Разработка нанопрепаратов на основе физиологических свойств глутатиона

Абстрактный:Глутатион (GSH) участвует в важных физиологических функциях организма и регулирует их как незаменимый антиоксидант. GSH играет важную роль вантиокислительный, детоксикация, против старения, повышение иммунитета, ипротивоопухолевое действие. При этом, исходя из физиологических свойств GSH при различных заболеваниях, в основном в том числесильная восстанавливаемость GSH, высокое содержание GSH в опухолевых клетках, иИстощение NADPH, когда GSSH восстанавливается до GSH, мы подробно сообщаем о принципах проектирования, эффекте и потенциальных проблемах различныхнанопрепараты при сахарном диабете, рак, заболевания нервной системы, флуоресцентные зонды, визуализация и продукты питания. Эти исследования в полной мере используют физиологическую и патологическую ценность GSH и разрабатывают превосходные методы проектирования.нанопрепаратысвязанных с GSH, что показывает важную научную значимость и выдающуюся прикладную ценность для исследований родственных заболеваний, в которых участвует GSH или на которые он реагирует.

Ключевые слова:глутатион; физиологическое свойство; нанопрепараты; обзор

Нажмите здесь, чтобы получить Cistanche для омоложения

1. Структура глутатиона

Глутатион (GSH) был открыт Хопкинсом в 1921 году [1] и представляет собой трипептидное соединение, образованное глутаминовой кислотой, цистеином и глицином посредством конденсации пептидной связи. Его химическое название – L-глутамил-L-цистеил-глицин, а молекулярная формула – C10H17O6SN3 [2]. Существует два вида глутатиона, а именно восстановленный глутатион (GSH) и окисленный глутатион (GSSG). В состав GSH входит активная восстановительная группа сульфгидрил (-SH), которая легко окисляется и дегидрируется. Глутатионпероксидаза (GSH-Px) может катализировать GSH в GSSG, тогда как глутатионредуктаза (GSH-R) может использовать никотинамидадениндинуклеотидфосфат (NADPH) для катализа GSSG в GSH. Основной активной группой GSSG является дисульфидная связь (-SS-). Биосинтез GSH напрямую контролируется синтазной системой, а не подобно синтезу белка на рибосоме [3–5]. Конкретная структура и процедура синтеза показаны на рисунке 1.

2. Физиологическая функция GSH

GSH обнаружен почти в каждой клетке организма [6] и широко представлен в различных жизненно важных органах и тканях, таких как кровь, печень и почки, в которых печень и почки являются основными синтетическими, метаболическими и выделительными органами. органов ГШ [7]. Как правило, GSH играет важную физиологическую роль в организме, в то время как GSSG необходимо восстановить до GSH для достижения физиологической активности. GSH поддерживает нормальную функцию иммунной системы и обладает очевидным антиоксидантным и дезинтоксикационным действием. Более того, уникальная структура GSH делает его важным поглотителем свободных радикалов в организме [8-10]. Следовательно, GSH обладает преимуществами отличной роли в борьбе со старением, повышении иммунитета и противоопухолевой активности [11–13]. Когда в клетке образуется небольшое количество H2O2, GSH восстанавливает H2O2 до H2O с помощью GSH-Px, при этом окисляясь до GSSG. GSSG принимает H plus и восстанавливается до GSH с помощью GSH-R, так что реакция удаления свободных радикалов в организме может продолжаться, что защищает структуру и функцию клеточной мембраны от вмешательства и повреждения оксидов [14]. Кроме того, GSH также обладает облегчающей активностью при интоксикации возбуждения нейронов [15], что может быть использовано для облегчения токсических и побочных реакций, вызванных химиотерапией у пациентов со злокачественными опухолями [16].

