DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-024-02982-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39529107
تاريخ النشر: 2024-11-11
المؤلف: Jinxuan Jia وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطورات في توصيل الأدوية عبر الجلد
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة لاصقة ميكرونيدل حية ضوئية جديدة (MN)، تُعرف باسم MA/CM@MN، مصممة لعلاج الميلانوما بعد الجراحة وشفاء الجروح الجلدية. تدمج هذه اللصقة الطحالب الدقيقة (MA) والميلانين من الحبار (CM) للاستفادة من عملية التمثيل الضوئي الهوائي للطحالب الدقيقة الحية، والتي تولد الأكسجين عند تعرضها للضوء. تعزز هذه الإنتاجية للأكسجين تكاثر خلايا الجلد وتحمي من موت الخلايا الناتج عن نقص الأكسجين. بالإضافة إلى ذلك، تمكّن الجسيمات النانوية لـ CM المدمجة في أطراف MN من التسخين الفعال تحت إشعاع الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، مما يعزز فعالية اللصقة في قتل خلايا الميلانوما في المختبر.
تشير النتائج التجريبية إلى أن لصقة MA/CM@MN تقلل بشكل كبير من تكرار الأورام المحلية وتعزز شفاء الجروح في الفئران الحاملة للميلانوما بعد استئصال الورم غير الكامل. تشمل الآلية الكامنة وراء هذه التأثيرات تثبيط تكاثر خلايا الورم، وتحفيز موت خلايا الورم، وتخفيف نقص الأكسجين في الأنسجة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن لصقة MA/CM@MN تمثل استراتيجية واعدة وفعالة لمواجهة التحديات في علاج السرطان بعد الجراحة وتحسين نتائج شفاء الجروح.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية التحديات الحرجة المرتبطة بالميلانوما الخبيثة، وهي أكثر أشكال سرطان الجلد عدوانية، والتي من المتوقع أن تشهد زيادة كبيرة في الحدوث والوفيات بحلول عام 2040. يتضمن العلاج الحالي بشكل أساسي الاستئصال الجراحي، لكن هذا غالبًا ما يؤدي إلى معدلات عالية من تكرار الورم ومضاعفات الجروح المزمنة. لمعالجة هذه القضايا، يقترح المؤلفون لصقة ميكرونيدل متعددة الوظائف جديدة (MN) تدمج الطحالب الضوئية الحية لتوفير إمداد بالأكسجين في الموقع، مما يعزز كل من علاج الورم وشفاء الجروح.
تم تصميم لصقة MN لتوصيل العوامل العلاجية بشكل فعال بينما تستخدم في الوقت نفسه الخصائص الضوئية الحرارية لميلانين الحبار (CM) لإزالة خلايا الورم المتبقية. يسمح دمج الطحالب الدقيقة بتوليد الأكسجين تحت التعرض للضوء، وهو أمر حاسم لتعزيز نمو خلايا الجلد وتخفيف نقص الأكسجين – وهي حالة تفاقم تقدم الورم وتؤخر الشفاء. تُظهر الدراسة أن لصقة MA/CM@MN لا تمنع فقط تكرار الورم وتعزز الشفاء في الجسم الحي، بل تعالج أيضًا الاحتياجات المتعددة الجوانب لعلاج الميلانوما بعد الجراحة من خلال دمج إزالة خلايا الورم، وتخفيف نقص الأكسجين، وتعزيز شفاء الجروح.
الطرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة للتحقيق في أهداف البحث. تم الحصول على مسحوق حبر الحبار من Henan Zhongda Hengyuan Biotechnology، بينما تم الحصول على ملح الصوديوم لحمض الهيالورونيك (HA) بوزن جزيئي قدره 1.5 مليون دالتون من Bloomage Biotechnology. تم الحصول على ميثاكريلات الأنهدريد (MA) من Sigma-Aldrich، بينما تم شراء الفينيل ليثيوم-2،4،6-ثلاثي ميثيل بنزويل فوسفونات (LAP) مع ثنائي ميثاكريلات الإيثيلين (PEGDA) من Aladdin. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على الطحالب الدقيقة، وتحديداً Chlorella pyrenoidosa، ووسيط ثقافي متخصص للطحالب الدقيقة من Nanjing Health Biotech.
من المحتمل أن تكون هذه المواد قد تم اختيارها لخصائصها المحددة التي تساهم في التصميم التجريبي، على الرغم من عدم تقديم تفاصيل إضافية حول تطبيقها والمنهجية العامة في هذا القسم.
