Fe(III)-Hemin-gepfropftes SBA-15: Fortschrittlicher Katalysator für Farbstoffabbau, Wirkstofffreisetzung und H₂O₂-Detektion

Zusammenfassung

Porphyrin-Eisen-Moleküle (Hemin) wurden erfolgreich auf das kanalisierte mesoporöse Silica von SBA-15 gepfropft (FeIX-SBA-15), wobei die angehefteten Hemin-Moleküle als Enzymmimik für die Katalyse von Oxidationsreaktionen fungierten. In Gegenwart von H₂O₂ degradierte das präparierte FeIX-SBA-15-Komposit effektiv den industriellen Farbstoff Orange II und katalysierte Tetramethylbenzidinhydrochlorid (TMB) sowohl in Lösung als auch auf der Membran, woraus die colorimetrische H₂O₂-Detektion erreicht wurde. Zudem zeigten die Hemin-gepfropften Komposite hohe Beladungskapazität des Antikrebs-Wirkstoffs Doxorubicin-Hydrochlorid (DOX) mit nachhaltigem Freisetzungsverhalten, überwacht durch Echtzeit-Zellanalyse, was zu verbesserter inhibitorischer Wirkung auf Krebszellwachstum im Vergleich zu DOX/SBA-15 führte. Das Hemin-modifizierte mesoporöse Silica-Nanokomposit bietet eine integrierte Nanoplattform mit vielversprechenden biomedizinischen Anwendungen.

Einleitung

Um die Nachteile natürlicher Enzyme wie Anfälligkeit für Denaturierung unter rauen Umweltbedingungen zu überwinden, wurden beträchtliche Anstrengungen in die Entwicklung von Enzymmimiken hoher Stabilität investiert, einschließlich Graphenoxid, Hemin und Metall-Nanopartikeln [1, 2]. Unter diesen künstlichen Enzymen ist Hemin, das aktive Zentrum von Häm-Proteinfamilien, ein bekanntes natürliches Metalloporphyrin [3]. Als Katalysator können Metalloporphyrin-Komplexe die Oxidation von Umweltschadstoffen wie polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAHs) und Azofarbstoffen effektiv katalysieren, die Substratmoleküle in funktionale sauerstoffhaltige organische Verbindungen umwandeln oder sie in harmlose Verbindungen abbauen [4–6]. Dennoch kann die katalytische Aktivität von Hemin unter oxidativer Selbstdegradation, molekularer Aggregation zu inaktiven Dimern und niedriger Löslichkeit in wässrigen Puffern leiden [7]. Immobilisierung von Hemin auf festem Träger mit hoher Oberfläche hat eine ökonomische und dennoch effiziente Strategie bereitgestellt, um seine hohe katalytische Leistung zu erreichen, während der unbefriedigende Aktivitätsverlust bei praktischer Nutzung minimiert wird.

Aufgrund der Machbarkeit struktureller Anpassungen an äußeren und inneren Oberflächen [8] haben verschiedene Arten mesoporöser Silicium-Nanomaterialien (MSNs) mit Metalloporphyrin zunehmende Aufmerksamkeit für diverse Anwendungen erlangt. Zum Beispiel berichteten Huang et al. über Hemin-basierte mesoporöse Silica-Nanoreaktoren mit bemerkenswerter Peroxidase-ähnlicher Aktivität [9]. Barbosa et al. entwickelten immobilisierte Metalloporphyrine auf Fe₃O₄@SiO₂ mesoporösen Submikrosphären als wiederverwendbare biomimetische Katalysatoren für Kohlenwasserstoffoxidation [10]. Sehr kürzlich berichteten Sun et al. über einen neuartigen Chemilumineszenz-Sensor basierend auf Dual-Aptamer-Bioerkennung und Hemin-inkapsuliertem mesoporösem Silica für Thrombin-Detektion [11]. Unter verschiedenen MSNs weist SBA-15 (Santa Barbara Amorphous-15) eine hexagonale Porenstruktur und einstellbare Porengröße von 3–10 nm auf, machbar für chemisches Pfropfen funktionaler Moleküle [8, 12]. Als Siliciummaterial hat SBA-15 niedrigere biologische Toxizität, und große Mengen labiler Si-OH-Gruppen auf den Oberflächen von SBA-15 können für das Pfropfen anderer funktionaler Moleküle genutzt werden, um SBA-15 mehr Funktionalität zu verleihen [13]. Es wurde berichtet, dass SBA-15 als Träger für Enzymimmobilisierung, Antikörperbeladung und Wirkstofffreisetzung verwendet werden kann [14–16].

