Nano-lægemiddeldesign baseret på glutathions fysiologiske egenskaber

Abstrakt:Glutathion (GSH) er involveret i og regulerer vigtige fysiologiske funktioner i kroppen som en essentiel antioxidant. GSH spiller en vigtig rolle ianti-oxidation, afgiftning, anti aldring, øge immuniteten, oganti-tumor aktivitet. Heri, baseret på de fysiologiske egenskaber af GSH i forskellige sygdomme, hovedsagelig herunderstærk reduktion af GSH, højt GSH-indhold i tumorceller, ogNADPH-depletering, når GSSH reduceres til GSH, rapporterer vi omfattende designprincipper, effekt og potentielle problemer for forskelligenano-lægemidler til diabetes, Kræft, sygdomme i nervesystemet, fluorescerende prober, billeddannelse og mad. Disse undersøgelser gør fuld brug af den fysiologiske og patologiske værdi af GSH og udvikler fremragende designmetoder tilnano-stofferrelateret til GSH, som viser den vigtige videnskabelige betydning og fremtrædende anvendelsesværdi for den relaterede sygdomsforskning, som GSH deltager i eller reagerer på.

Nøgleord:glutathion; fysiologiske egenskaber; nano-lægemidler; anmeldelse

Klik her for at få Cistanche til anti-aging

1. Glutathionstruktur

Glutathion (GSH) blev opdaget af Hopkins i 1921 [1], og er en tripeptidforbindelse dannet af glutaminsyre, cystein og glycin gennem peptidbindingskondensering. Dets kemiske navn er -L-glutamyl-L-cysteyl-glycin, og den molekylære formel er C10H17O6SN3 [2]. Der er to slags glutathion, nemlig reduceret glutathion (GSH) og oxideret glutathion (GSSG). Strukturen af ​​GSH indeholder en aktiv reducerende gruppe, sulfhydryl (-SH), som let oxideres og dehydrogeneres. Glutathionperoxidase (GSH-Px) kan katalysere GSH til GSSG, mens glutathionreduktase (GSH-R) kan bruge nikotinamidadenindinukleotidphosphat (NADPH) til at katalysere GSSG til GSH. Den vigtigste aktive gruppe af GSSG er disulfidbinding (-SS-). GSH-biosyntesen er direkte styret af syntasesystemet, snarere end som proteinsyntesen på ribosomet [3-5]. Den specifikke struktur og synteseprocedure er vist i figur 1.

2. Fysiologisk funktion af GSH

GSH findes i næsten hver eneste celle i kroppen [6] og findes i vid udstrækning i en række essentielle organer og væv, såsom blod, lever og nyrer, hvor leveren og nyrerne er de vigtigste syntetiske, metaboliske og ekskretoriske organer af GSH [7]. Generelt spiller GSH en vigtig fysiologisk rolle i organismer, mens GSSG skal reduceres til GSH for at opnå fysiologisk aktivitet. GSH opretholder immunsystemets normale funktion og har tydelige antioxidant- og afgiftningseffekter. Desuden gør den unikke struktur af GSH det til at være en fremtrædende fri-radikal-fjerner i kroppen [8-10]. Derfor har GSH fordelene ved fremragende roller i anti-aging, forbedring af immunitet og anti-tumoraktivitet [11-13]. Når en lille mængde H2O2 genereres i cellen, reducerer GSH H2O2 til H2O med GSH-Px, mens det oxideres til GSSG. GSSG accepterer H plus og reducerer til GSH med GSH-R, så den fjernende reaktion af frie radikaler i kroppen kan fortsætte, hvilket beskytter cellemembranens struktur og funktion mod interferens og beskadigelse af oxider [14]. Derudover har GSH også en lindrende aktivitet på neuronal excitatorisk forgiftning [15], som kan bruges til at lindre de toksiske reaktioner og bivirkninger forårsaget af kemoterapi hos patienter med ondartede tumorer [16].