النتائج
تظهر نتائج هذه الدراسة التطوير الناجح للاصقات ميكرونيدل حية ضوئية (MN)، وتحديداً MA/CM@MN، التي تدمج الميلانين (CM) وميكروبيولوجيا ضوئية (MA) لعلاج ضوئي حراري معزز (PTT) وتزويد بالأكسجين في علاج الأورام. تم تصنيع لصقات MN باستخدام طريقة تكرار القالب، مما أسفر عن مصفوفة منظمة جيدًا من الإبر المخروطية مع ألوان مميزة تشير إلى وجود CM وMA. كشفت التحليلات أن الجسيمات النانوية لـ CM أظهرت قطرًا هيدروديناميكيًا قدره 205.6 نانومتر وإمكان زتا سالب، مما يسهل تشتتها المستقر في المحاليل المائية. تحت إشعاع الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، أظهرت MN المحملة بـ CM تسخينًا ضوئيًا حراريًا كبيرًا، حيث وصلت درجة الحرارة إلى حوالي 55 درجة مئوية خلال 5 دقائق، بينما أظهرت MN غير المحملة تغييرات طفيفة في درجة الحرارة، مما يؤكد القدرات الفعالة للتحويل الضوئي الحراري لـ CM.
أشارت الدراسات في المختبر إلى أن لصقات MA/CM@MN لم تدعم فقط تكاثر الخلايا الليفية الجلدية البشرية (HSFs) بل أيضًا عززت إطلاق الأكسجين، مما خفف من الظروف الناجمة عن نقص الأكسجين. أظهرت اللصقات توافقًا جيدًا مع الخلايا، مع آثار سامة خلوية ضئيلة تم ملاحظتها حتى تحت إشعاع NIR. علاوة على ذلك، قللت لصقات MA/CM@MN بشكل كبير من حيوية خلايا الميلانوما الفأرية (B16F10) تحت علاج NIR، حيث انخفضت حيوية الخلايا إلى 6.58% و11.01% لمجموعتي CM@MN وMA/CM@MN، على التوالي. أظهرت التجارب في الجسم الحي أن لصقات MA/CM@MN منعت بشكل فعال نمو الورم وعززت شفاء الجروح في نموذج ما بعد الجراحة، مع مساهمة مكون MA في تزويد الأكسجين ومكون CM في تعزيز فعالية PTT. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات لصقات MA/CM@MN كاستراتيجية علاجية ذات وظيفتين لعلاج الأورام، تجمع بين التأثيرات الضوئية الحرارية مع تحسين تزويد الأكسجين لتخفيف تكرار الورم وتعزيز الشفاء.
المناقشة
في هذه الدراسة، طور المؤلفون لصقة ميكرونيدل حية ضوئية جديدة (MA/CM@MN) لعلاج الميلانوما وتعزيز شفاء الجروح الجلدية. تجمع اللصقة بين قاعدة من حمض الهيالورونيك (HA) الغنية بالطحالب الدقيقة الحية (MA) وجسيمات الميلانين (CM) في أطراف الميكرونيدل. يسهل MA توليد الأكسجين من خلال التمثيل الضوئي عند تعرضه للضوء، مما يعزز تكاثر خلايا الجلد ويحمي من موت الخلايا الناتج عن نقص الأكسجين. تمكّن الجسيمات النانوية لـ CM، المدمجة في أطراف الميكرونيدل، من التسخين الضوئي الحراري الفعال تحت إشعاع الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، مما يعزز بشكل كبير فعالية قتل خلايا الورم في المختبر.
أظهرت لصقة MA/CM@MN نتائج واعدة في الجسم الحي، حيث منعت بشكل فعال تكرار الورم المحلي بعد الاستئصال الجراحي وعززت شفاء الجروح. أشارت التحليلات النسيجية إلى أن اللصقة منعت تكاثر خلايا الورم، وحفزت الموت الخلوي، وخففت نقص الأكسجين في الأنسجة. تشير هذه النتائج إلى أن MA/CM@MN تمثل استراتيجية بسيطة ولكن فعالة لعلاج السرطان بعد الجراحة وشفاء الجروح، مستفيدة من الفوائد المزدوجة لتوليد الأكسجين والعلاج الضوئي الحراري.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-024-02982-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39529107
Publication Date: 2024-11-11
Author(s): Jinxuan Jia et al.
Primary Topic: Advancements in Transdermal Drug Delivery
Overview
The research presents a novel living photosynthetic microneedle (MN) patch, referred to as MA/CM@MN, designed for postoperative melanoma therapy and skin wound healing. This patch integrates microalgae (MA) and cuttlefish melanin (CM) to leverage the oxygenic photosynthesis of live microalgae, which generates oxygen when exposed to light. This oxygen production promotes skin cell proliferation and protects against hypoxia-induced cell death. Additionally, the CM nanoparticles embedded in the MN tips enable effective heating under near-infrared (NIR) irradiation, enhancing the patch’s efficacy in killing melanoma cells in vitro.
