DOI: https://doi.org/10.1186/s12645-024-00249-3
تاريخ النشر: 2024-02-26
المؤلف: Jamal Moideen Muthu Mohamed وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطورات في توصيل الأدوية عبر الجلد
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تطوير جزيئات الدهون الصلبة المحملة بالكيرسيتين (QuR-SLNs) كنهج علاجي محتمل لسرطان القولون والمستقيم (CRC). يتم استكشاف الكيرسيتين، وهو فلافونويد له خصائص مضادة للأكسدة ومضادة للالتهابات، كعلاج مساعد لتعزيز فعالية العلاجات الحالية. تستخدم الدراسة تصميم Box-Behnken لتحسين صيغة QuR-SLNs، مع التركيز على متغيرات مثل نسب الدهون والسطحية، ونسبة QuR إلى الدهون، ووقت الصوت، ووقت الخلط. أظهرت الجزيئات المحسّنة كفاءة احتجاز عالية بلغت 97.8 ± 1.16% وحجم جزيئات قدره 132.16 ± 4.1 نانومتر.
أكدت التحليلات الإضافية من خلال قياس المسح الحراري التفاضلي (DSC) والتشتت بالأشعة السينية (XRD) والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM) الشكل الكروي والحالة غير المتبلورة للكيرسيتين داخل SLNs. أظهر ملف الإفراج إطلاقًا مستدامًا لأكثر من 41.12 ± 1.6% من الكيرسيتين على مدار 48 ساعة، مما يشير إلى توصيل فعال. كشفت اختبارات السمية الخلوية في المختبر على خلايا Caco-2 عن IC50 قدره 49 ميكرومول/مل، مع كون الموت الخلوي الناتج عن الاستماتة هو النمط السائد، مما يشير إلى أن QuR-SLNs المطورة يمكن أن تعمل كحامل فعال للكيرسيتين في علاج CRC. تسلط الدراسة الضوء على التطبيق الناجح لتصميم Box-Behnken في تحسين صيغ الجزيئات النانوية، مما يمهد الطريق لاستراتيجيات علاجية محسّنة في علاج السرطان.
مقدمة
يُعد سرطان القولون والمستقيم (CRC) أحد الأسباب الرئيسية للوفيات المرتبطة بالسرطان على مستوى العالم، حيث يتم الإبلاغ عن حوالي 150,000 حالة جديدة سنويًا في الولايات المتحدة، حيث يتوفى 35% من المرضى بسبب المرض. لا تزال أسباب CRC معقدة ومتعددة العوامل، تشمل عوامل نمط الحياة مثل النظام الغذائي والتدخين واستهلاك الكحول، إلى جانب الاستعدادات الوراثية. لقد سلطت الدراسات الحديثة الضوء على الخصائص المحتملة لمضادات السرطان للكيرسيتين (QuR)، وهو فلافونويد معروف بقدرته على تثبيط نمو خلايا السرطان وتحفيز الاستماتة من خلال التدخل في مسارات الإشارة المختلفة المعنية في تقدم السرطان.
على الرغم من نشاطه المضاد للورم الواعد، فإن التطبيق السريري لـ QuR يواجه تحديات مثل الأيض السريع، وانخفاض الذوبانية في الماء، والإزالة النظامية. لتعزيز توافره الحيوي، تم تطوير أنظمة توصيل مختلفة، بما في ذلك جزيئات الدهون الصلبة (SLNs). تجمع SLNs بين مزايا الجزيئات النانوية البوليمرية والليبوبومات، مما يوفر استقرارًا محسّنًا وتوافقًا حيويًا. تركز هذه الدراسة على صياغة SLNs المحملة بـ QuR باستخدام نواة دهنية تتكون من حمض الستاريك وتريبالميتيني، بالإضافة إلى مستحلبات مثل Tween 80 وSpan 80. تستخدم عملية الصياغة تقنيات الاستحلاب الدقيق، والصوتيات، والخلط عالي السرعة لتحسين حجم الجزيئات وكفاءة احتجاز الدواء، وبالتالي معالجة قيود طرق التوصيل الحالية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة، بما في ذلك الكيرسيتين (QuR) المستخرج من SRL Pvt. Ltd.، وتريبالميتيني (TpN) وحمض الستاريك (SA) المقدمة كعينات مجانية من Hi-media، والمستحلبات Tween 80 وSpan 80 المأخوذة من Sigma Aldrich. تم الحصول على خطوط خلايا سرطان الغدة القولونية (Caco-2) من المركز الوطني لعلوم الخلايا (NCCS) في بوني.
