DOI: https://doi.org/10.1039/d3sc06899d
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38699260
تاريخ النشر: 2024-01-01
المؤلف: Xinrui Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأطر العضوية المعدنية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة مستشعرًا ضوئيًا نسبيًا جديدًا مصممًا خصيصًا للكشف عن دواء CRPC هيدروكسي فلوتاميد، باستخدام إطار معدني عضوي ثنائي المعدن يورانيوم/تيربيوم مستقر في الماء (Eu/Tb-MOF) تم تطويره حديثًا. هذا الإطار غير المسامي، الذي تم بناؤه من ربيطة مترافقة عالية، يظهر استقرارًا تحت الظروف الفسيولوجية وقادر على تشكيل مصفوفات مضيئة تميز بفعالية بين مختلف أدوية CRPC. ومن الجدير بالذكر أن مركب MOF@هيدروكسي فلوتاميد يظهر حساسية عالية في الكشف عن علامات CRPC الحيوية، مثل مستضد البروستاتا النوعي (PSA) ومستقبل الأندروجين (AR)، تحت ظروف واقعية تشمل تباينات التركيز، والمخاليط، وسوائل الجسم.
تشمل آليات الكشف الأساسية تفاعلات الروابط الهيدروجينية، والتفاعلات الكهروستاتيكية، وتعطيل نقل الطاقة بين أيونات التيربيوم واليوروبيوم داخل الإطار. لا تبرز هذه النتائج فقط إمكانيات الإطارات المعدنية العضوية الثنائية المعدن في الكشف عن الأدوية، بل تقترح أيضًا سبلًا للبحث المستقبلي، بما في ذلك دمج الإطارات المعدنية العضوية من اللانثانيد مع الأجسام المضادة أو الحمض النووي المستهدف لإنشاء مصفوفات مضيئة متعددة الوظائف للكشف عن علامات حيوية محددة. يمكن أن تساعد هذه التطورات بشكل كبير المهنيين الطبيين في تشخيص CRPC، مما يساهم في تقليل معدلات الوفيات المرتبطة بالمرض.
مقدمة
سرطان البروستاتا (PC) هو ثاني أكثر أنواع السرطان شيوعًا بين الرجال وأحد الأسباب الرئيسية للوفيات المرتبطة بالسرطان، حيث يؤثر على أكثر من 1.2 مليون فرد سنويًا. حوالي 20% من هؤلاء المرضى يظهرون بمرض متقدم أو نقيل، وغالبًا ما يتطلب الأمر مراقبة نشطة بسبب الطبيعة غير العرضية لسرطان البروستاتا في مراحله المبكرة. يعتبر مستضد البروستاتا النوعي (PSA) علامة حيوية رئيسية للتشخيص المبكر، حيث توجد مستويات مرتفعة في 25% إلى 92% من حالات سرطان البروستاتا. طرق الكشف الحالية، بما في ذلك اختبار الامتصاص المناعي المرتبط بالإنزيم (ELISA) واختبار المناعة الكيميائية (ECLIA)، لها حدود كشف منخفضة ولكن لا تزال تتطلب تحسينات في راحة المرضى وكفاءة التشخيص.
تظل معالجة الحرمان من الأندروجين (ADT) العلاج الأساسي لسرطان البروستاتا المتقدم، على الرغم من أنها يمكن أن تؤدي إلى سرطان البروستاتا المقاوم للإخصاء (CRPC) في غضون بضع سنوات، مع معدل بقاء لمدة خمس سنوات يبلغ 41% فقط. يعتبر مستقبل الأندروجين (AR) عاملًا مهمًا في تقدم CRPC، حيث لوحظ تضخيم الجين في 30% إلى 50% من الحالات، مما يجعله علامة حيوية قيمة للتشخيص. تقدم التطورات الأخيرة في المستشعرات الضوئية، وخاصة الإطارات المعدنية العضوية من اللانثانيد (Ln-MOFs)، سبلًا واعدة للكشف الحساس عن علامات سرطان البروستاتا وCRPC. تقدم هذه الدراسة تخليق إطارات معدنية عضوية ثنائية المعدن كثيفة Eu$_x$Tb$_{1-x}$-MOFs مصممة لإنشاء مصفوفات مضيئة قادرة على الكشف عن الأدوية والعلامات الحيوية المتعلقة بـ CRPC وقياسها، محققة حدود كشف تبلغ 0.14 نانومتر لـ AR و0.53 بيكومول لـ PSA. يتم دعم آلية الكشف المقترحة من خلال تقنيات التوصيف المتقدمة، بما في ذلك قياسات الجهد الزتاوي ومدة اللمعان، إلى جانب حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT).
