CoFe₂O₄-Quantenpunkte: Duale Photothermische/Photodynamische Therapie für NSCLC – Induktion von Apoptose über PI3K/AKT-Modulation

Zusammenfassung

Nicht-kleinzelliger Lungenkrebs (NSCLC) ist weltweit der zweithäufigste diagnostizierte bösartige Tumor. Im Rahmen unseres langfristigen Interesses an der Suche nach Nanomaterialien zur Entwicklung von Krebstherapiestrategien haben wir hier neuartige CoFe₂O₄-Quantenpunkte (QDs) mit herausragenden synergistischen photothermischen/photodynamischen Eigenschaften konstruiert, die NSCLC effizient unterdrücken, ohne offensichtliche Toxizität. Wir zeigten, dass die Kombination von CoFe₂O₄-QDs + NIR-Behandlung Apoptose von NSCLC-Zellen induziert. Darüber hinaus fördert die CoFe₂O₄-QDs + NIR-Behandlung auch die Generierung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), um Zelltod durch Regulierung des PI3K/AKT-Signalwegs auszulösen. Zudem eliminiert die CoFe₂O₄-QDs + NIR-Behandlung erfolgreich Tumoren in vivo ohne offensichtliche toxische Effekte. Zusammenfassend berichten wir, dass die neuartigen Nanomaterialien CoFe₂O₄-QDs eine verstärkte synergistische photothermische und photodynamische Therapie zur Abtötung von NSCLC ohne Toxizität aufweisen könnten, was ein vielversprechender Photosensibilisator für die NSCLC-Therapie sein könnte.

Einleitung

Krebs ist die häufigste Todesursache und belastet Familien und Gesellschaft enorm, wobei Lungenkrebs 2020 den zweithäufigsten diagnostizierten Krebs und die häufigste krebsbedingte Todesursache darstellte [1, 2]. Wie berichtet, macht der nicht-kleinzellige Lungenkrebs (NSCLC), der etwa 85% aller Lungenkrebse ausmacht, sich durch hohe Inzidenz und Mortalität aus [3, 4]. In jüngster Zeit, trotz chirurgischer Optionen, wurden große Anstrengungen unternommen, Chemotherapien oder Immuntherapien zur Behandlung von NSCLC zu entwickeln. Zum Beispiel haben sich EGFR-Mutanten-Inhibitoren und KRAS-Inhibitoren als wirksam erwiesen, und es gibt noch mehr neuartige ALK-Inhibitoren in der Entwicklung [5, 6, 7, 8, 9]. Anti-PD-L1 und Anti-CTLA-4, solche Immun-Checkpoint-Inhibitoren, bringen ebenfalls vielversprechende Wirksamkeit und verlängern den Überlebensvorteil [10, 11, 12]. Allerdings unterscheidet sich die Ansprechrate auf diese Medikamente von Patient zu Patient, und Nebenwirkungen, insbesondere Medikamentenresistenz, dürfen nicht vernachlässigt werden [13, 14]. Daher ist die Entwicklung neuartiger therapeutischer Strategien, die weniger invasiv sind, eine dringende Notwendigkeit für NSCLC-Forschung und klinische Behandlungen.

Basierend auf jüngsten Fortschritten hat die Verwendung von Nanomaterialien zur Durchführung von photothermischer Therapie (PTT) und photodynamischer Therapie (PDT) enorme Aufmerksamkeit erregt und große Entwicklung als Anti-Krebs-Strategie erreicht und könnte eine alternative Option in der klinischen Behandlung sein [15, 16, 17, 18]. Nanomaterialbasierte PTT und PDT zeichnen sich durch geringe Invasivität und niedrige Toxizität aus, mit geringer Wahrscheinlichkeit, Medikamentenresistenz zu induzieren [19, 20, 21, 22, 23]. In Zusammenarbeit mit Licht, meist NIR, können lokalisierte Nanomaterialien die Temperatur im Tumor erhöhen und Sauerstoff in zytotoxische reaktive Sauerstoffspezies (ROS) umwandeln, was Zelltod verursacht, um Tumoren zu eliminieren [24]. In diesem Kontext spielt das Nanomaterial eine Schlüsselrolle, um die Wirksamkeit zu beeinflussen und die Sicherheit zu gewährleisten. Obwohl solche Nanomaterialien Metall-Nanostrukturen [25], kohlenstoffbasierte Materialien [26, 27], polymere Nanopartikel (PNPs) [28] oder Halbleiterverbindungen [29] umfassten, haben sie ihre eigenen Limitations. Zum Beispiel sind kohlenstoffbasierte Materialien kostspielig und haben unzureichende Suspensionseigenschaften, was ihre Anwendung im großen Maßstab und klinisches Potenzial begrenzt. Daher sollten weitere Versuche unternommen werden, um geeignetere Nanomaterialien für den weiteren Gebrauch zu generieren.