DOX als effektives chemotherapeutisches Antibiotikum ist Erstlinienbehandlung für ein breites Spektrum an Krebs, aber seine Nebenwirkungen in der Klinik bleiben ein ernstes Problem [17]. Um die therapeutische Wirksamkeit zu verbessern und gleichzeitig die systemische Toxizität von DOX zu verringern, wurden beträchtliche Anstrengungen in molekulares Design sowie Formulierungsentwicklung verschiedener Wirkstoffabgabesysteme investiert. Nachdem mesoporöses MCM-41 (Mobil Composition of Matter No. 41) 2001 erstmals als Wirkstoffträger verwendet wurde [18], besaßen MSNs einschließlich SBA-15 vorteilhafte Eigenschaften [19, 20] aufgrund ihrer inhärenten Porenstruktur, erwünscht für Wirkstoffbeladung und -freisetzung. Dennoch können komplizierte chemische Modifikationen an MSNs ihre praktische Anwendung limitieren.

In dieser Studie pfropften wir erfolgreich Hemin auf SBA-15, um ein Kompositmaterial (FeIX-SBA-15) aufzubauen (Schema 1), in dem nicht nur die enzymartige Aktivität von Hemin erhalten blieb, sondern auch effiziente Einkapselung und nachhaltige Freisetzung von Doxorubicin-Hydrochlorid (DOX) erreicht wurden, wie durch die Wachstumskurve inkubierter Krebszellen mittels Echtzeit-Zellanalysator (RTCA) Technologie [21–23] reflektiert. Besonders wurde eine relativ hohe Beladungskapazität von DOX für DOX/FeIX-SBA-15 im Vergleich zu unserer früheren Arbeit mit Ferrocencarbonsäure-modifiziertem SBA-15 (FCA-SBA-15) [24] erzielt, was auf das verfeinerte π-π-Stacking zwischen gepfropftem FeIX und DOX im Träger zurückzuführen sein mag. Zusätzlich ermöglichte die feste Form von FeIX-SBA-15, die auf einem kommerziellen Filtermembran immobilisiert war, ein Fließkatalyse-Format für effektiven Farbstoffabbau und colorimetrische Detektion von Wasserstoffperoxid.

Materialien und Methoden

Materialien

Alle Reagenzien waren analytischer Grad (A.R.) und wurden ohne weitere Reinigung verwendet. Triblock-Copolymer Pluronic P123 (EO₂₀PO₂₀EO₂₀, MW = 5800) wurde von Sigma-Aldrich (Deutschland) bezogen. 3-Aminopropyltriethoxysilan (APTES), Tetraethylorthosilikat (TEOS), Säure Orange II und Tetramethylbenzidinhydrochlorid wurden von Shanghai Aladdin Biological Technology Co., Ltd (China) bezogen. Hemin und Doxorubicin-Hydrochlorid wurden von Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd (China) bezogen. Trypsin-EDTA-Lösung wurde von Beyotime Biotechnology Co., Ltd (China) bezogen. Zellkulturmedien (RPMI-1640) waren von GE Healthcare Life Sciences Co., Ltd (China). Fetales Rindserum (FBS) wurde von Gibco Co., Ltd (USA) bezogen. Penicillin und Streptomycin waren von Thermo Fisher Scientific Co., Ltd. Die A549-Zelllinie wurde von der American Type Culture Collection (ATCC) bezogen.

Chemisches Pfropfen von SBA-15 für Wirkstoffbeladung

SBA-15 wurde wie zuvor berichtet [12] hergestellt. Anschließend wurden 0,40 g SBA-15 in 140 ml Methylbenzol bei 80 °C dispersiert und APTES (1,2 ml) zugesetzt. Dann wurde das Gemisch weitere 8 h gerührt und durch Zentrifugation bei 5000 rpm für 5 min separiert. Nach Waschen mit Ethanol und Wasser wurden die resultierenden Produkte APTES-SBA-15 bei 80 °C getrocknet. Hemin (0,15 g) wurde zuerst in 30 ml DMSO dispersiert und anschließend APTES-SBA-15 (0,60 g) hinzugefügt, und das Gemisch wurde weitere 7 h bei 70 °C gerührt. Das resultierende Produkt wurde zentrifugiert, gewaschen und schließlich getrocknet, was FeIX-SBA-15 ergab.

