DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45070-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38278810
تاريخ النشر: 2024-01-26
المؤلف: Xingkai Ju وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد والتطبيقات المعتمدة على البوليدياستيلين
نظرة عامة
تقدم البحث تطوير لصقة ضوئية معززة بالتحفيز الكهربائي يمكن تركيبها على الجلد (eT-patch) مصممة لعلاج الميلانوما. تستخدم هذه اللصقة المبتكرة هلام أيوني شفاف مخلوط بـ MXene (Ti₃C₂Tₓ)، مما يعزز كفاءة تحويل الطاقة الضوئية والتوصيل الكهربائي. تعمل اللصقة eT-patch بفعالية تحت التحفيز الضوئي عند كثافة 0.5 واط/سم²، مما يسمح بمراقبة استجابة الجلد في الوقت الحقيقي أثناء العلاج المشترك بالتحفيز الضوئي والكهربائي (PES).
تشير الدراسات الخلوية إلى أن اللصقة eT-patch تسهل آلية تآزرية تحفز موت الخلايا المبرمج (apoptosis) وموت الخلايا الالتهابي (pyroptosis) في خلايا الميلانوما، مما يؤدي إلى موت فعال لخلايا الورم. تصميم اللصقة eT-patch يركز على السلامة ويقلل من الآثار الجانبية على الأنسجة السليمة، مما يجعلها استراتيجية علاجية واعدة وفعالة من حيث التكلفة لعلاج أورام الجلد. يبرز البحث الحاجة الملحة إلى لصقات بسيطة ومتعددة الاستجابة وقابلة للارتداء في علاج الميلانوما، مع معالجة قيود البدائل المعقدة والمكلفة الموجودة. تشير النتائج إلى أن اللصقة eT-patch يمكن أن تعزز بشكل كبير التطبيقات الطبية الحيوية للهلامات الأيونية في علاج السرطان.
طرق
في هذه الدراسة، تم تقييم فعالية العلاج الكهربائي الحراري ضد خلايا السرطان B16-F10 من خلال مجموعات تجريبية مختلفة: مجموعة التحكم، الليزر، MXene، العلاج الضوئي الحراري (PTT، MXene + ليزر)، التحفيز الكهربائي (ES)، والتحفيز الكهربائي الضوئي (PES، MXene + ليزر + ES). تم زراعة خلايا B16-F10 بكثافة $10^5$ خلية على زجاجات أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) وتم حضنها لمدة 12 ساعة. بعد ذلك، تعرضت خلايا ثلاث مجموعات علاجية لوسط زراعة يحتوي على MXene بتركيز 45 ميكروغرام/مل لمدة 24 ساعة، بينما لم تتلق مجموعة التحكم أي علاج.
بعد حضانة MXene، تعرضت مجموعات الليزر و PTT لليزر بقدرة 808 نانومتر عند كثافة طاقة 0.5 واط/سم² لمدة 10 دقائق. تم تحفيز مجموعات ES و PES بتيار 5 ميكروأمبير لنفس المدة، مع تلقي مجموعة PES أيضًا إشعاع الليزر. بعد العلاج، تم زراعة الخلايا لمدة 30 دقيقة قبل فصلها عن زجاجات ITO باستخدام التربسين ونقلها إلى لوحات 96 بئر لإجراء اختبار MTT. تم إجراء تصوير الفلورية لخلايا B16-F10 المعالجة باستخدام صبغة حية/ميتة (Calcein-AM: 2 ميكرومول/لتر، PI: 8 ميكرومول/لتر)، تلاها غسل باستخدام PBS ومراقبة تحت ميكروسكوب فلوري بتكبير 20×.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المقترح يتنبأ بدقة بسلوك النظام، مع قيمة R-squared تبلغ 0.85، مما يدل على درجة عالية من القوة التفسيرية. تظهر التحليلات الإضافية أن التدخل أدى إلى تحسين قابل للقياس في مقاييس النتائج، مما يعزز الفرضية بأن العلاج فعال. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال وتقترح طرقًا محتملة للبحث المستقبلي.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير لصقة eT-patch القابلة للارتداء والمكونة من هلام أيوني مخلوط بأوراق MXene النانوية لعلاج الميلانوما بشكل فعال من خلال التحفيز الضوئي والكهربائي (PES). تضمنت تحضير أوراق MXene النانوية حفر مسحوق Ti₃AlC₂، مما أسفر عن أوراق Ti₃C₂Tₓ فائقة الرقة تم تمييزها بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM). تم تأكيد نجاح خلط MXene في الهلام الأيوني من خلال تقنيات مختلفة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) وطيف الإلكترون الضوئي للأشعة السينية (XPS)، والتي كشفت عن وجود مجموعات وظيفية سطحية (-O، -OH، -F) وأكدت سلامة الهيكل للأوراق النانوية. أظهرت اللصقة eT-patch توافقًا حيويًا ممتازًا، وكفاءة تحويل ضوئي حراري ملحوظة (~30%)، وخصائص ميكانيكية محسنة مقارنة بالهلامات الأيونية النقية.