In den letzten Jahren haben Quantenpunkte (QDs) als neuartige Nanomaterialien große Aufmerksamkeit in biomedizinischen Anwendungen erhalten, aufgrund ihrer guten Biokompatibilität, Löslichkeit und vor allem ihrer überlegenen Photostabilität und einfachen Oberflächenfunktionalisierung [30, 31, 32, 33]. Unter Ausnutzung dieser Eigenschaften haben mehrere Berichte QDs als neuartige PDT-Reagenzien verwendet, die so gestaltet werden können, dass sie mit anderen Biomolekülen begleitet werden, um die Wirksamkeit von PDT in der Krebstherapie zu erhöhen. Zum Beispiel berichteten Meng und Kollegen über einen multifunktionalen GQD@MnO₂, der durch Zwei-Photonen-Anregung induziert wurde, um die PDT-Wirksamkeit zu verbessern [34]. Zusätzlich erzeugten Kuo und Kollegen stickstoffdotierte QDs, indem sie diese mit Aminomolekülen funktionalisierten, was ebenfalls die PDT-Effizienz erhöhte [35]. Inspiriert von diesen interessanten Ergebnissen suchten wir nach neuartigen QDs in Kombination mit nicht-edelmetallbasierten Nanomaterialien, die PTT- und PDT-synergistische Effekte in einem Nano-System bringen könnten. Zum Beispiel ist Co-basiertes Nanomaterial ein gut untersuchtes nicht-edelmetallbasiertes Nanomaterial, das als PTT-Wirkstoff für Tumortherapie oder Bildgebung bekannt ist [36]. Daher schlugen wir vor, dass die Gestaltung von Co-basierten QDs verstärkte PTT/PDT-synergistische Effekte bringen könnte.

In dieser Studie synthetisierten wir neuartige Nanomaterialien CoFe₂O₄-QDs, die verstärkte PTT- und PDT-synergistische Effekte auf die Abtötung von NSCLC ohne toxische Effekte in vitro und in vivo aufweisen, was ein vielversprechender Photosensibilisator für die NSCLC-Therapie sein könnte.

Materialien und Methoden

Synthese von CoFe₂O₄-QDs

Die CoFe₂O₄-QDs wurden durch hydrothermale Methode synthetisiert. Typischerweise wurden 0,238 g CoCl₂·6H₂O und 0,808 g Fe(NO₃)₃·9H₂O in 10 mL H₂O und 10 mL Propylenglykol-Gemischlösungsmittel gelöst und 10 min gerührt. Dann wurden 4 mL Dithranolamin tropfenweise zur Lösung gegeben, gefolgt von 30 min Rühren. Der erhaltene Schlamm wurde in einen 50 mL Edelstahl-Teflon-ausgekleideten Autoklaven überführt. Der Autoklav wurde in einem Ofen bei 160 °C für 3 h gehalten. Die CoFe₂O₄-QDs wurden durch Zentrifugation bei 8500 rpm für 10 min gesammelt und dann nacheinander mit deionisiertem Wasser und Ethanol gewaschen. Reagenzien und Materialien, die in dieser Studie verwendet wurden, finden sich in Tabelle 1.

Charakterisierung von CoFe₂O₄-QDs

Die Morphologie und Größe der hergestellten CoFe₂O₄-QDs wurden durch TEM und EDS-System bestimmt. Die Kristallstruktur wurde durch Röntgenbeugung (Bruker Deutschland) mit Cu-Kα-Strahlung (λ = 0,15406 nm) analysiert. Das Absorptionsspektrum der CoFe₂O₄-QDs wurde mit einem SHIMADZU UV-2600 Spektrophotometer detektiert. Die Elementwertigkeiten der CoFe₂O₄-QDs wurden durch Röntgen-Photoemissionsspektroskopie (XPS, VG ESCALAB 220I-XL, USA) bestimmt. Das Thermobild wurde mit einer IR-Wärmebildkamera (FLIR E50, USA) aufgezeichnet.