Nach Validierung, dass FeIX erfolgreich auf SBA-15 gepfropft wurde, wurde FeIX-SBA-15 (0,50 g) in 20 ml deionisiertem Wasser mit DOX·HCl (2 mg/ml) suspendiert und 24 h bei 37 °C gerührt, um DOX zu beladen. Dann wurden die Produkte bei 5000 rpm für 5 min zentrifugiert. Nach Waschen, Trocknen und Mahlen wurden die finalen Produkte gesammelt (DOX/FeIX-SBA-15).

Charakterisierungen

Die morphologischen Merkmale des Samples wurden mit Rasterelektronenmikroskop (REM, Hitachi SU-1510) mit energiedispersiver Spektroskopie (EDS) Röntgendetektor bei 15 kV Beschleunigungsspannung untersucht. Die Kleinwinkel-Röntgenbeugung (SAXRD) Muster der präparierten Materialien wurden mit einem Smartlab TM 9 KW Röntgendiffraktometer mit Cu Kα Strahlung (λ = 0,154 nm) im 2θ Bereich von 0,2°–8° erfasst. Röntgenfluoreszenz (XRF) Analyse wurde auf Röntgenfluoreszenz-Spektrometer (Thermo Scientific, USA) gemessen. Die Stickstoffsorptionsisothermen wurden auf einem volumetrischen Adsorptionsanalysator (BELSORP-MINI, Japan) in einem relativen Druckbereich P/P₀ von 0,01 bis 0,99 gemessen. Die spezifische Oberfläche und Porengrößenverteilung wurden mittels Brunauer-Emmett-Teller (BET) und Barrett-Joyner-Halenda (BJH) Messungen berechnet. Festkörper-UV-Vis-Spektren der Materialien wurden mit Festkörper-UV-Vis-Spektrophotometer (Thermo Scientific, USA) aufgezeichnet. Die Absorptionsspektren der Samples wurden auf UV-Vis-Spektrophotometer (UV-Vis 7300, China) gemessen, um DOX-Wirkstoffbeladungsgehalt (DLC) nach folgender Formel zu berechnen: DLC (Gew.-%) = (Gewicht beladener Wirkstoff / Gesamtgewicht mesoporöses Material und beladener Wirkstoff) * 100%. Der Eisengehalt von DOX/FeIX-SBA-15 wurde mittels Induktiv Gekoppelter Plasma Emissionsspektrometer (ICP, PE Optima 2000DV, USA) bestimmt. Vor Analyse wurde DOX/FeIX-SBA-15 vollständig in Fluorwasserstoffsäure gelöst, dann Fluorwasserstoffsäure verdampft und das Sample in konzentrierter Salpetersäure wieder gelöst.

Katalytische Aktivität und Abbaubverhalten von FeIX-SBA-15

Nutzend die enzymartige Aktivität von FeIX, wurden die katalytische Aktivität von TMB und die Abbaubverhalten von saurem Orange II in Lösung untersucht. Eine gemischte Lösung mit 20 mM NaOH und 1,5 mM Triton X-100 wurde hergestellt und dann 4-fach mit PB-Lösung verdünnt, um FeIX-SBA-15 zu lösen. In der TMB-Katalysereaktion wurden 500 µl FeIX-SBA-15 (600 µg/ml) mit 500 µl H₂O₂ (2 mM) als Substrat gemischt, um TMB (500 µl, 3 mg/ml) abzubauen. Spektralmessungen wurden zu spezifischen Zeitintervallen durchgeführt, um den Reaktionsgrad zu bewerten. Um das Abbaubverhalten der synthetisierten Komposite zu untersuchen, diente das Gemisch aus 500 µl FeIX-SBA-15 (600 µg/ml) Lösung und 500 µl 10 mM H₂O₂ Lösung als Substrat. Anschließend wurden 500 µl Orange II (0,25 mM) zur obigen Lösung gegeben. Absorptionsmessungen wurden bei 485 nm aufgezeichnet.