Хотя GSH играет важную роль в физиологических функциях, сохраняются значительные ограничения, включая его неспособность проникать через клеточные мембраны, легкое окисление, плохую стабильность и низкую биодоступность, что резко снижает эффективность лечения заболеваний. Нанотехнология — это новая технология доставки лекарств, которая позволяет внедрять биологически активные вещества или модифицировать их в наноматериалы главным образом с помощью физических, химических и других методологий конъюгации. Наночастицы, образованные путем инкапсуляции или самосборки, могут не только защищать биологическую активность GSH, но также улучшать его стабильность и биодоступность. Кроме того, сильное восстановительное свойство GSH в микроокружении может быть использовано для расщепления специфических окислительно-восстановительных наночастиц с целью достижения эффекта контролируемого высвобождения и мишени для лекарств. Поэтому в этом обзоре мы отдельно сосредоточимся на принципах разработки, эффектах и ​​потенциальных проблемах различных нанопрепаратов, основанных на физиологических свойствах GSH при различных заболеваниях. Кроме того, текущие проблемы и будущие стратегии разработки нанолекарств также обсуждаются с точки зрения практического применения.

3. Системы доставки нано-лекарств

Благодаря высоким инвестициям и быстрому развитию в последние годы нанотехнологии применяются во всех областях биомедицинской науки и техники [17]. Точно так же нанотехнология обеспечивает новый подход к доставке лекарств, особенно адресной доставке лекарств. Системы адресной доставки лекарств доставляют желаемые лекарства к больным частям и уменьшают распространение в нормальные ткани или клетки [18]. Преимущества наночастиц в качестве систем доставки лекарств описаны следующим образом: (1) растворение нерастворимых лекарств и предотвращение деградации лекарств из организма; (2) продлить время обращения наркотиков; (3) обладают хорошей биосовместимостью и биоразлагаемостью; (4) обладают высокой лекарственной нагрузкой и низкой токсичностью; (4) избирательно доставлять лекарства к терапевтическим мишеням, таким как опухолевая ткань, опухолевые клетки, опухолеассоциированные стромальные клетки и суборганеллы [19]. К настоящему времени было разработано множество материалов, таких как полимеры, липиды и неорганические материалы, которые используются в качестве носителей лекарств для контроля высвобождения лекарств [20,21]. Кроме того, стимуляция REDOX-ответа высоко ценится при лечении заболеваний и широко используется в наномедицинской доставке лекарств [22,23]. REDOX-потенциалы в микроокружении многовариантны в разных тканях и могут быть использованы для создания REDOX-чувствительных систем доставки. Следовательно, разработка и производство наночастиц, чувствительных к глутатиону, может быть многообещающим подходом к адресной доставке лекарств [24].

4. Дизайн нанопрепаратов для лечения диабета на основе физиологических свойств GSH

4.1. Дизайн нанопрепаратов, основанный на роли GSH в окислительном стрессе

Было подтверждено, что окислительный стресс является преобладающим патогенезом диабета, а гипергликемия является основным фактором риска, способствующим выработке активных форм кислорода (АФК). Существует несколько видов АФК, таких как супероксидный анион (O2-), перекись водорода (H2O2), гидроксильный радикал (OH-), свободные радикалы диоксида азота (NO2) и оксида азота (NO) и т. д. [25]. Ряд антиоксидантов в нормальном организме включает витамин А, витамин С, витамин Е, GSH, супероксиддисмутазу (СОД), GSH-Px и GSH-R и т. д. [26]. Среди них GSH является важным членом эндогенного антиоксиданта организма. Его преимущества заключаются в удалении свободных радикалов, уменьшении повреждений и поддержании окислительно-восстановительного равновесия в клетках [27]. Когда организм атакуют свободные радикалы, GSH можно использовать в качестве прямого поглотителя свободных радикалов, ко-субстрата GSH-Px, кофактора ферментативной реакции и конъюгата многих эндогенных реакций для улучшения окислительного стресса и задержки развитие сахарного диабета [28].