Zellkultur

NSCLC-Zelllinien NCI-H460 (H460) und A549 sowie humane Nabelschnurvenen-Endothelzellen (HUVECs) wurden von ATCC bezogen und auf Mykoplasmen-frei getestet. H460- und A549-Zellen wurden in RPMI-1640 mit 10% fetalem Rinderserum (FBS) und 1% Penicillin-Streptomycin (Gibco) kultiviert. HUVECs wurden in Endothelzell-Wachstumsmedium (Sigma, #211-500) kultiviert. Alle Zellen wurden in einem dunklen, feuchten 37 °C-Inkubator mit 5% CO₂ gehalten.

Zytotoxizitätsnachweis

Verschiedene Arbeitskonzentrationen (0,1, 0,5, 1,0, 2,0 mg/mL) von CoFe₂O₄-QDs wurden hinzugefügt und 24 h mit HUVECs kultiviert. Nach der Inkubation wurde das Kulturmedium gewechselt und CCK-8-Reagenz zu jedem Well hinzugefügt, gefolgt von 1 h Inkubation. Dann wurden die Platten bei 450 nm mit einem EnSpire™ Multimode Plate Reader gemessen. Das Verhältnis der Zelllebensfähigkeit wurde in Kontroll-HUVECs als 100% angesetzt.

Apoptoseanalyse

H460- und A549-Zellen (2 × 10⁵) wurden über Nacht in 6-Well-Platten kultiviert, bevor sie mit 1,0 mg/mL CoFe₂O₄-QDs in Kombination mit NIR-Laser von 808 nm für 5 min behandelt wurden. Dann wurden die Zellen gewaschen und mit Annexin-V/PI-Apoptose-Kit (BD; #556547) gemäß Herstelleranweisungen gefärbt. Für den HUVECs-Apoptose-Assay wurden HUVECs mit unterschiedlichen Konzentrationen von CoFe₂O₄-QDs inkubiert. Die Apoptoserate wurde wie oben beschrieben bestimmt.

Zelluläre ROS-Detektion

H460- und A549-Zellen wurden über Nacht in 6-Well-Platten kultiviert. Zellen wurden mit oder ohne 1,0 mg/mL für 1 h inkubiert und mit NIR-Laser von 808 nm für 5 min behandelt. Nach den Behandlungen wurde DCFH-DA hinzugefügt und 30 min inkubiert, gefolgt von FACS-Detektion mit Anregung/Emission bei 485 nm/535 nm. Für den ROS-Inhibitionsassay wurde ROS-Inhibitor NAC (Sigma; A7250) gemäß Herstelleranweisung hinzugefügt. Die Daten wurden mit FlowJo-Software weiter quantifiziert.

Western-Blot-Analyse

H460- und A549-Zellen wurden wie im Apoptose-Assay behandelt, und das Gesamtzellprotein wurde mit RIPA-Lysepuffer extrahiert. Der Western-Blot-Nachweis wurde wie zuvor beschrieben durchgeführt [37]. Die in dieser Studie verwendeten Antikörper waren: Kaninchen-polyklonaler anti-Bcl-2 (abcam; ab59348), Kaninchen-monoklonaler anti-Bax (abcam; ab32503), Kaninchen-polyklonaler anti-P-PI3K (Bio-Vision; 3152-100), Kaninchen-monoklonaler anti-P-AKT-S473 (CST; 4060S), Kaninchen-monoklonaler anti-β-Actin (CST; 4970S), anti-Kaninchen-IgG-HRP-verknüpfter Antikörper (CST; 7074S). Die Quantifizierung wurde mit Image-J-Software bestimmt.

