Gezielte MoSe₂-Nanopunkte in Albumin-Nanosphären: Ein biokompatibler Dual-Modality-Agent für synergistische Photothermale Radiotherapie

Zusammenfassung

Die Kombination photothermischer und radiotherapeutischer Funktionen in eine einzige, tumorspezifische Nanoplattform ist eine aufstrebende Strategie für Krebsbehandlung. Wir entwickelten einen Dual-Modality-Agenten durch Assemblierung ultrakleiner Molybdänselenid (MoSe₂) Nanopunkte (NDs) auf bovinem Serumalbumin (BSA) Nanosphären (NSs) und Konjugation von Folsäure (FA) via Polyethylenglykol (PEG) Linkern. Die resultierenden FA-MoSe₂@BSA NSs zeigen robuste Nahinfrarot (NIR)-Absorption und Röntgenabschwächung, was effiziente photothermale Erwärmung und Radiosensibilisierung ermöglicht. In vitro und in vivo Studien demonstrieren gezielte Tumoraufnahme, exzellente Biokompatibilität und eine synergistische Reduktion der Tumorviabilität bei Kombination mit NIR- und Röntgenbestrahlung. Diese Ergebnisse heben FA-MoSe₂@BSA NSs als vielversprechende, multifunktionale Plattform für klinische photothermale Radiotherapie (PTT-RT) hervor.

Hintergrund

Brustkrebs bleibt weltweit eine führende Ursache für Morbidität, mit hohen Metastasen- und Rezidivraten. Konventionelle Therapien – Chirurgie, Chemotherapie und Radiotherapie (RT) – kompromittieren oft gesundes Gewebe und leiden unter begrenzter Wirksamkeit, besonders in hypoxischen Tumormikroumgebungen. Jüngste Fortschritte in der photothermischen Therapie (PTT) demonstrierten minimalinvasive und hoch räumlich spezifische Wirkung, doch PTT allein scheitert häufig an der Ausrottung tiefer oder unzugänglicher Tumoren. Bemerkenswert ist, dass NIR-induzierte Hyperthermie die Tumoroxygenierung verbessern kann, was Krebszellen empfänglicher für RT macht. Daher bietet ein kombinierter PTT-RT-Ansatz einen überzeugenden Weg, therapeutische Ergebnisse zu maximieren, während Kollateralschäden gemindert werden.

Zweidimensionale Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs), einschließlich MoS₂, WS₂ und ReS₂, haben sich als potente NIR-Absorber und Radiosensibilisierer aufgrund ihrer einzigartigen elektronischen Eigenschaften etabliert. Molybdänselenid (MoSe₂) zeigte speziell starke photothermale Konversion und hohe Röntgenabschwächung, was es zu einem attraktiven Kandidaten für Dual-Mode-Therapie macht. Allerdings limitiert die inhärente Instabilität von MoSe₂ NDs in physiologischen Bedingungen ihre klinische Translation. Einkapselung in Proteinmatrizen wie BSA kann diese Nanopunkte stabilisieren und Biokompatibilität verleihen, während FA-Konjugation Tumor-Targeting-Fähigkeit via Folsäurerezeptoren bereitstellt, die auf vielen Krebszellen überexprimiert sind.

Methoden

Materialien

FA-PEG₅₀₀₀-NHS und CH₃-PEG₅₀₀₀-NHS (Shanghai Ponsure Biotech) wurden für FA-Anbindung eingesetzt. Bulk MoSe₂ (Sigma-Aldrich), BSA (≥98 % Reinheit) und Standard-Zellkultur-Reagenzien (Corning) wurden durchgehend verwendet.

Herstellung von FA-MoSe₂@BSA NSs

Bulk MoSe₂ (50 mg) wurde in 25 mL destilliertem Wasser dispersiert, soniziert (950 W, 25 kHz) für 12 h (2 s an/3 s aus) um ultrakleine NDs zu erzeugen. Zentrifugation (6000 rpm, 25 min; dann 12.000 rpm, 30 min) sammelte den Überstand, der MoSe₂ NDs enthielt. Zugabe von 25 mg BSA und Rühren für 6 h bei 25 °C (pH 7,4) bildete Koazervate, die mit 0,5 % Glutaraldehyd (250 µL) vernetzt wurden. Dialyse (1 Tag) entfernte überschüssiges Vernetzungsmittel, produzierend MoSe₂@BSA NSs. Für FA-Konjugation wurden 8 mg FA-PEG₅₀₀₀-NHS mit den NSs gemischt und 2 h gerührt; ein paralleler Batch mit CH₃-PEG₅₀₀₀-NHS (8 mg) diente als nicht-zielgerichtete Kontrolle. Dialyse vollendete die Reinigung, und UV-Vis-Spektroskopie quantifizierte FA-Beladung (280 nm), was eine Einkapselungseffizienz von 10,5 ± 0,11 % ergab.

