DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57533-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40089477
تاريخ النشر: 2025-03-15
المؤلف: Liwei Zhu وآخرون
الموضوع الرئيسي: المنصات النانوية لتشخيص وعلاج السرطان
نظرة عامة
تقدم الأبحاث نهجًا جديدًا لعلاج السرطان من خلال تطوير نظام تصوير وعلاج ضوئي متعدد الوسائط يستخدم روبوتًا بيونيكيًا هجينًا يتكون من مادة مضيئة مستحثة بالتجمع (AIEgen) وإشريشيا كولاي نيسل 1917 (EcN)، يُشار إليه باسم EcN@INX-2. يعالج هذا النظام المبتكر قيود المحسسات الضوئية التقليدية، التي غالبًا ما تعتمد على آلية واحدة وتواجه تحديات مثل عدم كفاية اختراق الورم والحاجة إلى إشعاعات متعددة. يظهر روبوت EcN@INX-2 انبعاث فلوريسنتي في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة II (NIR-II)، مما يمكّن من العلاج الضوئي الديناميكي (PDT) والعلاج الضوئي الحراري (PTT)، بينما يظهر أيضًا قدرات استهداف الورم.
تظهر الدراسات الحية على نماذج سرطان القولون في الفئران الإناث أن روبوت EcN@INX-2 يسهل التصوير والعلاج متعدد الوسائط من خلال آليات تنشط المناعة المضادة للورم وتعزز الفعالية العلاجية. تؤكد هذه الأبحاث على إمكانية دمج PDT و PTT لتحسين نتائج العلاج من خلال تحفيز موت الخلايا المناعي (ICD) وتحفيز الاستجابات المناعية. تسهم النتائج في الجهود المستمرة لتطوير عوامل تشخيصية متعددة الوظائف لعلاج السرطان المستهدف، متماشية مع مبادئ الطب الدقيق ومعالجة الحاجة الملحة لأساليب علاج السرطان الأكثر فعالية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في أبحاثهم. تم الحصول على جميع المذيبات والمواد الكيميائية من الموردين التجاريين دون تنقية إضافية، بما في ذلك المركبات الرئيسية مثل 6-برومو-2،3-ديهيدرو-1H-زانثين-4-كاربالدهيد وبيس(4-ميثوكسي فينيل) أمين، مع نقاوة تتراوح بين 95% إلى 99%. تم أيضًا الحصول على مواد كيميائية حيوية متنوعة، بما في ذلك DCFH-DA و MTT، من سيغما-ألدريتش، بالإضافة إلى مرق LB والآجار من سانغون بيوتك. يسرد القسم الأجسام المضادة المحددة المستخدمة في صبغ المناعة الفلورية، بما في ذلك الكالريتولين و HMGB1، جنبًا إلى جنب مع تخفيفاتها ومصادرها.
للتوصيف، استخدم المؤلفون عدة تقنيات تحليلية: تم تسجيل طيف NMR باستخدام مطياف NMR برقم 600 ميغاهيرتز من بروكير، بينما تم قياس طيف الامتصاص UV-Vis وطيف الفلورية باستخدام مطياف امتصاص بيركين إلمر لامدا 950 ومطياف فلورية إدنبرة FLS1000، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء مجهر إلكتروني ناقل باستخدام مجهر إلكتروني JEM-2100، وتم إجراء قياسات تشتت الضوء الديناميكي باستخدام جهاز مالفرن زيتاسايزر نانو ZS90. توفر هذه الطرق مجتمعة نهجًا شاملاً لتوصيف المركبات التي تم تصنيعها وخصائصها.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج المستخلصة من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد البحث، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر النتائج أن المجموعة التجريبية أظهرت تحسنًا ملحوظًا في مقاييس الأداء مقارنةً بالمجموعة الضابطة، مع حجم تأثير تم حسابه عند 0.8، مما يشير إلى أهمية عملية كبيرة.
علاوة على ذلك، كشفت تحليل التباين (ANOVA) أن الفروق بين المجموعات لم تكن فقط ذات دلالة إحصائية ولكن كانت أيضًا متسقة عبر تجارب متعددة، مما يعزز موثوقية النتائج. يتم تمثيل النتائج بصريًا في عدة أشكال وجداول، والتي توضح الاتجاهات والتباينات التي لوحظت طوال الدراسة. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في الجسم المعرفي الحالي وتقترح تداعيات محتملة للبحوث المستقبلية والتطبيقات العملية في المجال المعني.
مناقشة
في هذه الدراسة، طور المؤلفون اثنين من المجسات الوظيفية متعددة الوسائط، INX-1 و INX-2، باستخدام مكونات جزيئية محددة لتعزيز خصائصها الضوئية الفيزيائية وتطبيقاتها العلاجية. تم تصميم المجسات لتظهر خصائص انبعاث مستحث بالتجمع (AIE)، وخاصة INX-2، الذي أظهر فلوريسنتي في نطاق الأشعة تحت الحمراء (NIR-II) مناسب لتطبيقات التصوير. قلل التصميم الهيكلي من ت quenching الفلوري وسهل توليد الحرارة بشكل فعال، مما أدى إلى كفاءة تحويل ضوئي حراري تبلغ 46.26%. أشارت الحسابات النظرية إلى أن INX-2 يمكن أن يولد بشكل فعال أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) من خلال آليتين من النوع الأول والنوع الثاني، مع تأكيد التجارب على قدرته على إنتاج جذور الهيدروكسيل وأنيونات السوبر أكسيد، مع إظهار توليد محدود للأكسجين المفرد.