Selvom GSH spiller en vigtig rolle i fysiologiske funktioner, er der stadig betydelige begrænsninger, herunder dets manglende evne til at trænge ind i cellemembraner, let oxidation, dårlig stabilitet og lav biotilgængelighed, hvilket dramatisk kompromitterer effektiviteten af ​​behandlingen ved sygdomme. Nanoteknologi er en ny teknologi til lægemiddellevering, der gør det biologisk aktive stof indlejret eller modificeret på nanomaterialerne hovedsageligt gennem fysiske, kemiske og andre konjugationsmetoder. Nanopartikler dannet ved indkapsling eller selvsamling kan ikke kun beskytte den biologiske aktivitet af GSH, men også forbedre dets stabilitet og biotilgængelighed. Derudover kan den stærke reduktionskarakteristik af GSH i mikromiljøet bruges til at spalte specifikke redox-responsive nanopartikler for at opnå effekter af kontrolleret frigivelse og mål for lægemidler. Derfor fokuserer vi i denne anmeldelse separat på designprincipperne, virkningerne og potentielle problemer for forskellige nanolægemidler baseret på GSHs fysiologiske egenskaber i forskellige sygdomme. Desuden diskuteres aktuelle udfordringer og fremtidige strategier for udvikling af nano-lægemidler også ud fra et praktisk anvendelsessynspunkt.

3. Nano-Drug Delivery Systems

Med de høje investeringer og hurtige udvikling i de senere år er nanoteknologi blevet anvendt inden for alle områder af biomedicinsk videnskab og teknologi [17]. Tilsvarende giver nanoteknologi en ny tilgang til lægemiddellevering, især målrettet lægemiddellevering. Målrettede lægemiddelleveringssystemer leverer ønskede lægemidler til de syge dele og reducerer distributionen til normale væv eller celler [18]. Fordelene ved nanopartikler som lægemiddelleveringssystemer er beskrevet som følger: (1) Opløs uopløselige lægemidler og forhindre lægemiddelnedbrydning fra kroppen; (2) forlænge cirkulationstiden for lægemidler; (3) udvise god biokompatibilitet og bionedbrydelighed; (4) har høj lægemiddelbelastningskapacitet og lav toksicitet; (4) selektivt levere lægemidler til terapeutiske mål, såsom tumorvæv, tumorceller, tumorassocierede stromale celler og underorganeller [19]. Indtil videre er adskillige materialer såsom polymerer, lipider og uorganiske materialer blevet udviklet og brugt som lægemiddelbærere til at kontrollere frigivelsesadfærden af ​​lægemidler [20,21]. Derudover har REDOX-responsstimulering været højt værdsat i behandlingen af ​​sygdom og er meget udbredt til nanommedicinsk lægemiddellevering [22,23]. REDOX-potentialer i mikromiljøer er multivariable i forskellige væv og kan bruges til at designe REDOX-følsomme leveringssystemer. Derfor kan design og fremstilling af glutathion-responsive nanopartikler være en lovende tilgang til målrettet lægemiddellevering [24].

4. Nano-lægemiddeldesign til diabetes baseret på GSHs fysiologiske egenskaber

4.1. Nano-lægemiddeldesign baseret på GSH's rolle i oxidativ stress

Oxidativt stress er blevet bekræftet som en fremherskende patogenese for diabetes, og hyperglykæmi er en primær risikofaktor for at fremme produktionen af ​​reaktive oxygenarter (ROS). Der er flere slags ROS, såsom superoxidanion (O2−), hydrogenperoxid (H2O2), hydroxylradikal (OH−), nitrogendioxid (NO2) og nitrogenoxid (NO) frie radikaler og så videre [25]. En række antioxidanter i den normale krop omfatter vitamin A, vitamin C, vitamin E, GSH, superoxiddismutase (SOD), GSH-Px og GSH-R osv. [26]. Blandt dem er GSH et vigtigt medlem af kroppens endogene antioxidant. Det har fordelene ved at opfange frie radikaler, lindre skader og opretholde redoxligevægt i celler [27]. Når kroppen angribes af frie radikaler, kan GSH bruges som en direkte fjernelse af frie radikaler, et co-substrat af GSH-Px, en cofaktor for en enzymatisk reaktion og et konjugat af mange endogene reaktioner for at forbedre oxidativ stress og forsinkelse udvikling af diabetes [28].