Примечательно, что многие исследователи разработали нанопрепараты для лечения диабета и осложнений, основанные на физиологической роли GSH в окислительном стрессе. Вэй Ван и др. [29] разработали новую антиоксидантную глутатионовую липосому (GSH-LIP) для применения в терапии диабетической нефропатии. GSH-LIP может не только улучшить биодоступность GSH, но также удалить избыток АФК, вызванный окислительным стрессом, и улучшить антиоксидантную способность. Сяо и др. [30] разработали систему доставки, состоящую из кишечных наночастиц цистеина/восстановленного глутатиона Eudragit L100- (Eul-cys/GSH NP) для пероральной доставки инсулина. Они обнаружили, что наночастицы Eul-cys/GSH могут способствовать всасыванию инсулина в кишечнике и продлевать время снижения уровня сахара в крови, что позволяет предположить, что наночастицы Eul-cys/GSH могут быть многообещающей системой доставки для диабетической терапии. Вышеупомянутые конструкции нано-лекарств GSH заключались в том, что лекарства были инкапсулированы в фосфолипиды или амфифильные материалы, такие как липосомы и мицеллы, как показано на рисунке 2A. Куан и др. [31] разработали магнитные наночастицы, связанные с GSH, которые были получены за счет ковалентной связи GSH и наночастиц. Это показало, что эта магнитная наночастица, связанная с GSH, может сохранять приблизительно 87-процентную ферментативную активность и получать глюкагоноподобный пептид -1, пептидный гормон для лечения диабета 2 типа. Эта конструкция нанопрепарата сочетала SH в GSH с силла-NH2 ковалентной связью, как показано на рисунке 2B. Моттагипише и др. [32] обнаружили, что экстракты S. marianum, B. vulgaris и D. sophia, сочетающие наночастицы CuO, оказывали определенное влияние на диабетических крыс и могли значительно снижать содержание GSH-Px для предотвращения окисления GSH. Исследовательская группа Gurunathan [33] использовала наночастицы золота (AuNP) для лечения диабета и компенсировала лазейки в системе антиоксидантной защиты организма. Экспериментальные результаты показали, что уровни GSH, супероксиддисмутазы (СОД), каталазы и GSH-Px были значительно повышены у крыс с диабетом, получавших AuNP, за счет ингибирования перекисного окисления липидов и образования АФК во время гипергликемии. Большинство этих нанопрепаратов представляют собой активные наноферменты, которые непосредственно действуют на GSH или GSH-Px, регулируя синтез GSH, как показано на рисунке 2C.

Рисунок 2. Нанопрепараты для лечения диабета разработаны на основе GSH. (A) GSH инкапсулировали в Enteric eudragit L100-цистеин для получения восстановленных наночастиц глутатиона (Eul-cys/GSH NPs) [30]; (B) Магнитные наночастицы, связанные с GSH (SPION@silica-NH2). GSH реагировал с малеиновым ангидридом с образованием наночастиц SPION@silica-GSH [31]; (C) изображения наночастиц CuO и фермента наночастиц Au [32,33] с помощью просвечивающего электронного микроскопа.

4.2. Дизайн нанопрепаратов, основанный на роли GSH в пути полиолов

Когда концентрация глюкозы в крови при диабете увеличивается и превышает нормальную метаболическую способность, большая часть глюкозы метаболизируется через полиоловый путь. Альдозоредуктаза (AR) в полиольном пути восстанавливает избыток глюкозы до сорбита с помощью НАДФН в качестве кофактора. Накопление большого количества сорбита приводит к избытку сорбита в клетке и нарушению проницаемости клеток из-за их низкой липофильности. Впоследствии сорбитол не проникает через клеточную мембрану и в дальнейшем вызывает набухание и разрыв клеток, индуцируя ряд диабетов и развитие хронических осложнений [34–37]. GSSH может истощать NADPH и восстанавливаться до GSH с помощью GSH-R. Если синтез GSH нормальный или происходит резкое снижение уровня GSH, потребление НАДФН неизбежно увеличивается [21]. Таким образом, полиоловый путь реверсируется, чтобы ограничить выработку сорбита, что обеспечивает новую цель для профилактики и облегчения диабета (рис. 3А).