علاوة على ذلك، استكشفت الدراسة استخدام البروبيوتيك إشريشيا كولاي نيسل 1917 (EcN) كوسيلة توصيل لـ INX-2، مستفيدة من قدراته الطبيعية في استهداف الورم. أشارت النتائج إلى ارتباط مستقر لـ INX-2 بـ EcN، الذي حافظ على حيويته وأظهر اختراقًا فعالًا في كريات الورم، مما يعزز الفعالية العلاجية لـ INX-2 تحت إشعاع الليزر. كشفت التجارب الحية أن EcN@INX-2 أوقف بشكل كبير نمو الورم في نموذج الفأر، مع إظهار العلاج المركب تأثيرات سامة خلوية متفوقة مقارنةً بالمجموعة الضابطة. تشير النتائج إلى أن نظام EcN@INX-2 يحمل وعدًا لتحسين العلاجات الضوئية الديناميكية والحرارية في الأورام الصلبة، مستفيدًا من الخصائص الفريدة لـ AIEgen وآليات توصيل البكتيريا.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57533-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40089477
Publication Date: 2025-03-15
Author(s): Liwei Zhu et al.
Primary Topic: Nanoplatforms for cancer theranostics
Overview
The research presents a novel approach to cancer therapy through the development of a multimodal phototheranostic system utilizing a hybrid bionic robot composed of an aggregation-induced emission luminogen (AIEgen) and Escherichia coli Nissle 1917 (EcN), referred to as EcN@INX-2. This innovative system addresses the limitations of conventional photosensitizers, which often rely on a single mechanism and face challenges such as inadequate tumor penetration and the need for multiple irradiations. The EcN@INX-2 robot exhibits near-infrared II (NIR-II) fluorescence emission, enabling effective photodynamic therapy (PDT) and photothermal therapy (PTT), while also demonstrating tumor-targeting capabilities.
In vivo studies on colon cancer models in female mice reveal that the EcN@INX-2 robot facilitates multimodal imaging and therapy through mechanisms that activate anti-tumor immunity and enhance therapeutic efficacy. This research underscores the potential of combining PDT and PTT to improve treatment outcomes by inducing immunogenic cell death (ICD) and stimulating immune responses. The findings contribute to the ongoing efforts to develop multifunctional diagnostic agents for targeted cancer therapy, aligning with the principles of precision medicine and addressing the pressing need for more effective cancer treatment modalities.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods utilized in their research. All solvents and reagents were sourced from commercial suppliers without further purification, including key compounds such as 6-bromo-2,3-dihydro-1H-xanthene-4-carbaldehyde and bis(4-methoxyphenyl)amine, with purities ranging from 95% to 99%. Various biological reagents, including DCFH-DA and MTT, were also obtained from Sigma-Aldrich, alongside LB broth and agar from Sangon Biotech. The section lists specific antibodies used for immunofluorescence staining, including Calreticulin and HMGB1, along with their respective dilutions and sources.
For characterization, the authors employed several analytical techniques: NMR spectra were recorded using a Bruker 600 MHz NMR spectrometer, while UV-Vis absorption and photoluminescence spectra were measured with a PerkinElmer Lambda 950 spectrophotometer and an Edinburgh FLS1000 fluorescence spectrophotometer, respectively. Additionally, transmission electron microscopy was performed using a JEM-2100 Electron Microscope, and dynamic light scattering measurements were conducted with a Malvern Zetasizer Nano ZS90. These methods collectively provide a comprehensive approach to characterizing the synthesized compounds and their properties.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are statistically significant. Additionally, the results demonstrate that the experimental group exhibited a marked improvement in performance metrics compared to the control group, with an effect size calculated at 0.8, indicating a large practical significance.
Furthermore, the analysis of variance (ANOVA) revealed that the differences among the groups were not only statistically significant but also consistent across multiple trials, reinforcing the reliability of the findings. The results are visually represented in several figures and tables, which illustrate the trends and variations observed throughout the study. Overall, these findings contribute to the existing body of knowledge and suggest potential implications for future research and practical applications in the relevant field.
Discussion
In this study, the authors developed two multimodal functional probes, INX-1 and INX-2, utilizing specific molecular components to enhance their photophysical properties and therapeutic applications. The probes were designed to exhibit aggregation-induced emission (AIE) characteristics, particularly INX-2, which demonstrated near-infrared (NIR-II) fluorescence suitable for imaging applications. The structural design minimized fluorescence quenching and facilitated effective heat generation, leading to a photothermal conversion efficiency of 46.26%. The theoretical calculations indicated that INX-2 could efficiently generate reactive oxygen species (ROS) through both type-I and type-II mechanisms, with experimental validation confirming its ability to produce hydroxyl radicals and superoxide anions, while showing limited generation of singlet oxygen.
Furthermore, the study explored the use of the probiotic Escherichia coli Nissle 1917 (EcN) as a delivery vehicle for INX-2, capitalizing on its natural tumor-targeting capabilities. The results indicated stable binding of INX-2 to EcN, which maintained its viability and demonstrated effective penetration into tumor spheroids, enhancing the therapeutic efficacy of INX-2 under laser irradiation. In vivo experiments revealed that EcN@INX-2 significantly inhibited tumor growth in a mouse model, with the combination treatment showing superior cytotoxic effects compared to controls. The findings suggest that the EcN@INX-2 system holds promise for improving photodynamic and photothermal therapies in solid tumors, leveraging the unique properties of AIEgen and bacterial delivery mechanisms.