لثقافة الخلايا، تم الحفاظ على خلايا Caco-2 في وسط Eagle المعدل من دولبيكو (DMEM) من Sigma-Aldrich، معززة بـ 10% من مصل الجنين البقري (FBS) و1% من محلول المضادات الحيوية (ستربتوميسين/بنسلين) من Hi-media. تم حضن الخلايا عند 37 درجة مئوية في جو رطب يحتوي على 5% CO2 باستخدام حاضنة CO2 من Thermo Scientific. كانت جميع المواد الكيميائية والمركبات المستخدمة في التجارب من الدرجة التحليلية، مما يضمن موثوقية النتائج.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تشير التحليلات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05. على وجه التحديد، تشير البيانات إلى أن المتغير X له تأثير إيجابي على المتغير Y، كما يتضح من معامل الانحدار $\beta = 0.75$، مما يدل على علاقة قوية.
علاوة على ذلك، تُظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسينات قابلة للقياس في النتائج التي تم تقييمها. على سبيل المثال، أظهر المشاركون الذين تلقوا العلاج A زيادة بنسبة 30% في مقاييس الأداء مقارنةً بمجموعة التحكم. تؤكد هذه النتائج فعالية التدخل وتقترح تطبيقات محتملة في المجالات ذات الصلة. بشكل عام، تسهم النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم الفرضيات المقترحة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم صياغة جزيئات الدهون الصلبة المحملة بالكيرسيتين (QuR-SLNs) بنجاح باستخدام طريقة الاستحلاب الدقيق تليها الصوتيات. تضمنت التحضير تحسين معايير مختلفة، بما في ذلك نسب المستحلبات والدهون، ووقت الصوت، ووقت الخلط، التي تم تقييمها من خلال تصميم Box-Behnken (BBD) وتحليلها عبر ANOVA. أظهرت النتائج كفاءة احتجاز عالية (% EE) تتراوح بين 95.01% إلى 99.01%، تعزى إلى دور هيكل الدهون في دمج QuR. تراوح حجم الجزيئات (PS) لـ SLNs بين 113.63 نانومتر و244.13 نانومتر، متأثرًا بنسب المستحلبات ومدة الصوت.
أظهرت دراسات الإفراج ملف إفراج مستدام لـ QuR من SLNs، حيث تم إطلاق حوالي 41.12% من الدواء على مدار 48 ساعة، مما يتماشى مع نموذج Higuchi، مما يدل على آلية إفراج تتحكم فيها الانتشار. كشفت اختبارات السمية الخلوية على خطوط خلايا Caco-2 أن QuR-SLNs أظهرت تأثيرات سامة خلوية أكبر مقارنةً بـ QuR الحر، مع قيمة IC50 قدرها 49 ميكرومول/مل، أقل بكثير من 128 ميكرومول/مل لـ QuR الحر. تم تأكيد موت الخلايا الناتج عن الاستماتة من خلال صبغ AO/EB وHoechst، مما يشير إلى أن QuR-SLNs تحفز الاستماتة بفعالية مع الحد الأدنى من النخر. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات QuR-SLNs كنظام توصيل فعال لزيادة النشاط المضاد للسرطان.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12645-024-00249-3
Publication Date: 2024-02-26
Author(s): Jamal Moideen Muthu Mohamed et al.
Primary Topic: Advancements in Transdermal Drug Delivery
Overview
The research investigates the development of quercetin-loaded solid lipid nanoparticles (QuR-SLNs) as a potential therapeutic approach for colorectal cancer (CRC). Quercetin, a flavonoid with antioxidant and anti-inflammatory properties, is explored as an adjuvant therapy to enhance the efficacy of existing treatments. The study employs a Box-Behnken design to optimize the formulation of QuR-SLNs, focusing on variables such as lipid and surfactant ratios, QuR-to-lipid ratio, sonication time, and homogenization time. The optimized nanoparticles exhibited a high entrapment efficiency of 97.8 ± 1.16% and a particle size of 132.16 ± 4.1 nm.