Конкурируя за NADPH с GSH-R и, следовательно, приводя к уменьшению количества GSH, полиоловый путь повышает восприимчивость к внутриклеточному окислительному стрессу. Ван и др. [29] получили новые антиоксидантные липосомы GSH (GSH-LIP), которые применялись в терапии диабетической нефропатии. Это показало, что GSH-LIP эффективно истощает NADPH, блокируя путь полиолов, и значительно облегчает диабетическую нефропатию, что обеспечивает новую теоретическую основу для исследования нанопрепаратов в терапии диабетической нефропатии.

5. Дизайн нанопрепаратов для опухолей на основе физиологических свойств GSH

5.1. Наночастицы реализуют механизмы доставки к опухоли

5.1.1. Пассивный таргетинг

Пассивное нацеливание в основном зависит от ее нанометрового размера и микрососудистой структуры в месте опухоли. По сравнению с нормальными тканями, большинство опухолевых тканей имеют неполное сосудистое ремоделирование из-за интенсивного роста и метаболизма с зазором между эндотелием сосудов 10–1000 нм. Следовательно, наночастицы соответствующего размера могут достигать опухолевых тканей через кровообращение и накапливаются в опухолевых тканях за счет эффекта повышенной проницаемости и удерживания (ЭПР) [38]. Принято считать, что наночастицы размером 10–100 нм обладают лучшим ЭПР-эффектом [39]. С другой стороны, состояние роста и плотность эндотелия сосудов в участках опухоли также могут влиять на эффект ЭПР [40].

5.1.2. Активный таргетинг

Чтобы еще больше усилить поглощение опухолевыми клетками системы доставки нанолекарств, поверхность наночастиц можно модифицировать с помощью активно направленных лигандов, чтобы они могли проникать в клетки посредством эндоцитоза, опосредованного рецептор-лигандом, путем распознавания специфических рецепторов на поверхность опухолевых клеток [41]. По сравнению с пассивным нацеливанием наночастицы активного нацеливания обладают большей специфичностью и могут значительно увеличивать внутриклеточную концентрацию лекарственного средства в опухолевых клетках [42].

5.1.3. Система доставки нанопрепаратов, реагирующая на микроокружение опухоли

По сравнению с нормальными тканями, опухолевые ткани и клетки обладают уникальными характеристиками микроокружения, в основном отражающими следующие аспекты [43]: (1) значение рН: опухолевая среда слабокислая, рН 6,5–7.0. Включения опухолевых клеток или лизосомы имеют более низкий pH 4,0–6,0 [44]; (2) опухолевые клетки представляют собой восстановительную среду, в которой концентрация глутатиона может достигать 1–10 мМ, что в 100–1000 раз выше, чем в среде крови [45]; (3) митохондрии опухолевых клеток представляют собой окислительную среду, в которой концентрация активных форм кислорода (АФК) может достигать уровня мМ [46]. pH-зависимая система доставки нанолекарств: изменение свойств организма при стимуляции pH заставляет наночастицы деполимеризоваться для достижения цели адресной доставки лекарств в опухолевые клетки [47]. Редукционная система доставки нанолекарств: в соответствии с разницей концентраций GSH в опухолевых клетках и нормальных тканях разработаны чувствительные к редукции наноносители. Дисульфидные или дисселеновые связи, содержащиеся в материале-носителе, могут восстанавливаться внутриклеточным GSH и разрываться, что вызывает резкое изменение свойств носителя и высвобождение инкапсулированных лекарств [48].