Charakterisierung

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) bestätigten ultramikroskopische ND-Kerne (≈3,8 nm) und sphärische NS-Morphologie (≈140 nm). Dynamische Lichtstreuung (DLS) zeigte stabile hydrodynamische Größen in Wasser, PBS und Zellmedium. UV-Vis-Spektren zeigten starke NIR-Absorption für sowohl MoSe₂ NDs als auch FA-MoSe₂@BSA NSs. Röntgenbeugung (XRD) offenbarte charakteristische (002) Peaks, was wenige-Schicht MoSe₂-Strukturen anzeigt. Fourier-Transform-Infrarot (FTIR) Spektren bestätigten Amidbindungbildung zwischen FA und BSA. Photothermale Stabilität wurde über drei Laserzyklen (808 nm, 1 W cm⁻²) bewertet, zeigte keinen Verlust im Temperaturanstieg. Computertomographie (CT) Bildgebung demonstrierte konzentrationsabhängige Hounsfield-Einheiten (HU), was Röntgenabschwächungsfähigkeiten bestätigt.

Zelluläre Aufnahme & Biokompatibilität

FITC-Markierung und Konfokalmikroskopie zeigten verstärkte Aufnahme von FA-konjugierten NSs in 4T1-Zellen im Vergleich zu nicht-zielgerichteten NSs; Blockierung mit überschüssigem freiem FA reduzierte die Aufnahme, was folat-vermittelte Endozytose bestätigt. Induktiv gekoppelte Plasma-Atomemissionsspektroskopie (ICP-AES) quantifizierte Mo-Gehalt, was konfokale Befunde bestätigte. Hämolyse-Assays (0–400 µg mL⁻¹) zeigten <5 % Hämolyse, und CCK-8 Viabilitätsassays (0,01–0,4 mg mL⁻¹) indizierten >90 % Zellüberleben nach 24 h, was geringe Zytotoxizität demonstriert.

In vitro Photothermale Radiotherapie

Unter 808 nm Bestrahlung (1 W cm⁻², 5 min) erhöhten FA-MoSe₂@BSA NSs die lokale Temperatur um ~41 °C (200 µg mL⁻¹), während PBS nur ~1,5 °C anstieg. Kombiniert mit Röntgendosen (0–5 Gy) reduzierten FA-konjugierte NSs die 4T1-Viabilität signifikant, erreichten 92,8 % Zelltod bei 5 Gy mit 1 W cm⁻² NIR, überlegen gegenüber nicht-zielgerichteten NSs oder Einzelmodalitäten.

In vivo Biodistribution & Photothermischer Effekt

Fluoreszenz- und ICP-AES-Mapping in 4T1-tragenden Balb/c-Nacktmäusen zeigten Spitzen-Tumoranreicherung von FA-MoSe₂@BSA NSs nach 24 h post-Injektion (10 mg kg⁻¹). Blut-Halbwertszeiten betrugen 0,91 h (Distribution) und 16,96 h (Elimination). NIR-Bestrahlung (808 nm, 1 W cm⁻², 5 min) nach 24 h induzierte einen ~22 °C Anstieg der Tumortemperatur, was in vivo photothermale Leistung bestätigt.

In vivo Photothermale Radiotherapie

In einer Sechsgruppen-Studie (PBS, NIR, RT, MoSe₂@BSA + NIR + RT, FA-MoSe₂@BSA + NIR, FA-MoSe₂@BSA + NIR + RT) erreichte die FA-konjugierte Dual-Mode-Gruppe die stärkste Tumorsuppression (≥80 % Volumenreduktion) über 30 Tage, ohne signifikanten Gewichtsverlust oder Organtoxizität (H&E und vollständige Blutbilder im Normalbereich).

Schlussfolgerungen

Wir haben erfolgreich FA-konjugierte MoSe₂-Nanopunkte, eingekapselt in BSA-Nanosphären, hergestellt, wodurch stabile, tumor-zielgerichtete und biokompatible Dual-Modality-Agenten erzielt wurden. Ihre starke NIR-Absorption und Röntgenabschwächung ermöglichen synergistische photothermale und radiosensibilisierende Effekte, was überlegene in vitro und in vivo Tumorablation mit minimaler systemischer Toxizität ergibt. Diese multifunktionalen Nanosphären stellen eine überzeugende Plattform für zukünftige klinische Translation kombinierter photothermale Radiotherapie dar.

Abkürzungen

BSA

Bovines Serumalbumin (Bovine serum albumin)

FA

Folsäure (Folic acid)

MoSe₂

Molybdänselenid (Molybdenum selenide)

NDs

Nanopunkte (Nanodots)

NIR

Nahinfrarot (Near infrared)

NSs

Nanosphären (Nanospheres)

PEG

Polyethylenglykol (Polyethylene glycol)

PTT

Photothermale Therapie (Photothermal therapy)

RT

Radiotherapie (Radiotherapy)