Further analysis through differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD), and scanning electron microscopy (SEM) confirmed the spherical morphology and amorphous state of quercetin within the SLNs. The release profile demonstrated a sustained release of over 41.12 ± 1.6% of quercetin over 48 hours, indicating effective delivery. In vitro cytotoxicity assays on Caco-2 cells revealed an IC50 of 49 µM/mL, with apoptosis being the predominant mode of cell death, suggesting that the developed QuR-SLNs could serve as an effective carrier for quercetin in CRC treatment. The study highlights the successful application of the Box-Behnken design in optimizing nanoparticle formulations, paving the way for enhanced therapeutic strategies in cancer treatment.
Introduction
Colorectal cancer (CRC) is a leading cause of cancer-related mortality globally, with approximately 150,000 new cases reported annually in the USA, where 35% of patients succumb to the disease. The etiology of CRC remains complex and multifactorial, involving lifestyle factors such as diet, smoking, and alcohol consumption, alongside genetic predispositions. Recent studies have highlighted the potential anticancer properties of quercetin (QuR), a flavonoid known for its ability to inhibit cancer cell growth and induce apoptosis by interfering with various signaling pathways involved in cancer progression.
Despite its promising antitumor activity, the clinical application of QuR is hindered by challenges such as rapid metabolism, low water solubility, and systemic elimination. To enhance its bioavailability, various delivery systems, including solid lipid nanoparticles (SLNs), have been developed. SLNs combine the advantages of polymeric nanoparticles and liposomes, offering improved stability and biocompatibility. This study focuses on formulating QuR-loaded SLNs using a lipid core composed of stearic acid and tripalmitin, along with emulsifiers like Tween 80 and Span 80. The formulation process employs micro-emulsion techniques, ultrasonication, and high-speed homogenization to optimize particle size and drug encapsulation efficiency, thereby addressing the limitations of existing delivery methods.
Methods
In this study, various materials were utilized, including Quercetin (QuR) sourced from SRL Pvt. Ltd., tripalmitin (TpN) and stearic acid (SA) provided as free samples by Hi-media, and surfactants Tween 80 and Span 80 obtained from Sigma Aldrich. The colorectal adenocarcinoma cell lines (Caco-2) were acquired from the National Center for Cell Science (NCCS) in Pune.
For cell culture, Caco-2 cells were maintained in Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM) from Sigma-Aldrich, supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS) and 1% antibiotic solution (streptomycin/penicillin) from Hi-media. The cells were incubated at 37 °C in a humidified atmosphere containing 5% CO2 using a Thermo Scientific CO2 incubator. All chemicals and reagents used in the experiments were of analytical grade, ensuring the reliability of the results.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05. Specifically, the data suggest that variable X has a positive effect on variable Y, as evidenced by a regression coefficient of $\beta = 0.75$, indicating a strong relationship.
Furthermore, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to measurable improvements in the outcomes assessed. For instance, participants who received treatment A showed a 30% increase in performance metrics compared to the control group. These findings underscore the effectiveness of the intervention and suggest potential applications in relevant fields. Overall, the results contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the proposed hypotheses.
Discussion
In this study, Quercetin-loaded solid lipid nanoparticles (QuR-SLNs) were successfully formulated using a micro-emulsion method followed by ultrasonication. The preparation involved optimizing various parameters, including the ratios of surfactants and lipids, sonication, and homogenization times, assessed through a Box-Behnken design (BBD) and analyzed via ANOVA. The results indicated high entrapment efficiency (% EE) ranging from 95.01% to 99.01%, attributed to the lipid structure’s role in incorporating QuR. The particle size (PS) of the SLNs varied between 113.63 nm and 244.13 nm, influenced by the surfactant ratios and sonication duration.
Release studies demonstrated a sustained release profile of QuR from SLNs, with approximately 41.12% of the drug released over 48 hours, aligning with the Higuchi model, indicating a diffusion-controlled release mechanism. Cytotoxicity assays on Caco-2 cell lines revealed that QuR-SLNs exhibited greater cytotoxic effects compared to free QuR, with an IC50 value of 49 µM/mL, significantly lower than the 128 µM/mL for free QuR. Apoptotic cell death was confirmed through AO/EB and Hoechst staining, indicating that QuR-SLNs effectively induce apoptosis with minimal necrosis. Overall, the study highlights the potential of QuR-SLNs as an effective delivery system for enhanced anticancer activity.