5.2. Дизайн нанопрепаратов на основе истощения NADPH во время восстановления GSSG при ферроптозе

Ферроптоз представляет собой запрограммированный путь гибели клеток, который характеризуется изменением гомеостаза железа и окислительно-восстановительного потенциала. Обычно считается, что особенностью ферроптоза является накопление АФК, зависящих от железа, что приводит к перекисному окислению липидов и гибели клеток [49]. Кроме того, ферроптоз также показывает снижение регуляции основного фермента GPX4 в антиоксидантной системе (система глутатиона). Перекиси липидов удаляются с помощью GPX4. Если активность GPX4 подавляется, будет производиться больше перекисей липидов, что приводит к окислительному дисбалансу и возникновению ферроптоза [50]. Следовательно, ингибирование GPX4 или модуляция биосинтеза GSH для снижения активности GPX4 являются двумя типичными подходами к индукции ферроптоза. GSSG восстанавливается до GSH с помощью GSH-R и потребляет NADPH. НАДФН является важным внутриклеточным восстановителем для элиминации гидроперекисей липидов, и при нарушении этих процессов запускается ферроптоз [51]. Кроме того, другим механизмом ферроптоза является арахидоновая кислота/адренокислота (AA/AdA), при котором накопление PE-AA-OOH является еще одним очевидным маркером ферроптоза. Стоит отметить, что накопление ФЭ-АА-ООН в клетках зависит от активности GPX4, а ФЭ-АА-ООН может окисляться до ФЭ-АА-ОН в присутствии GPX4 [52–54]. Следовательно, истощение NADPH, избыточный PE-AA-OOH и дефицит GPX4 обычно предлагаются в качестве основных характеристик индуцированного ферроптоза [55–57], как показано на рисунке 3B.

Рисунок 3. Патогенез GSH, вовлеченный в: (A) механизм полиолового пути [21]; (Б) механизм ферроптоза [58].

Ван и др. [58] разработали азобензольный линкер с полипептидом, конъюгированным с нитроимидазолом (DHM@RSL3), который расщепляется в анаэробных условиях. Наномицеллы DHM@RSL3 проникали в клетки и расщеплялись с высвобождением RSL3, своего рода ингибитора GPX4. Между тем, азобензол истощает НАДФН, ключевой кофермент в синтезе GSH и Trx(SH)2, что приводит к снижению содержания GSH и Trx(SH)2 и двойной индукции ферроптоза, что способствует апоптозу опухолевых клеток. Чжао и др. [59] подготовили индуктор флуоресценции железа RSL3 FL, который был инкапсулирован в мицеллы для нацеливания на GPX4. Они обнаружили, что в моделях клеток аденокарциномы яичников человека с лекарственной устойчивостью мицеллы RSL3 оказались в 30 раз токсичными, чем активируемые контрольные мицеллы. В основном это связано со снижением уровня GSH, что усиливает способность RSL3 индуцировать ферроптоз.

5.3. Дизайн нанопрепаратов на основе восстановительной способности GSH в микроокружении опухоли

5.3.1. Теория окислительно-восстановительной чувствительности в системе доставки нанолекарств

GSH считается первичным меркаптан-дисульфидным окислительно-восстановительным буфером в качестве восстанавливающего агента в клетках [60,61]. Концентрация GSH в крови составляет всего 0,1-1% от концентрации в клетках [62], следовательно, кровь обычно является средой, в которой GSH в меньшей степени опосредует окислительно-восстановительные реакции. Однако опухолевые клетки характеризуются аномальным опухолевым метаболизмом и повышенным уровнем GSH при возникновении окислительного стресса, а цитозольная концентрация GSH в опухолевых клетках (2–20 ммоль·л-1) в 1000 раз выше, чем в нормальных клетках, что приводит к представляет сильную восстановительную среду [63,64]. Эта крайняя разница в концентрации делает GSH окислительно-восстановительным триггером в системе доставки лекарств. Таким образом, появилась чувствительная к окислительно-восстановительному потенциалу адресная система доставки нанолекарств, главной конструктивной особенностью которой является введение чувствительных химических связей в основную цепь носителя, боковую цепь или сшивающий агент. Более того, эти химические связи относительно стабильны в нормальной среде человеческого организма, включая кровь и ткани, но легко подвергаются окислительно-восстановительным реакциям с высокими концентрациями GSH, что приводит к разрыву химических связей с высвобождением лекарств и достижению точной доставки. препаратов в опухолевых клетках [65,66].