Navnlig har mange forskere designet nano-lægemidler til behandling af diabetes og komplikationer baseret på GSH's fysiologiske rolle i oxidativt stress. Wei Wang et al. [29] designet et nyt antioxidant glutathion liposom (GSH-LIP) til anvendelse i behandlingen af ​​diabetisk nefropati. GSH-LIP kunne ikke kun forbedre biotilgængeligheden af ​​GSH, men også fjerne overskydende ROS induceret af oxidativ stress og forbedre antioxidantkapaciteten. Xiao et al. [30] udviklede et leveringssystem bestående af enterisk Eudragit L100--cystein/reducerede glutathionnanopartikler (Eul-cys/GSH NP'er) til oral administration af insulin. De fandt ud af, at Eul-cys/GSH NP'er kunne fremme den intestinale absorption af insulin og forlænge tiden for blodsukkerreduktion, hvilket antydede, at Eul-cys/GSH NP'er kunne være et lovende leveringssystem til diabetisk terapi. Ovenstående nanolægemiddeldesign af GSH var, at lægemidler blev indkapslet i phospholipider eller amfifile materialer, såsom liposomer og miceller, som vist i figur 2A. Kuan et al. [31] designede de GSH-bundne magnetiske nanopartikler, som blev fremstillet gennem den kovalente bindingsbinding af GSH og nanopartikler. Det havde indikeret, at denne GSH-bundne magnetiske nanopartikel kunne bevare cirka 87 procent enzymaktivitet og opnå glukagon-lignende peptid -1, et peptidhormon til type 2-diabetesbehandling. Dette design af nano-lægemiddel kombinerede SH i GSH med silla-NH2 ved kovalent binding, som vist i figur 2B. Mottaghipisheh et al. [32] opdagede, at S. marianum-, B. vulgaris- og D. sophia-ekstrakter, der kombinerede CuO-nanopartikler, udviste en vis effekt på diabetiske rotter, og de kunne reducere indholdet af GSH-Px væsentligt for at forhindre GSH-oxidation. Gurunathan-forskningsgruppen [33] brugte Au-nanopartikler (AuNP'er) til at behandle diabetes og kompenserede for smuthullerne i kroppens antioxidantforsvarssystem. De eksperimentelle resultater indikerede, at niveauerne af GSH, superoxiddismutase (SOD), katalase og GSH-Px var signifikant forøget i diabetiske rotter behandlet med AuNP'er ved hæmning af lipidperoxidation og ROS-dannelse under hyperglykæmi. De fleste af disse nano-lægemidler er aktive nano-enzymer, der direkte virker på GSH eller GSH-Px for at regulere GSH-syntese, som vist i figur 2C.

Figur 2. Nanolægemidler til diabetes er designet baseret på GSH. (A) GSH blev indkapslet i enterisk eudragit L100--cystein for at fremstille reducerede glutathionnanopartikler (Eul-cys/GSH NP'er) [30]; (B) GSH-bundne magnetiske nanopartikler (SPION@silica-NH2). GSH blev omsat med maleinsyreanhydrid til dannelse af SPION@silica-GSH nanopartikler [31]; (C) transmissionselektronmikroskopbilleder af CuO nanopartikler og Au nanopartikler enzym [32,33]

4.2. Nano-lægemiddeldesign baseret på GSH's rolle i polyolbanen

Når blodsukkerkoncentrationen ved diabetes stiger og overstiger den normale metaboliske kapacitet, metaboliseres meget glukose gennem polyolvejen. Aldose-reduktase (AR) i polyol-vejen reducerer den overskydende glucose til sorbitol af NADPH som en cofaktor. En stor mængde sorbitolakkumulering resulterer i overdreven sorbitol i cellen og beskadiger cellepermeabiliteten på grund af deres lave lipofilicitet. Efterfølgende trænger sorbitol ikke ind i cellemembranen og forårsager yderligere cellehævelse og brud, hvilket inducerer en række diabetes og kroniske komplikationer udvikling [34-37]. GSSH kan udtømme NADPH og reduceres til GSH af GSH-R. Hvis syntesen af ​​GSH er normal, eller hvis der sker et dramatisk fald i GSH, er NADPH-forbruget bundet til at stige [21]. Derfor vendes polyolvejen for at begrænse produktionen af ​​sorbitol, hvilket giver et nyt mål for forebyggelse og lindring af diabetes (figur 3A).