Experimental results indicate that the MA/CM@MN patch significantly reduces local tumor recurrence and enhances wound healing in melanoma-bearing mice following incomplete tumor resection. The mechanism underlying these effects includes the inhibition of tumor cell proliferation, induction of tumor cell apoptosis, and alleviation of tissue hypoxia. Overall, the findings suggest that the MA/CM@MN patch represents a promising and effective strategy for addressing challenges in postoperative cancer therapy and improving wound healing outcomes.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the critical challenges associated with malignant melanoma, the most aggressive form of skin cancer, which is projected to see a significant rise in incidence and mortality by 2040. Current treatment primarily involves surgical excision, but this often leads to high rates of tumor recurrence and chronic wound complications. To address these issues, the authors propose a novel multifunctional microneedle (MN) patch that integrates living photosynthetic algae to provide in situ oxygen supply, thereby enhancing both tumor therapy and wound healing.
The MN patch is designed to deliver therapeutic agents effectively while simultaneously utilizing the photothermal properties of cuttlefish melanin (CM) to ablate residual tumor cells. The incorporation of microalgae allows for oxygen generation under light exposure, which is crucial for promoting skin cell growth and mitigating hypoxia—a condition that exacerbates tumor progression and delays healing. The study demonstrates that the MA/CM@MN patch not only inhibits tumor recurrence and promotes wound recovery in vivo but also addresses the multifaceted needs of postsurgical melanoma therapy by combining tumor cell ablation, hypoxia alleviation, and enhanced wound healing.
Methods
In the experimental section of the study, various materials were utilized to investigate the research objectives. Cuttlefish ink powder was sourced from Henan Zhongda Hengyuan Biotechnology, while hyaluronic acid (HA) sodium salt with a molecular weight of 1.5 million Da was obtained from Bloomage Biotechnology. Methacrylic anhydride (MA) was acquired from Sigma-Aldrich, and lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoyl phosphonate (LAP) along with ethylene glycol dimethacrylate (PEGDA) were purchased from Aladdin. Additionally, microalgae, specifically Chlorella pyrenoidosa, and a specialized culture medium for microalgae were obtained from Nanjing Health Biotech.
These materials were likely selected for their specific properties that contribute to the experimental design, although further details on their application and the overall methodology are not provided in this section.
Results
The results of this study demonstrate the successful development of living photosynthetic microneedle (MN) patches, specifically MA/CM@MN, which integrate melanin (CM) and a photosynthetic microorganism (MA) for enhanced photothermal therapy (PTT) and oxygenation in tumor treatment. The MN patches were fabricated using a template replication method, resulting in a well-structured array of conical needles with distinct colorations indicating the presence of CM and MA. Characterization revealed that CM nanoparticles exhibited a hydrodynamic diameter of 205.6 nm and a negative zeta potential, facilitating their stable dispersion in aqueous solutions. Under near-infrared (NIR) irradiation, CM-loaded MNs demonstrated significant photothermal heating, reaching approximately 55 °C within 5 minutes, while unloaded MNs showed negligible temperature changes, confirming the effective photothermal conversion capabilities of CM.
In vitro studies indicated that MA/CM@MN patches not only supported the proliferation of human skin fibroblasts (HSFs) but also enhanced oxygen release, alleviating hypoxic conditions. The patches exhibited good cytocompatibility, with minimal cytotoxic effects observed even under NIR irradiation. Furthermore, the MA/CM@MN patches significantly reduced the viability of murine melanoma cells (B16F10) under NIR treatment, with cell viability dropping to 6.58% and 11.01% for CM@MN and MA/CM@MN groups, respectively. In vivo experiments demonstrated that the MA/CM@MN patches effectively inhibited tumor growth and promoted wound healing in a postsurgical model, with the MA component contributing to oxygenation and the CM component enhancing PTT efficacy. Overall, the study highlights the potential of MA/CM@MN patches as a dual-function therapeutic strategy for tumor treatment, combining photothermal effects with improved oxygenation to mitigate tumor recurrence and promote healing.
Discussion
In this study, the authors developed a novel living photosynthetic microneedle patch (MA/CM@MN) for the treatment of melanoma and enhancement of skin wound healing. The patch combines a hyaluronic acid (HA) base enriched with living microalgae (MA) and melanin nanoparticles (CM) in the microneedle tips. The MA facilitates oxygen generation through photosynthesis when exposed to light, promoting skin cell proliferation and protecting against hypoxia-induced cell death. The CM nanoparticles, embedded in the microneedle tips, enable effective photothermal heating under near-infrared (NIR) irradiation, which significantly enhances tumor cell killing efficacy in vitro.
The MA/CM@MN patch demonstrated promising results in vivo, effectively preventing local tumor recurrence following surgical resection and promoting wound healing. Histological analyses indicated that the patch inhibited tumor cell proliferation, induced apoptosis, and alleviated tissue hypoxia. These findings suggest that the MA/CM@MN represents a simple yet effective strategy for postoperative cancer therapy and wound healing, leveraging the dual benefits of oxygen generation and photothermal treatment.