Zusätzlich wurden die Komposite weiter auf kommerzieller Filtermembran immobilisiert, um saures Orange II in Fließkatalyse-Modus abzubauen. 5 ml suspendierte Lösung von FeIX-SBA-15 (600 µg/ml) wurde durch einen kommerziellen Filter (0,22 µm, Millipore) geleitet, um das Material auf dem Filter einzufangen und bei Raumtemperatur zu trocknen. 500 µl Orange II (0,25 mM) Lösung gemischt mit 500 µl H₂O₂ (10 mM) und 500 µl H₂O wurde durch die kommerzielle Filtermembran, beladen mit FeIX-SBA-15, geleitet. Die Spektralmessungen des Gemischs wurden aufgezeichnet.

Colorimetrische Detektion von H₂O₂

Für H₂O₂-Detektionen in Lösung wurden Gemische aus 500 µl FeIX-SBA-15 (600 µg/ml) und 500 µl TMB (3 mg/ml) hergestellt. Anschließend wurden 500 µl H₂O₂ variierender Konzentrationen (25–500 µM) zu den obigen Lösungen gegeben und 10 min bei 30 °C inkubiert. Schließlich wurden die Spektralmessungen bei 651 nm aufgezeichnet.

Gleichzeitig wurde die Messung von H₂O₂ auf der kommerziellen Filtermembran, immobilisiert mit den Kompositen, in Fließkatalyse-Modus durchgeführt. Die modifizierte Membran wurde wie oben beschrieben erhalten. Dann wurden Gemische aus 500 µl H₂O₂ (0,293 ~ 8,8 mM), 500 µl TMB (2 mg/ml) und 500 µl H₂O separat durch die modifizierten kommerziellen Filtermembranen geleitet, woraufhin die Spektralmessungen des Gemischs bei 651 nm aufgezeichnet wurden.

Die Absorption wurde gegen die H₂O₂-Konzentration aufgetragen, und der Detektionslimit (LOD) der Methode wird via Formel bewertet: LOD = 3RSD/Steigung. (RSD: relativer Standardabweichung).

Zellkultur und RTCA-Detektion

Menschliche nicht-kleinzellige Lungenzellen A549 wurden mit RPMI-1640 Medium kultiviert, enthaltend 10% FBS, 1% Penicillin-Streptomycin-Lösung in einem Inkubator mit 5% CO₂ bei 37 °C (Thermo Scientific). Echtzeit-Zellanalysator (RTCA) Technologie (xCELLigence System, ACEA Biosciences Inc.) und Cell Counting Kit-8 (CCK-8, DOJINDO Laboratory) Methode wurden für die Zytotoxizitätsbewertung der Materialien eingesetzt. In RTCA-Detektion wurden 5000–8000 Zellen pro Well in E-Plate gesät. Zellinkubation und -proliferation wurden auf Echtzeitbasis vom Analysator überwacht, wobei Signaländerungen als willkürliche Einheit definiert als Zellindex (CI) ausgedrückt wurden. Zellen wurden FeIX-SBA-15 und DOX/FeIX-SBA-15 bei einer Konzentration von 12,6 µg/ml ausgesetzt. Die DOX-Konzentration betrug 0,50 µg/ml. Zusätzlich, um den IC₅₀ von DOX/FeIX-SBA-15 zu erhalten, wurden Zellen, behandelt mit verschiedenen Dosen DOX/FeIX-SBA-15 von 1,6 bis 50,4 µg/ml, detektiert. Zudem wurde CCK-8 Kit Assay als Endpunktmethode verwendet, um Zytotoxizität der Materialien zu detektieren. Das CCK-8 Reagenz wurde 2 h mit Zellen inkubiert und die Absorption mit Mikroplattenleser bei 450 nm Wellenlänge gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Materialcharakterisierungen

Das Komposit DOX/FeIX-SBA-15 wurde wie in Schema 1 illustriert synthetisiert. APTES-SBA-15 wurde zunächst via Aminierungsreaktion [13] präpariert. Dann wurden FeIX-Moleküle auf der Oberfläche von APTES-SBA-15 durch Amidreaktion und elektrostatische Wechselwirkung zwischen Carboxylgruppen und Aminogruppen in den Mesoporen gepfropft. Schließlich lud der Antikrebs-Wirkstoff DOX in FeIX-SBA-15-Komposite ein, involvierend starke molekulare Wechselwirkungen von π-π-Stacking zwischen FeIX und DOX aufgrund des konjugierten planaren makrozyklischen Moleküls von FeIX [25] und des Anthracyclin-Chromophors von DOX [24].