النتائج
في هذه الدراسة، تم تخليق إطارين معدنيين عضويين ثلاثي الأبعاد جديدين (MOFs)، Eu-MOF وTb-MOF، باستخدام ربيطة H₂L لتعزيز كفاءة نقل الطاقة بين أيونات اللانثانيد. الهيكل الكثيف للإطارات، الذي يتميز بمسام ضيقة، يسهل القرب بين المراكز الضوئية، مما يعزز تسلسل الطاقة بين أيونات Eu³⁺ وTb³⁺. تم تأكيد الهياكل البلورية من خلال حيود الأشعة السينية أحادية البلورة، مما يكشف عن خصائص هيكلية متشابهة وبيئات تنسيق ملائمة لنقل الطاقة بكفاءة، مع مسافات Ln-Ln ملحوظة تبلغ 4.01 Å. أظهرت الإطارات المعدنية العضوية التي تم تخليقها امتصاصًا قويًا للأشعة فوق البنفسجية ولمعانًا، مع عوائد كمية تبلغ 21% لـ Eu-MOF و14% لـ Tb-MOF، بينما أظهرت الإطارات المختلطة من اللانثانيد خصائص انبعاث محسنة.
تم الاستفادة من الخصائص اللمعانية للإطارات للكشف النسبي عن هيدروكسي فلوتاميد، وهو دواء مرتبط بآثار جانبية كبيرة. أظهر MOF 3 تأثيرًا ملحوظًا على إخماد اللمعان، مما سمح بحد كشف يبلغ 8.37 fM. تم التحقق من أداء المستشعر من خلال علاقة خطية بين نسب اللمعان وتركيز الدواء في مصل الإنسان، مما يشير إلى إمكانيته للتطبيقات العملية. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام تحليل المكونات الرئيسية (PCA) وتحليل التجميع الهرمي (HCA) لتصنيف وتمييز مختلف أدوية CRPC بناءً على الاستجابات اللمعانية، مما يظهر فعالية مصفوفة المستشعر في تحديد عدة مواد تحليلية مع انتقائية عالية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم استخدام حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) للتحقيق في التفاعلات بين هيدروكسي فلوتاميد وEu-MOF (MOF 1). نظرًا لأن أبعاد هيدروكسي فلوتاميد تتجاوز حجم المسام في MOF 1، فمن المتوقع أن يتفاعل الجزيء بشكل أساسي مع السطح الخارجي للإطار. تم إنشاء نموذج عنقودي يحاكي البيئة المحلية لثلاثة مواقع معدنية مفتوحة من Eu³⁺ لاستكشاف أوضاع الربط المحتملة لهيدروكسي فلوتاميد. كشفت الحسابات أن هيدروكسي فلوتاميد يتجه بشكل تفضيلي لتعظيم التفاعلات مع الإطار، بما في ذلك الربط الكبير بين مجموعة الكربونيل وموقع Eu³⁺، بالإضافة إلى الروابط الهيدروجينية وتفاعلات التكديس π-π. تدعم طاقة التفاعل المحسوبة البالغة -86.6 كيلوجول مول⁻¹ الألفة الملحوظة لهيدروكسي فلوتاميد مع MOF 1.
تم توضيح آلية الكشف عن علامات CRPC الحيوية، وخاصة PSA وAR، مع تسليط الضوء على تأثير الإخماد الانتقائي لهيدروكسي فلوتاميد على نقل الطاقة بين أيونات Tb³⁺ وEu³⁺ في MOF 3. أظهرت الدراسة أن مجموعات سحب الإلكترون في هيدروكسي فلوتاميد تسهل هذا الإخماد، مما يمكّن الكشف الحساس عن العلامات الحيوية حتى في المصفوفات البيولوجية المعقدة. أشارت تجارب تدهور اللمعان إلى تغييرات كبيرة في فترات الحياة عند إضافة PSA وAR، مما يؤكد تعطيل عمليات نقل الطاقة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن نظام MOF@هيدروكسي فلوتاميد هو منصة واعدة للكشف الحساس عن علامات CRPC الحيوية، مع تطبيقات محتملة في التشخيص السريري.
DOI: https://doi.org/10.1039/d3sc06899d
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38699260
Publication Date: 2024-01-01
Author(s): Xinrui Wang et al.
Primary Topic: Metal-Organic Frameworks: Synthesis and Applications
Overview
The research presents a novel ratiometric luminescent sensor specifically designed for the detection of the CRPC drug hydroxyflutamide, utilizing a newly developed water-stable dense bimetallic europium/terbium metal-organic framework (Eu/Tb-MOF). This nonporous MOF, constructed from a highly conjugated ligand, demonstrates stability under physiological conditions and is capable of forming luminescent arrays that effectively differentiate various CRPC drugs. Notably, the MOF@hydroxyflutamide composite exhibits high sensitivity in detecting CRPC biomarkers, such as prostate-specific antigen (PSA) and androgen receptor (AR), under realistic conditions involving concentration variations, mixtures, and body fluids.
