsného disulfidem značeného methakrylátového polymerního bloku (PHMssEt) a hydrofilního poly (ethylenoxidového) (PEO) bloku. Disulfidová vazba v PEO-b-PHMssEt se štěpí působením GSH, což vede k nestabilitě samouspořádaných micel. Tato nestabilita micel spouštěná GSH změnila jejich distribuci velikosti a vytvořila velké agregáty, čímž se zvýšilo uvolňování zapouzdřených protirakovinných léčiv a poskytlo multifunkční aplikace pro dodávání léčiv (obrázek 4B). Sun a kol. [69] připravili nanočástice PTX-SS CIT s vyšší duální redoxní senzitivitou, rychlejším uvolňováním léčiva specifického pro nádor a silnější protinádorovou aktivitou (obrázek 4C). Luo a kol. [70] navrhli nové redox-responzivní konjugáty přemostěním PTX a OA disulfidovou vazbou (PTX-SS-OA). Nanočástice PTX SS-OA vykazovaly zřetelnou převahu nad taxolem i PTX-OA a nádor po léčbě nanočásticemi u myší téměř úplně zmizel (obrázek 4D). Kromě toho existuje mnoho návrhů nanoléčiv pro protinádorovou terapii založených na disulfidických vazbách [71,72], které poskytují slibnou perspektivu pro návrh systému podávání nanoléků.

Obrázek 4. Schematický návrh různých protirakovinných léků reagujících na GSH s disulfidovou vazbou. (A) Camptothecin a chlorambucil konjugované s disulfidovou vazbou (SS) supramolekulárními protinádorovými léky. štěpení nanočástic na CPT pomocí GSH [67]; (B) GSH-responzivní micely PEO-b PHMssEt. PEO-b-PHMssEt štěpení na PEO-b-PHMSH pomocí GSH [68]; (C) proléčiva PTX-SS-CIT přemostěná disulfidovou vazbou štěpí na různé sloučeniny pomocí GSH [60]; (D) redoxně responzivní konjugáty přemostěním PTX a OA disulfidovou vazbou (PTX-SS-OA). PTX-SS-OA štěpení na PTX pomocí GSH [70].''

Požádat o víc:

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