Ved at konkurrere om NADPH med GSH-R og dermed resultere i en reduceret mængde af GSH, øger polyol-vejen modtageligheden for intracellulært oxidativt stress. Wang et al. [29] fremstillede nye antioxidant-GSH-liposomer (GSH-LIP), som blev anvendt i behandlingen af ​​diabetisk nefropati. Det indikerede, at GSH-LIP effektivt udtømte NADPH for at blokere polyol-vejen og dramatisk lettede diabetisk nefropati, hvilket gav et nyt teoretisk grundlag for nano-lægemiddelforskningen i terapien af ​​diabetisk nefropati.

5. Nano-lægemiddeldesign til tumor baseret på GSHs fysiologiske egenskaber

5.1. Nanopartikler implementerer tumormålretningsleveringsmekanismer

5.1.1. Passiv målretning

Passiv målretning afhænger hovedsageligt af dens nanometerstørrelse og den mikrovaskulære struktur på tumorstedet. Sammenlignet med normalt væv har de fleste tumorvæv ufuldstændig vaskulær ombygning på grund af kraftig vækst og metabolisme med et mellemrum på 10-1000 nm mellem vaskulært endotel. Derfor kan nanopartikler af den tilsvarende størrelse nå tumorvæv gennem blodcirkulationen og beriges i tumorvæv gennem den forbedrede permeabilitet og retention (EPR) effekt [38]. Det antages generelt, at 10-100 nm nanopartikler har en bedre EPR-effekt [39]. På den anden side kan væksttilstanden og tætheden af ​​vaskulært endotel i tumorområder også påvirke EPR-effekten [40].

5.1.2. Aktiv målretning

For yderligere at øge tumorcellernes optagelse af nano-lægemiddelleveringssystemet kan overfladen af ​​nanopartiklerne modificeres med aktivt målrettede ligander, så de kan trænge ind i cellerne gennem receptor-ligand-medieret endocytose ved at genkende specifikke receptorer på overflade af tumorceller [41]. Sammenlignet med passiv målretning har aktive målrettede nanopartikler stærkere specificitet og kan signifikant øge den intracellulære lægemiddelkoncentration i tumorceller [42].

5.1.3. Tumor Microenvironment Responsive Nano-Drug Delivery System

Sammenlignet med normalt væv præsenterer tumorvæv og celler unikke egenskaber ved mikromiljøet, hvilket hovedsageligt afspejler følgende aspekter [43]: (1) pH-værdi: tumormiljøet er svagt surt, pH 6,5-7.0. Tumorcelleindeslutninger eller lysosomer har en lavere pH på 4.0–6.0 [44]; (2) tumorceller præsenterer et reduktivt miljø, hvor glutathionkoncentrationen kan nå 1-10 mM, hvilket er 100-1000 gange end blodmiljøet [45]; (3) mitokondrier af tumorceller præsenterer et oxidativt miljø, hvor koncentrationen af ​​reaktive oxygenarter (ROS) kan nå mM-niveau [46]. pH-responsivt nano-lægemiddelleveringssystem: Ændringen af ​​kroppens egenskaber under pH-stimulering får nanopartiklerne til at depolymerisere for at opnå formålet med målrettet lægemiddellevering i tumorceller [47]. Reduktivt nano-lægemiddelleveringssystem: i henhold til koncentrationsforskellen mellem GSH i tumorceller og normalt væv er reduktionsfølsomme nanobærermaterialer designet. Disulfifid- eller dis-selenbindinger indeholdt i bærermaterialet kan reduceres af intracellulært GSH og brydes, hvilket forårsager drastiske ændringer i bærerens egenskaber og frigiver de indkapslede lægemidler [48].