In-vivo-Studie der Anti-NSCLC-Wirkung der Kombination von CoFe₂O₄ und NIR-Behandlung

Um die Tumorabtötungsfähigkeit von CoFe₂O₄-QDs zu bestimmen, wurden H460-Zellen subkutan mit 50% MatriGel in NSG-Mäusen (N = 8 pro Gruppe) implantiert. 4–6 Wochen alte männliche M-NSG-Mäuse wurden von Shanghai Model Organisms (#NM-NSG-001) für alle In-vivo-Experimente bezogen. Als der Tumor sichtbar war und das Volumen fast 5 mm × 5 mm erreichte, wurden alle Mäuse zufällig in vier Gruppen unterteilt: Kontrolle, nur NIR, nur CoFe₂O₄-QDs und CoFe₂O₄-QDs + NIR. Dann wurden Mäuse in den Gruppen nur CoFe₂O₄-QDs und CoFe₂O₄-QDs + NIR intratumoral mit 50 µL CoFe₂O₄ (5,0 mg/kg) basierend auf unserer vorherigen Arbeit [37] injiziert, während Kontroll- und NIR-Gruppe mit 50 µL PBS injiziert wurden. Nach der Injektion wurde NIR 808 nm Laser (1 W/cm²) in der NIR- und CoFe₂O₄-QDs + NIR-Gruppe für 10 min durchgeführt, was durch Infrarot-Thermografie überwacht wurde. Das Tumorvolumen wurde täglich aufgezeichnet und mit der Formel V = Länge × Breite²/2 berechnet. Sobald der Durchmesser der Tumor-Xenotransplantate in den verbleibenden Mäusen fast 15 mm erreichte, wurden die Mäuse geopfert und die Tumor-Xenotransplantate fotografiert und für weitere Detektion aufbewahrt. Alle Tierversuche und Protokolle wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) und dem Tierschutzkomitee des Peking University Shenzhen Hospital genehmigt.

H&E- und Immunhistopathologische Färbung

Für die pathologische Beurteilung wurden die Tumor-Xenotransplantate (N = 3) einen Tag nach der Behandlung in jeder Gruppe entnommen und in 10% gepuffertem Formalin fixiert, gefolgt von Paraffineinbettung für H&E-Färbung und IHC-Nachweis. Für die In-vivo-Toxizitätsbewertung wurden Niere, Leber, Lunge, Herz und Milz der Mäuse entnommen und für die pathologische Beurteilung fixiert. Für die IHC-Färbung wurde anti-Ki67-Antikörper (Abcam; ab15580) verwendet. Die Quantifizierung des IHC-positiven Bereichs wurde mit der Software Fiji durchgeführt.

Statistische Analyse

Für alle Experimente steht „N“ für die Anzahl der Wiederholungen oder die Anzahl der verwendeten Mäuse, wie in der Bildlegende angegeben. Student's t-Test oder einseitige ANOVA wurde für statistische Vergleiche verwendet. P < 0,05 wird als statistisch signifikant betrachtet, während „ns“ nicht-signifikant anzeigt. P < 0,05, P < 0,01 und P < 0,001 werden mit „*“, „**“ und „***“ Sternchen angegeben. Die Daten wurden mit GraphPad Prism 5 analysiert.

Ergebnisse

Eigenschaften der neuartigen CoFe₂O₄-QDs

Zunächst konstruierten wir die CoFe₂O₄-QDs mit hydrothermalem Ansatz, der kostengünstig und einfach durchzuführen ist. Das TEM-Bild der CoFe₂O₄-QDs ist in Abb. 1a dargestellt, zeigt ein einheitliches und stabiles Muster mit einem Durchmesser von ca. 3,4 nm (Abb. 1b). Die hergestellten CoFe₂O₄-QDs waren dunkelbraun gefärbt (Abb. 1b) und wiesen eine ausgezeichnete Löslichkeit in Wasser auf. Darüber hinaus zeigte das hochauflösende TEM-Bild (Abb. 1c) einen Gitterabstand von (222) von etwa 0,242 nm, was mit den Kristallparametern der CoFe₂O₄-QDs konsistent ist [38, 39]. Zusätzlich bestätigte das Elementenspektrum (Abb. 1d) weiterhin die Elementkomponente der CoFe₂O₄-QDs als Co und Fe, und das Atomverhältnis von Co und Fe betrug etwa 1:2. Diese Daten zeigten eine erfolgreiche Konstruktion von CoFe₂O₄-QDs für unsere weitere Forschung.