Die Kompositoberflächen-Mikrostruktur wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) evaluiert. Wie in Abb. 1a gezeigt, wurden SBA-15 röhrenförmige Strukturen mit gewisser Uniformität der Größe von 0,4–1 µm in SBA-15 gebildet, und angeheftete FeIX- und DOX-Moleküle verursachten keine offensichtlichen morphologischen Veränderungen. Die TEM-Bilder (Abb. S1) von DOX/FeIX-SBA-15 im Vergleich zu SBA-15 validierten die beibehaltene Mesostruktur nach chemischen Modifikationen. Die chemische Zusammensetzung von DOX/FeIX-SBA-15 wurde weiter durch Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie geschätzt. Wie in Tabelle S1 gezeigt, wurden Si, O, C, Fe und Spuren anderer absorbierter Elemente in DOX/FeIX-SBA-15 gefunden. Im Vergleich zu FeIX-SBA-15 war der berechnete Atomprozentsatz von Si (~ 24,3%) und Fe (~ 2,5%) in DOX/FeIX-SBA-15 leicht niedriger, aber der Gehalt an C (11,3%) ist relativ hoch, was die erfolgreiche Einkapselung von DOX suggeriert. Um die Oberflächenkomponenten weiter zu evaluieren, wurden Festkörper-UV-Vis-Spektren der Komposite aufgezeichnet. Wie in Abb. S2 gezeigt, zeigte FeIX-SBA-15 ähnlich wie FeIX-Moleküle Absorptionsbänder bei 250–350 nm, 450–550 nm und 600–700 nm, während für SBA-15 virtuell keine beobachtbaren Bänder vorhanden waren [26]. Im Vergleich zeigte DOX/FeIX-SBA-15 ein breites Absorptionsband von 450–550 nm, stammend vom DOX.

Die Kleinwinkel-Röntgenbeugungsanalyse der Komposite wurde ebenfalls durchgeführt. Wie in Abb. 1b gezeigt, zeigten die SAXRD-Muster von SBA-15 einen Hauptbeugungspeak bei 0,94° mit zwei beobachtbaren Peaks bei 1,6° und 1,8°, reflektierend (100), (110) und (200) Kristallebenen, jeweils, was auf eine gut definierte Mesostruktur hinweist [27]. Im Vergleich zu SBA-15 zeigten die SAXRD-Muster von DOX/SBA-15 eine Abnahme der Peakintensität, was anzeigt, dass das Beladen von DOX keine Schäden an der Porenstruktur verursachte. Allerdings führte das Pfropfen von FeIX in SBA-15 zu einem beobachtbaren Peakverschiebung zu größeren Winkeln mit verringerter Peakintensität der (110) und (200) Kristallebenen, was den teilweisen Verlust der mesostrukturellen Regularität der Materialien suggeriert [28]. Bemerkenswert: weiteres Beladen von DOX in FeIX-SBA-15 verursachte das Verschwinden der (110) und (200) Kristallebenen.

Um die mesostrukturellen Parameter der Samples zu erhalten, wurden Stickstoffsorptionsisothermen aufgezeichnet. Wie in Abb. 1c gezeigt, wiesen alle Samples typische Typ-IV-Isothermen mit einem scharfen Kapillarkondensationsschritt bei hohen relativen Drücken auf, was das Beibehalten der Mesostruktur nach chemischen Modifikationen anzeigt [24]. Wie in Abb. 1d und Tabelle S2 gezeigt, im Vergleich zu SBA-15 von ~ 6 nm, wurde eine Abnahme der Porengröße bei Konjugation von FeIX/DOX beobachtet, was die SAXRD-Ergebnisse bestätigt. Der DOX-Beladungsgehalt in DOX/SBA-15 und DOX/FeIX-SBA-15 wurde auf 1,14% bzw. 4,27% berechnet. Die Ergebnisse zeigten, dass FeIX-gepfropftes SBA-15 die Beladungskapazität von DOX in den Mesoporen erhöhte, was ~ 3,7-fach von DOX/SBA-15 und ~ 1,6-fach von DOX/FCA-SBA-15 aus unserer früheren Arbeit [24] betrug. Eine solche verbesserte Beladungsfähigkeit von Wirkstoffmolekülen könnte dem verfeinerten molekularen Wechselwirkungen zwischen FeIX und DOX zugeschrieben werden.