The underlying sensing mechanisms involve hydrogen bonding interactions, electrostatic interactions, and energy transfer disruption between the terbium and europium ions within the MOF. These findings not only highlight the potential of luminescent bimetallic MOFs in drug detection but also suggest avenues for future research, including the integration of lanthanide-MOFs with antibodies or target DNA to create multifunctional luminescent arrays for specific biomarker detection. This advancement could significantly aid medical professionals in CRPC diagnostics, ultimately contributing to a reduction in mortality rates associated with the disease.
Introduction
Prostate cancer (PC) is the second most common cancer among men and a leading cause of cancer-related mortality, affecting over 1.2 million individuals annually. Approximately 20% of these patients present with advanced or metastatic disease, often requiring active surveillance due to the asymptomatic nature of early-stage PC. The prostate-specific antigen (PSA) is a key biomarker for early diagnosis, with elevated levels found in 25% to 92% of PC cases. Current detection methods, including enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) and chemiluminescence immunoassay (ECLIA), have low limits of detection but still necessitate improvements in patient comfort and diagnostic efficiency.
Androgen deprivation therapy (ADT) remains the primary treatment for advanced PC, although it can lead to castration-resistant prostate cancer (CRPC) within a few years, with a five-year survival rate of only 41%. The androgen receptor (AR) is a significant factor in CRPC progression, with gene amplification observed in 30% to 50% of cases, making it a valuable biomarker for diagnosis. Recent advancements in luminescent sensors, particularly lanthanide metal-organic frameworks (Ln-MOFs), offer promising avenues for sensitive detection of PC and CRPC biomarkers. This study presents the synthesis of dense bimetallic Eu$_x$Tb$_{1-x}$-MOFs designed to create luminescent arrays capable of detecting and quantifying CRPC-related drugs and biomarkers, achieving detection limits of 0.14 nM for AR and 0.53 pM for PSA. The proposed detection mechanism is supported by advanced characterization techniques, including zeta potential and luminescence lifetime measurements, alongside density functional theory (DFT) calculations.
Results
In this study, two new three-dimensional lanthanide metal-organic frameworks (MOFs), Eu-MOF and Tb-MOF, were synthesized using the H₂L ligand to enhance energy transfer efficiency among lanthanide ions. The dense structure of the MOFs, characterized by narrow pores, facilitates proximity between optical centers, promoting energy cascading between Eu³⁺ and Tb³⁺ ions. The crystal structures were confirmed via single crystal X-ray diffraction, revealing isostructural characteristics and coordination environments conducive to efficient energy transfer, with notable Ln-Ln distances of 4.01 Å. The synthesized MOFs exhibited strong UV absorption and luminescence, with quantum yields of 21% for Eu-MOF and 14% for Tb-MOF, while mixed lanthanide frameworks demonstrated enhanced emission properties.
The luminescent properties of the MOFs were leveraged for ratiometric sensing of hydroxyflutamide, a drug associated with significant side effects. MOF 3 displayed a pronounced quenching effect on luminescence, allowing for a limit of detection of 8.37 fM. The sensor’s performance was validated through a linear relationship between luminescence ratios and drug concentration in human serum, indicating its potential for practical applications. Additionally, principal component analysis (PCA) and hierarchical cluster analysis (HCA) were employed to classify and discriminate various CRPC drugs based on luminescent responses, demonstrating the sensor array’s effectiveness in identifying multiple analytes with high selectivity.
Discussion
In this study, density functional theory (DFT) calculations were employed to investigate the interactions between hydroxyflutamide and the Eu-MOF (MOF 1). Given that the dimensions of hydroxyflutamide exceed the pore size of MOF 1, it is anticipated that the molecule interacts primarily with the external surface of the MOF. A cluster model simulating the local environment of three Eu³⁺ open metal sites was created to explore potential binding modes of hydroxyflutamide. The calculations revealed that hydroxyflutamide preferentially orients itself to maximize interactions with the MOF, including significant bonding between its carbonyl group and the Eu³⁺ site, as well as hydrogen bonding and π-π stacking interactions. The calculated interaction energy of -86.6 kJ mol⁻¹ supports the observed affinity of hydroxyflutamide for MOF 1.
The detection mechanism for CRPC biomarkers, particularly PSA and AR, was elucidated, highlighting the selective quenching effect of hydroxyflutamide on the energy transfer between Tb³⁺ and Eu³⁺ ions in MOF 3. The study demonstrated that hydroxyflutamide’s electron-withdrawing groups facilitate this quenching, enabling sensitive detection of biomarkers even in complex biological matrices. The luminescence decay experiments indicated significant changes in lifetimes upon the addition of PSA and AR, confirming the disruption of energy transfer processes. Overall, the findings suggest that the MOF@hydroxyflutamide system is a promising platform for the sensitive detection of CRPC biomarkers, with potential applications in clinical diagnostics.