Physikalische Eigenschaftsdetektion von CoFe₂O₄-QDs

Um die physikalischen Eigenschaften der hergestellten CoFe₂O₄-QDs zu bestimmen, führten wir nach der Konstruktion mehrere Detektionen durch. Mit dem NIR-Absorptionstest zeigten CoFe₂O₄-QDs eine ordnungsgemäße photothermische Umwandlung in konzentrationsabhängiger Weise, und die Temperaturinkremente (ΔT) konnten von 0,3 bis 18,9 °C eingestellt werden (Abb. 2a). Zusätzlich konnte bei der Konzentration 1,0 mg/mL CoFe₂O₄-QDs durch Erhöhung der NIR-Strahlungsleistung von 0,5 auf 2,0 W/cm² das ΔT von 0,8 auf 24,3 °C eingestellt werden (Abb. 2b). Diese Daten legten nahe, dass die photothermische Umwandlungsleistung von CoFe₂O₄-QDs von ihrer Konzentration und der Bestrahlungsleistung abhing. Darüber hinaus wurde die Stabilität der CoFe₂O₄-QDs-getriggerten photothermischen Umwandlung mit periodischer Bestrahlung bestimmt (Abb. 2c). Obwohl die berechnete Licht-zu-Wärme-Umwandlungseffizienz 7,18% betrug (Abb. 2d), ist sie ausreichend, um den PDT-Effekt von CoFe₂O₄-QDs zu begleiten und zu verstärken. Zudem beträgt die längste Wellenlänge, die CoFe₂O₄-QDs absorbieren können, etwa 808 nm (Abb. 2e, f). Zusammenfassend legten diese Daten nahe, dass CoFe₂O₄-QDs zu einem vielversprechenden PTT/PDT-synergistischen Wirkstoff für alternative Tumorabtötungstherapie entwickelt werden könnten.

Zytotoxizitätsbewertung von CoFe₂O₄-QDs gegenüber Normalzellen

Da Nanopartikel häufig als Wirkstoffträger oder Intra-Medium für Tumortherapien verwendet werden, sollte die Zytotoxizität von CoFe₂O₄-QDs gegenüber Normalzellen, insbesondere menschlichen vaskulären Epithelzellen, für den weiteren Gebrauch bestätigt werden. Daher testeten wir basierend auf den vorherigen Ergebnissen verschiedene Konzentrationen (0,1, 0,5, 1,0 und 2,0 mg/mL) von CoFe₂O₄-QDs. Nach Ko-Kultur mit HUVECs (normaler menschlicher Epithelzelllinie) wurde CCK-8-Reagenz für die Detektion der Zelllebensfähigkeit hinzugefügt. Es wurde keine offensichtliche Zytotoxizität im Vergleich zur Kontrollgruppe beobachtet (Abb. 3a). In diesem Kontext wurde ein weiterer Apoptose-Assay durchgeführt, um konsistente Ergebnisse unter denselben Bedingungen zu erzielen (Abb. 3b). Die Quantifizierung der Apoptoserate zeigte keinen signifikanten Unterschied im Vergleich zur Kontrollgruppe (Abb. 3c). Diese Daten zeigten, dass CoFe₂O₄-QDs keine offensichtlichen toxischen Effekte auf Normalzellen hatten, was darauf hindeutete, dass CoFe₂O₄-QDs das Potenzial haben, als Intermedium für Wirkstofflieferung verwendet zu werden.