Katalytische Aktivität und Abbaubverhalten von gepfropftem Hemin auf Mesoporen

Die katalytische Aktivität von FeIX-SBA-15 wurde durch Verwendung von TMB in Gegenwart von H₂O₂ als Modellreaktion evaluiert [29]. Abbildung 2a zeigte, dass die Absorptionsintensität der Assay-Lösung (TMB + H₂O₂ + FeIX-SBA-15) mit der katalytischen Reaktionszeit zunahm. Entsprechend änderten sich die Lösungen zu blauer Farbe und wurden mit der Zeit dunkler (Abb. 2b). Die Reaktion trat jedoch nicht auf, wenn entweder H₂O₂ oder FeIX-SBA-15 in der Lösung fehlte, was eine Peroxidase-Aktivität von FeIX-SBA-15 anzeigt. Gleichzeitig, wie in Abb. S3A gezeigt, war FeIX-SBA-15 in der Lage, Orange II in Gegenwart von H₂O₂ abzubauen, überwacht durch UV-Vis-Absorption innerhalb 3-stündiger Reaktionszeit.

Nutzend die feste Form der Hemin-gepfropften mesoporösen Komposite, wurde ein Fließkatalyse-Format basierend auf der FeIX-SBA-15-immobilisierten kommerziellen Filtermembran für organische Transformationen getestet [30, 31]. Wie in Abb. S3B gezeigt, wenn H₂O₂ und Orange II Gemisch durch die modifizierte Membran geleitet wurde, im Vergleich zur Kontrollmembran mit nur SBA-15 (Abb. S3C), nahm die Absorptionsintensität der Lösung konkomitant ab, was die FeIX-SBA-15-immobilisierte Membran von großer katalytischer Aktivität nach Wiederverwendung anzeigte, was im Farbstoffabbau in Abwasser angewendet werden könnte [32, 33].

Zusätzlich zeigten Komposite mit Hemin im Vergleich zu Rettichperoxidase bemerkenswerte katalytische Aktivität in breitem pH-Bereich, zugeschrieben der ausreichenden Stabilität von Hemin unter relativ rauen Bedingungen einschließlich saurer Lösung [29, 34], was von praktischer Bedeutung ist.

Colorimetrische Detektion von H₂O₂

Basierend auf dem TMB-Katalysereaktionsmodell von FeIX-SBA-15 wurde eine colorimetrische Strategie für die quantitative Analyse von H₂O₂ in Lösung etabliert mit der Kalibrierkurve in Abb. 2c. Der Konzentrationsbereich von H₂O₂ betrug 25–500 µM mit einem Detektionslimit (LOD) von 2,1 µM.

Sequentiell wurde eine einfache chromogene Detektion von H₂O₂ auch durch direktes Filtrations von H₂O₂ variierender Konzentrationen durch die FeIX-SBA-15-modifizierte kommerzielle Membran entwickelt. Wie in Abb. 2d gezeigt, wird der lineare Detektionsbereich auf 0,293 bis 8,80 mM geschätzt mit einem Detektionslimit von 0,067 mM. Der Vergleich der analytischen Parameter mit denen früherer Berichte ist in Tabelle 1 tabelliert, was auf Detektionsleistung in Bezug auf Reaktionsbedingungen wie Katalysatorkonzentration, pH und Assay-Temperatur hinweist [35]. Obwohl die vorgeschlagene Methode jene früheren Berichte nicht übertrifft, war ihre analytische Leistung mit breitem Kalibrierkonzentrationsbereich vergleichbar mit chromogenen Methoden.

Zytotoxizitätsassay und dynamische Überwachung der Effekte von DOX-beladenen Komplexen auf Zellen

Wie in Abb. 3 gezeigt, wurden die wachstumsinhibitorischen Effekte der Samples auf A549-Zellen zunächst durch CCK-8 Kit evaluiert und die gemessenen halb-inhibitorischen Konzentrationen (IC₅₀) von 24 h sind in Tabelle S3 zusammengefasst. Zellen, behandelt mit SBA-15 von 150 µg/ml, behielten noch mehr als 80% Zellviabilität, was die niedrige Zytotoxizität der Materialien reflektiert. Der IC₅₀ von DOX/FeIX-SBA-15 (12,6 µg/ml) war ~ vierfach niedriger als der von DOX/SBA-15 (58,8 µg/ml) und ~ dreifach niedriger als FeIX-SBA-15 (35,4 µg/ml), was suggerierte, dass das Pfropfen von FeIX auf SBA-15 effizient war, DOX zu beladen, um den zytotoxischen Effekt zu verbessern.