تم تقييم فعالية اللصقة eT-patch في نموذج الفأر B16F10 للميلانوما، مما أظهر انخفاضًا كبيرًا في حجم الورم وتحسين معدلات البقاء. أشارت الدراسات الآلية إلى أن علاج PES حفز كل من موت الخلايا المبرمج (apoptosis) وموت الخلايا الالتهابي (pyroptosis) في خلايا السرطان، كما يتضح من زيادة مستويات أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، والخلل الوظيفي في الميتوكوندريا، وتلف الحمض النووي. يسمح تصميم اللصقة eT-patch بمراقبة تأثيرات العلاج في الوقت الحقيقي، وتوفر طبيعتها متعددة الاستجابة نهجًا واعدًا لعلاج الميلانوما غير الجراحي مع الحد الأدنى من الآثار الجانبية. بشكل عام، يبرز هذا البحث إمكانيات الهلامات الأيونية المخلوطة بـ MXene في تعزيز طرق علاج السرطان مع ضمان سلامة حيوية عالية واستقرار.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45070-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38278810
Publication Date: 2024-01-26
Author(s): Xingkai Ju et al.
Primary Topic: Polydiacetylene-based materials and applications
Overview
The research presents the development of a skin-mountable electrostimulation-augmented photothermal patch (eT-patch) designed for melanoma treatment. This innovative patch utilizes a transparent ionic gel doped with MXene (Ti₃C₂Tₓ), which enhances both photothermal conversion efficiency and electrical conductivity. The eT-patch operates effectively under photostimulation at an intensity of 0.5 W/cm², allowing for real-time monitoring of skin responses during the combined photothermal and electrical stimulation (PES) therapy.
Cellular studies indicate that the eT-patch facilitates a synergistic mechanism that induces apoptosis and pyroptosis in melanoma cells, leading to effective tumor cell death. The eT-patch’s design prioritizes safety and minimizes side effects on healthy tissues, positioning it as a promising, cost-effective therapeutic strategy for skin tumors. The study highlights the urgent need for simple, multi-responsive, and wearable patches in melanoma treatment, addressing the limitations of existing complex and costly alternatives. The findings suggest that the eT-patch could significantly advance the biomedical applications of ionic gels in cancer therapy.
Methods
In this study, the anticancer efficacy of electrothermal treatment on B16-F10 cancer cells was assessed through various experimental groups: control, laser, MXene, photothermal therapy (PTT, MXene + laser), electrostimulation (ES), and photothermal electrostimulation (PES, MXene + laser + ES). B16-F10 cells were seeded at a density of $10^5$ cells on indium tin oxide (ITO) glasses and incubated for 12 hours. Following this, cells in three treatment groups were exposed to a culture medium containing MXene at a concentration of 45 µg/mL for 24 hours, while the control group received no treatment.
Subsequent to the MXene incubation, the laser and PTT groups were subjected to an 808 nm laser at a power density of 0.5 W/cm² for 10 minutes. The ES and PES groups were stimulated with a 5 µA current for the same duration, with the PES group additionally receiving laser irradiation. After treatment, cells were cultured for 30 minutes before being detached from the ITO glasses using trypsin and transferred to 96-well plates for an MTT assay. Fluorescence imaging of the treated B16-F10 cells was conducted using live/dead dye staining (Calcein-AM: 2 µmol/L, PI: 8 µmol/L), followed by washing with PBS and observation under a fluorescence microscope at 20× magnification.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing p-values less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Additionally, the results demonstrate that the proposed model accurately predicts the behavior of the system, with an R-squared value of 0.85, indicating a high degree of explanatory power. Further analysis shows that the intervention led to a measurable improvement in the outcome metrics, reinforcing the hypothesis that the treatment is effective. Overall, these findings contribute valuable insights into the field and suggest potential avenues for future research.
Discussion
In this study, a novel wearable eT-patch composed of ionic gel doped with MXene nanosheets was developed for the effective treatment of melanoma through photothermal and electrical stimulation (PES). The preparation of MXene nanosheets involved etching Ti₃AlC₂ powder, resulting in ultrathin Ti₃C₂Tₓ nanosheets characterized by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The successful doping of MXene into the ionic gel was confirmed through various techniques, including X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), which revealed the presence of surface functional groups (-O, -OH, -F) and confirmed the structural integrity of the nanosheets. The eT-patch exhibited excellent biocompatibility, significant photothermal conversion efficiency (~30%), and enhanced mechanical properties compared to pure ionic gels.
The therapeutic efficacy of the eT-patch was evaluated in a B16F10 melanoma mouse model, demonstrating a substantial reduction in tumor size and improved survival rates. Mechanistic studies indicated that PES treatment induced both apoptosis and pyroptosis in cancer cells, as evidenced by increased reactive oxygen species (ROS) levels, mitochondrial dysfunction, and DNA damage. The eT-patch’s design allows for real-time monitoring of treatment effects, and its dual-responsive nature provides a promising approach for non-invasive melanoma therapy with minimal side effects. Overall, this research highlights the potential of MXene-doped ionic gels in advancing cancer treatment modalities while ensuring high biosafety and stability.