5.2. Nano-lægemiddeldesign baseret på NADPH-depletering under GSSG-reduktion i ferroptose

Ferroptose er en programmeret celledødsvej, der er kendetegnet ved ændret jern- og redox-homeostase. Det særlige ved ferroptose menes generelt at være akkumulering af ROS, der er afhængig af jern, hvilket resulterer i forekomsten af ​​lipidperoxidation og celledød [49]. Endvidere viser ferroptose også faldet i reguleringen af ​​kerneenzymet GPX4 i det antioxidative system (glutathionsystemet). Lipidperoxiderne vil blive fjernet af GPX4. Hvis aktiviteten af ​​GPX4 hæmmes, vil flere lipidperoxider blive produceret, hvilket resulterer i oxidativ ubalance og forekomst af ferroptose [50]. Derfor er GPX4-hæmning eller modulering af GSH-biosyntese for at reducere GPX4-aktivitet to typiske tilgange til ferroptose-induktion. GSSG reduceres til GSH med GSH-R og indtager NADPH. NADPH er et væsentligt intracellulært reduktionsmiddel til eliminering af lipidhydroperoxider, og når disse processer er svækket, udløses ferroptose [51]. Derudover er en anden mekanisme for ferroptose arachidonsyre/adreninsyre (AA/AdA), hvor akkumuleringen af ​​PE-AA-OOH er en anden tydelig markør for ferroptose. Det er værd at bemærke, at akkumuleringen af ​​PE-AA-OOH i celler afhænger af aktiviteten af ​​GPX4, og PE-AA-OOH kan oxideres til PE-AA-OH i nærvær af GPX4 [52-54]. Derfor foreslås NADPH-udtømning, overdreven PE-AA-OOH og GPX4-mangel generelt som hovedegenskaberne ved induceret ferroptose [55-57], som vist i figur 3B.

Figur 3. Patogenese af GSH involveret i: (A) mekanismen af ​​polyol-vejen [21]; (B) mekanismen for ferroptose [58].

Wang et al. [58] designede azobenzen-linkeren med nitroimidazol-konjugeret polypeptid (DHM@RSL3), som spaltede under et anaerobt miljø. DHM@RSL3 nano-miceller kom ind i cellerne og spaltede for at frigive RSL3, en slags GPX4-hæmmer. I mellemtiden udtømmer azobenzen NADPH, et nøglecoenzym i syntesen af ​​GSH og Trx(SH)2, hvilket resulterer i faldende indhold af GSH og Trx(SH)2 og dobbelt inducering af ferroptose for at fremme tumorcelleapoptose. Zhao et al. [59] fremstillede en RSL3 jern FL fluorescensinducer, som blev indkapslet i miceller for at målrette GPX4. De fandt, at i lægemiddelresistente humane ovarieadenokarcinomcellemodeller blev RSL3-miceller fundet at være 30 gange toksiske end de aktiverbare kontrolmiceller. Dette skyldes hovedsageligt et fald i GSH, som øger RSL3's evne til at inducere ferroptose.

5.3. Nano-lægemiddeldesign baseret på GSH-reduktionsevne i tumormikromiljø

5.3.1. Teori om Redox-sensitive i Nano-Drug Delivery System

GSH betragtes som den primære mercaptan-disulfid redoxbuffer som et reduktionsmiddel i celler [60,61]. Koncentrationen af ​​GSH i blodet er kun 0,1 procent til 1 procent af koncentrationen i celler [62], derfor er blod normalt det miljø, hvor GSH mindre medierede redoxreaktioner. Tumorceller karakteriseres dog som unormal tumormetabolisme og forhøjet GSH-niveau, når der produceres oxidativt stress, og den cytosoliske GSH-koncentration i tumorceller (2-20 mmol·L -1) er 1000 gange højere end i normale celler, hvilket resulterer i præsenterer stærkt reducerende miljø [63,64]. Denne ekstreme forskel i koncentration gør GSH til at være en redox-trigger i lægemiddelleveringssystem. Derfor er der opstået et redox-følsomt målrettet nano-lægemiddel-leveringssystem, hvis vigtigste designfunktion er indførelsen af ​​responsive kemiske bindinger i bærerygraden, sidekæden eller tværbindingsmidlet. Desuden er disse kemiske bindinger relativt stabile i det normale miljø i den menneskelige krop inklusive blod og væv, men de er lette at gennemgå redoxreaktioner med høje koncentrationer af GSH, hvilket fører til spaltning af kemiske bindinger for at frigive lægemidler og opnå nøjagtig levering af lægemidler i tumorceller [65,66].