Die Wachstumsstatusse von A549-Zellen, behandelt mit verschiedenen Kompositen, zeigten die nachhaltige Wirkstofffreisetzung in Abb. 4a, b, überwacht durch RTCA, welches auf einem label-freien Impedanz-Detektionsprinzip basiert, um physiologische Bedingungen der Zellen widerzuspiegeln [41]. Wie in Abb. 4a gezeigt, stiegen die Zellindexwerte von DOX-behandelten Zellen zunächst an und fielen anschließend rapide ab, ein scharfer Abfall in normalisierten Zellindex (NCI) Werten beobachtet, involvierend einen DNA-schädigenden Prozess [42]. Die NCI-Werte sowohl von FeIX-SBA-15 (12,6 µg/ml) als auch DOX/FeIX-SBA-15 (12,6 µg/ml) waren niedriger als die Kontrolle, aber die NCI-Werte wurden beobachtet, mit Inkubationszeit zu steigen. Im Vergleich zu FeIX-SBA-15 stiegen die NCI-Werte von DOX/FeIX-SBA-15-behandelten Zellen während der ersten Stunden der Behandlung. Aufgrund der nachhaltigen Freisetzungsverhalten der Wirkstoffabgabe und der effektiven Konzentrationsakkumulation von DOX, freigesetzt aus den Mesoporen von DOX/FeIX-SBA-15, war nicht genug, um die meisten Zellen zu töten, zeigte das Zellwachstum von A549-Zellen, behandelt mit DOX/FeIX-SBA-15, einen relativ stabilen und inhibitorischen Zustand, während die Zellindexwerte von FeIX-SBA-15-behandelten Zellen im nächsten Prozess signifikant stiegen. Bei der IC₅₀-Konzentration von 12,6 µg/ml (CCK-8) wurde der NCI-Wert von DOX/FeIX-SBA-15 höher als 50% der Kontrollgruppe nach 24 h gefunden. Daher wurde ein Multi-Dosis-Effekt von DOX/FeIX-SBA-15 auf Zellen aufgezeichnet (Abb. 4b) und die daraus abgeleiteten Dosis-Wirkungs-Kurven aus den aufgezeichneten NCI von DOX/FeIX-SBA-15 wurden mittels RTCA-Software berechnet (Abb. 4c, d). Der IC₅₀-Wert von DOX/FeIX-SBA-15 behandelten Zellen wurde auf 15,0 (24 h) bestimmt, was konsistent mit CCK-8 Tests war. Und nach 48 h-Inkubation wurde der IC₅₀ berechnet als 6,7 (48 h) µg/ml.

Fazit

In dieser Studie pfropften wir erfolgreich Hemin-Moleküle auf SBA-15 für multiple Anwendungen. Das konstruierte FeIX-SBA-15 war erwünscht für Antikrebs-Wirkstoffbeladung und effektiv, um TMB zu katalysieren und saures Orange II sowohl in Lösung als auch auf der Membran in Gegenwart von H₂O₂ abzubauen. Basierend auf dem TMB-Katalysemodellreaktion wurde eine colorimetrische Strategie für die quantitative Analyse von H₂O₂ etabliert. Zusätzlich begünstigte FeIX-gepfropftes SBA-15 relativ hohe DOX-Beladungskapazität und verbesserte inhibitorische Wirkung auf Krebszellwachstum im Vergleich zu DOX/SBA-15. Gleichzeitig wurde die Zytotoxizität von DOX/FeIX-SBA-15 auf A549 dynamisch durch RTCA überwacht, offensichtlich suggestierend nachhaltige Freisetzungsverhalten von Wirkstoffmolekülen DOX aus Mesoporen. Auf dieser Basis reduzierte dieses Wirkstoffabgabesystem die Zytotoxizität von DOX, war aber dennoch effektiv in der Hemmung des Tumorzellwachstums. Zusammengefasst könnte das von uns produzierte Hemin-gepfropfte mesoporöse Silica-Nanokomposit als fester Katalysator und Wirkstoffabgabesystem eine vielseitige Nanoplattform mit enormem biomedizinischem Potenzial bieten.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt vollständig verfügbar.