Kombination von NIR und CoFe₂O₄-QDs induziert Apoptose von NSCLC

Um die potenzielle NSCLC-krebsabtötende Fähigkeit von CoFe₂O₄-QDs zu bestimmen, wurde NIR-Laser (808 nm) Bestrahlung in Kombination mit Inkubation von CoFe₂O₄-QDs in vitro durchgeführt. Dann wurde nach den Behandlungen ein Apoptose-Assay durchgeführt, sowohl H460- als auch A549-Zellen zeigten aggressive Apoptoserate mit der Kombination von CoFe₂O₄-QDs und NIR-Laser (Abb. 4a, b). Die Quantifizierung zeigte signifikanten Unterschied im Vergleich zur Kontrollgruppe, während CoFe₂O₄-QDs nur oder NIR nur Gruppen keinen Unterschied zeigten, was darauf hindeutete, dass CoFe₂O₄-QDs plus NIR anti-NSCLC-Effekt induzieren könnten (Abb. 4a, b). Es ist bekannt, dass die Veränderung des Proteinlevels von Bcl-2/Bax wichtig ist, um zu bestimmen, ob Zellen Apoptose durchlaufen würden [40]. Konsistent mit dieser Idee wurde der Proteinlevel von Bcl-2 und Bax in sowohl H460- als auch A549-Zellen nach den Behandlungen bestimmt (Abb. 4c, d). Wie erwartet zeigten die Daten auch, dass das Verhältnis von Bcl-2/Bax abnahm, was als Marker für mitochondrien-vermittelte Apoptose angesehen wurde. Daher präsentierten wir, dass CoFe₂O₄-QDs plus NIR anti-NSCLC-Effekt durch Aktivierung des mitochondrien-vermittelten Apoptoseweges hervorrufen.

Kombination von CoFe₂O₄-QDs und NIR induziert ROS-Generierung über PI3K/AKT-Signalweg

Mitochondriale Dysfunktion führt immer zu erhöhtem ROS-Generierungslevel, was Zelltod in NSCLC verursacht. In diesem Kontext führten wir ROS-Detektion nach CoFe₂O₄-QDs plus NIR-Behandlung in H460- und A549-Zellen durch. Die Ergebnisse zeigten eine immense Freisetzung von ROS in der Kombinationsgruppe, was darauf hindeutete, dass ein verstärkter PDT-Effekt durch CoFe₂O₄-QDs induziert werden könnte, selbst mit niedriger photothermischer Transmissions-effizienz (Zusatzdatei 1: Abb. S1A, B). Darüber hinaus wurde der zugehörige Proteinlevel des PI3K/AKT-Signalwegs ebenfalls reduziert, was darauf hindeutete, dass die Veränderung von ROS durch den PI3K/AKT-Signalweg reguliert wurde, was zur Veränderung des Bcl-2/Bax-Proteinexpressionslevels führt (Abb. 4c, d, Zusatzdatei 1: Abb. S1C, D). Um diese Idee zu bestätigen, wurde der ROS-Inhibitor NAC hinzugefügt, um das Phänomen umzukehren (Abb. 5a, b). Dann wurde die Expression von PI3K/AKT nach NAC-Behandlung als gerettet bestimmt, was weiter bestätigte, dass die ROS-Freisetzung nach CoFe₂O₄-QDs plus NIR-Behandlung durch den PI3K/AKT-Signalweg reguliert wurde (Abb. 5c, d). Diese Ergebnisse stützen stark die Idee, dass die Kombination von CoFe₂O₄-QDs und NIR zu synergistischen PTT- und PDT-Effekten bei der Abtötung von NSCLC-Zellen führen kann, indem sie mitochondriale Dysfunktion (ROS)-abhängige Apoptose induziert.

In-vivo Anti-NSCLC-Bewertung der Kombination von CoFe₂O₄-QDs und NIR

Basierend auf den In-vitro-Ergebnissen untersuchten wir als Nächstes den Anti-NSCLC-Effekt der CoFe₂O₄-QDs und NIR-Kombinationsbehandlung an NSCLC-Tumor-tragenden Mäusen. M-NSG-Mäuse wurden subkutan mit H460-Zellen implantiert. Nach intratumoraler Injektion von CoFe₂O₄-QDs verursachte die NIR-Laser-Bestrahlung einen schnellen Temperaturanstieg auf ca. 56 °C unter Überwachung der Thermodetektion (Abb. 6a, b). Darüber hinaus zeigte die histopathologische Färbung einen ausgedehnten Nekrosebereich in der Kombinationsgruppe, was darauf hindeutete, dass CoFe₂O₄-QDs plus NIR-Behandlung Zelltod als Ergebnis der Tumorelimination verursachte (Abb. 6c, d). Weitere IHC-Färbung zeigte, dass der Ki-67-positive Bereich nach der Kombinationsbehandlung im Vergleich zu anderen Gruppen aggressiv geschrumpft war, was anzeigte, dass die behandelten Tumor-Xenotransplantate nicht mehr proliferieren konnten (Zusatzdatei 2: Abb. S2A, B). Als Nächstes folgten wir 12 Tage nach CoFe₂O₄-QDs und NIR-Behandlung nach. Wie erwartet, wuchsen die Größe und das Gewicht der Tumor-Xenotransplantate in anderen Gruppen bemerkenswert, aber nicht in der CoFe₂O₄-QDs und NIR-Behandlungsgruppe (Abb. 6e, f), was die Idee stützt, dass CoFe₂O₄-QDs und NIR kombinierte Behandlung die Tumor-Xenotransplantate in vivo vollständig eliminieren konnte. Hinsichtlich der zytotoxischen Wirkung von CoFe₂O₄-QDs wurde in unserem Beobachtungszeitraum kein offensichtlicher adverser Effekt aus den Ergebnissen der Histopathologie-Analyse innerhalb wichtiger Organe der Mäuse detektiert (Zusatzdatei 2: Abb. S2C). Die obigen Daten lieferten starke Beweise, dass CoFe₂O₄-QDs als neuartiges PTT/PDT-Reagenz für die NSCLC-Behandlung entwickelt werden könnten.