5.3.2. Kemiske bindinger, der reagerer med GSH

De redox-følsomme kemiske bindinger spiller en afgørende rolle i det redox-følsomme målrettede nano-lægemiddel-leveringssystem, som svarer til skiftet af leveringssystemet og direkte påvirker lægemiddelfrigivelsen. Der er nogle almindelige redox-følsomme kemiske bindinger, såsom disulfidbinding (-SS-), monothioetherbinding (-S-), den konjugerede binding af -Pt-O-, diselenid-konjugeret binding (-Se-Se-) , den konjugerede binding af -Se-N-, monoselenbinding (-Se-). Blandt dem er disulfidbindingen blevet brugt i vid udstrækning til at udvikle et reduktionsresponsivt lægemiddelleveringssystem til cancerterapi. Typerne og karakteristikaene af almindelige redoxfølsomme kemiske bindinger er vist i tabel 1.

5.3.3. Nano-lægemiddeldesign baseret på forskellige kemiske bindinger Nano-lægemiddel med SS

Disulfifidbinding (SS) er en af ​​de mest almindelige GSH-reduktionsfølsomhedsbindinger, og den vigtigste metode til at introducere -SS- er at designe prodrugs med redoxfølsomme bindinger. Shao et al. [67] med succes kombinerede camptothecin og chlorambucil med disulfidbindinger for at designe et nyt lægemiddelkonjugeret prodrug. Under høje koncentrationer af GSH i tumorceller ødelægges disulfidbindingerne og frigiver effektivt disse to anticancer-lægemidler. Sammenlignet med et enkelt anticancerlægemiddel kan to anticancerlægemidler ikke kun effektivt dræbe tumorceller, men også især reducere de negative bivirkninger på normale celler (figur 4A). Khorsand et al. [68] designede de thiol-reagerende nedbrydelige miceller bestående af en vedhængende disulfid-mærket methacrylatpolymerblok (PHMssEt) og en hydrofil poly(ethylenoxid) (PEO) blok. Disulfidbindingen i PEO-b-PHMssEt spaltes under påvirkning af GSH, hvilket fører til ustabiliteten af ​​de selvsamlede miceller. Denne GSH-udløste micelle-ustabilitet ændrede deres størrelsesfordeling og dannede store aggregater, hvorved frigivelsen af ​​indkapslede anticancerlægemidler forbedredes og gav multifunktionelle lægemiddelleveringsapplikationer (figur 4B). Sun et al. [69] forberedte PTX-SS CIT-nanopartikler med højere dobbelt redox-følsomhed, hurtigere tumorspecifik lægemiddelfrigivelse og stærkere antitumoraktivitet (Figur 4C). Luo et al. [70] designede de nye redox-responsive konjugater ved at bygge bro mellem PTX og OA med en disulfidbinding (PTX-SS-OA). PTX SS-OA nanopartikler udviste tydelig overlegenhed i forhold til både taxol og PTX-OA, og tumoren forsvandt næsten fuldstændigt i mus efter behandlingen med nanopartikler (figur 4D). Ydermere er der mange nanolægemiddeldesigns til antitumorterapi baseret på disulfifidbindinger [71,72], som giver et lovende perspektiv for designet af nanolægemiddelleveringssystemet.

Figur 4. Skematisk design af forskellige GSH-responsive anticancerlægemidler med disulfifidbinding. (A) Camptothecin og chlorambucil konjugeret med disulfifidbinding (SS) supramolekylære anticancerlægemidler. Nanopartikler spalter til CPT med GSH [67]; (B) GSH-responsive nedbrydelige PEO-b PHMssEt-miceller. PEO-b-PHMssEt spaltning til PEO-b-PHMSH med GSH [68]; (C) de disulfifidbindingsbrokoblede prodrugs PTX-SS-CIT spalter til forskellige forbindelser med GSH [60]; (D) redox-responsive konjugater ved at bygge bro mellem PTX og OA med disulfifidbinding (PTX-SS-OA). PTX-SS-OA spaltning til PTX med GSH [70].''

Spørg for mere:

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