5.3.2. Химические связи, реагирующие с GSH

Редокс-чувствительные химические связи играют решающую роль в редокс-чувствительной адресной системе доставки нанолекарств, что эквивалентно переключению системы доставки и напрямую влияет на высвобождение лекарства. Существуют некоторые распространенные окислительно-восстановительные химические связи, такие как дисульфидная связь (-SS-), монотиоэфирная связь (-S-), сопряженная связь -Pt-O-, диселенидно-сопряженная связь (-Se-Se-) , сопряженная связь -Se-N-, моноселеновая связь (-Se-). Среди них дисульфидная связь широко использовалась для разработки системы доставки лекарств, реагирующей на восстановление, для лечения рака. Виды и характеристики обычных окислительно-восстановительных химических связей показаны в таблице 1.

5.3.3. Дизайн нано-лекарства на основе различных химических связей Нано-лекарство с СС

Дисульфидная связь (SS) является одной из наиболее распространенных связей, чувствительных к восстановлению GSH, и основной метод введения -SS- заключается в разработке пролекарств с окислительно-восстановительными связями. Шао и др. [67] успешно объединили камптотецин и хлорамбуцил дисульфидными связями для создания нового пролекарства, конъюгированного с лекарственным средством. При высоких концентрациях GSH в опухолевых клетках дисульфидные связи разрушаются и эффективно высвобождают эти два противораковых препарата. По сравнению с одним противоопухолевым препаратом два противоопухолевых препарата могут не только эффективно убивать опухолевые клетки, но и заметно снижать неблагоприятные побочные эффекты на нормальные клетки (рис. 4А). Хорсанд и др. [68] разработали чувствительные к тиолу разлагаемые мицеллы, состоящие из бокового блока метакрилатного полимера, меченного дисульфидом (PHMssEt), и блока гидрофильного поли(этиленоксида) (PEO). Дисульфидная связь в ПЭО-b-PHMssEt расщепляется под действием GSH, что приводит к нестабильности самоорганизующихся мицелл. Эта вызванная GSH нестабильность мицелл изменила их распределение по размерам и сформировала большие агрегаты, тем самым увеличивая высвобождение инкапсулированных противоопухолевых препаратов и обеспечивая многофункциональные приложения для доставки лекарств (рис. 4B). Сан и др. [69] получили наночастицы PTX-SS CIT с более высокой двойной окислительно-восстановительной чувствительностью, более быстрым высвобождением опухолеспецифического лекарства и более сильной противоопухолевой активностью (рис. 4C). Луо и др. [70] разработали новые окислительно-восстановительные конъюгаты, соединив PTX и OA дисульфидной связью (PTX-SS-OA). Наночастицы PTX SS-OA продемонстрировали явное превосходство как над таксолом, так и над PTX-OA, и опухоль почти полностью исчезла у мышей после лечения наночастицами (рис. 4D). Кроме того, существует множество конструкций нанопрепаратов для противоопухолевой терапии, основанных на дисульфидных связях [71,72], которые открывают многообещающие перспективы для разработки системы доставки нанолекарств.

Рисунок 4. Схематическая конструкция различных противоопухолевых препаратов, чувствительных к GSH, с дисульфидной связью. (A) Камптотецин и хлорамбуцил, конъюгированные с дисульфидной связью (SS), супрамолекулярные противораковые препараты. Расщепление наночастиц до СРТ с помощью GSH [67]; (B) GSH-чувствительные разлагаемые мицеллы PEO-b PHMssEt. расщепление PEO-b-PHMssEt до PEO-b-PHMSH с помощью GSH [68]; (C) пролекарства PTX-SS-CIT с дисульфидными мостиками расщепляются до различных соединений с помощью GSH [60]; (D) конъюгаты, чувствительные к окислительно-восстановительному потенциалу, путем соединения PTX и OA дисульфидной связью (PTX-SS-OA). Расщепление PTX-SS-OA до PTX с помощью GSH [70].''

Попросить больше:

Электронная почта: wallence.suen@wecistanche.com WhatsApp: плюс 86 15292862950