Diskussion

In den letzten Jahren hat die Forschung zur Entwicklung von Anti-NSCLC-Strategien enorme Fortschritte gemacht. Sowohl die Präzisionsmedizin, die spezifische mutierte Onkogene zielgerichtet angreift, als auch Immun-Checkpoint-Blockade-Therapien bringen vielversprechende Zukunft in klinischen Behandlungen [41, 42]. Angesichts der Komplexität und Heterogenität der Tumor-Mikroumgebung und dem zugrundeliegenden Risiko des Verlusts von Tumor-Antigenen bleibt es jedoch ein Flaschenhals, die Medikamentenresistenzrate nach dem immun-evasiven Status zu senken, was zu Tumorrezidiven in kurzer Zeit führt. Daher ist die Suche nach neuartigen Behandlungen oder Intermedia für NSCLC-Therapien dringend. Unter den aufkommenden Ansätzen wurden Nanomaterialien geschätzt und als effektive Krebsabtötungsmittel an vorderster Front gelistet. Durch die Vorteile ihrer kleinen Größe, guten Biokompatibilität und thermischen Transmissionsfähigkeiten zeigten mehrere Nanomaterialien in jüngsten Forschungen ausgezeichnete Krebsabtötungsfähigkeiten [43].

In unserer Studie entwickelten wir neuartige CoFe₂O₄-QDs, die als Intermedium für NSCLC-Behandlungen über die Induktion von Tumorzellapoptose mit synergistischen PTT- und PDT-Effekten angewendet werden könnten. Wie andere Nanomaterialien zeigten CoFe₂O₄-QDs in unseren Studien ausgezeichnete Biokompatibilität, die keine offensichtliche Toxizität gegenüber Normalzellen und Hauptorganen aufwiesen. Obwohl wir feststellten, dass die thermische Transmissionsrate nicht so hoch ist wie bei anderen Nanomaterialien, ist sie ausreichend für CoFe₂O₄-QDs, um Krebszellapoptose unter NIR-Laser-Aktivierung zu induzieren. CoFe₂O₄-QDs zeigen in dieser Studie eine gute lineare Beziehung mit der Lichtabsorption und potenziell ROS-Generierung mit der Kombination von NIR-Laser, was weiter beweist, dass CoFe₂O₄-QDs als vorteilhafter Photosensibilisator wirken können. Als Nächstes können wir die Struktur weiter optimieren oder thermisch empfindliche Elemente zu CoFe₂O₄-QDs hinzufügen, was eine höhere thermische Transmissionsrate für bessere synergistische PTT- und PDT-Effekte erreichen könnte [44, 45]. Zudem ist das Aufbringen von chemischen Medikamenten oder Antikörpern auf die Oberfläche von CoFe₂O₄-QDs ebenfalls machbar, was eine überlegene Abtötungseffizienz bringen könnte. Zum Beispiel könnte der Ansatz, Anti-PD-L1- oder Anti-CTLA-4-Antikörper an CoFe₂O₄-QDs zu binden, eine vielversprechende Kombinations-Therapie sein, um die immunsuppressive Mikroumgebung innerhalb von Tumoren zu durchbrechen, was unser nächstes Interesse ist, um eine vollständige Nutzung mit CoFe₂O₄-QDs zu machen.

Außerdem wurde der Mechanismus von CoFe₂O₄-QDs bei der Abtötung von NSCLC in dieser Studie aufgeklärt. Wir bestätigten, dass CoFe₂O₄-QDs NSCLC-Apoptose hauptsächlich durch ROS-Sekretion nach NIR-Laser-aktivierten synergistischen PDT- und PTT-Effekten induzieren. Übermäßige ROS-Generierung verursacht oxidativen Stress von Tumorzellen und direkt DNA-Schäden, was wiederum nachgeschaltete Signalwege aktiviert und dann den Tod von Tumorzellen induziert [46, 47]. Unter diesen hat zunehmende Evidenz gezeigt, dass der PI3K/AKT-Signalweg durch zelluläre ROS reguliert werden kann und zu mitochondrialer Dysfunktion führt [48, 49]. Es ist allgemein anerkannt, dass bei Aktivierung AKT durch PI3K phosphoryliert wird und daher das pro-apoptotische Protein Bax inaktiviert und Zellen vor Apoptose schützt. Zusätzlich ist phosphoryliertes AKT auch in der Lage, den MDM2/p53-Komplex zu stabilisieren, was das Zellüberleben reguliert [50]. In diesem Kontext wurde die Rolle eines solchen Signalwegs in CoFe₂O₄-QDs-induzierter ROS-Sekretion untersucht. Wie erwartet fanden wir, dass übermäßige ROS, verursacht durch CoFe₂O₄-QDs, die Expression der PI3K/AKT-Signalwege signifikant herunterregulierten und daher Tumorzellapoptose durch Aktivierung von Bax, aber Inaktivierung von Bcl-2-Protein verursachten. Dieser Befund wurde durch Hinzufügen eines ROS-Inhibitors weiter bestätigt, der die PI3K/AKT-Expression umkehrte und die ROS-Produktion verringerte. Da der PI3K/AKT-Signalweg bekanntermaßen Zellüberleben und -tod reguliert, insbesondere in Krebszellen, würde das Verständnis solcher Mechanismen von CoFe₂O₄-QDs bei der Abtötung von NSCLC helfen, mehr Optionen für Kombinations-Therapien zu entwickeln.

Zusammenfassend, um neuartige Photosensibilisatoren für alternative Tumorabtötungstherapie zu entwickeln, haben wir in dieser Studie erfolgreich CoFe₂O₄-QDs durch hydrothermalen Ansatz in kostengünstiger und einfacher Weise konstruiert. Die CoFe₂O₄-QDs haben eine breite NIR-Absorption, gute Biokompatibilität und photothermische Umwandlungsfähigkeit. Zusätzlich zeigten CoFe₂O₄-QDs im Vergleich zu zuvor berichteten QDs synergistische PTT/PDT-Effekte bei der Abtötung von NSCLC-Tumoren, was einen vielversprechenden multifunktionalen Wirkstoff in weiteren Phototherapien von NSCLC darstellt. Zudem konnten CoFe₂O₄-QDs mit NIR-Bestrahlung NSCLC hauptsächlich durch Induktion von ROS-Generierung über Regulierung der Bcl-2/Bax-Expression durch den upstream PI3K/AKT-Signalweg abtöten. Hinsichtlich der In-vivo-Tumorabtötungsfähigkeit konnten CoFe₂O₄-QDs kombiniert mit NIR die NSCLC-Tumor-Xenotransplantate vollständig ohne offensichtliche toxische Effekte eliminieren. Diese Ergebnisse beweisen, dass CoFe₂O₄-QDs vielversprechende Anwendungen besitzen, um als neuartiges NSCLC-Abtötungsreagenz entwickelt zu werden.

Schlussfolgerung

Alles in allem könnten die von uns synthetisierten CoFe₂O₄-QDs überlegene PTT/PDT-synergistische Effekte bei der Unterdrückung von NSCLC durch Induktion von ROS-Generierung durch Regulierung des PI3K/AKT-Signalwegs aufweisen, was Licht auf die Mechanismusforschung und Anwendungen neuartiger Photosensibilisator-Etablierungen wirft.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf angemessene Anfrage vom korrespondierenden Autor erhältlich.