Las nanopartículas de sílice mesoporosas diseñadas orgánicamente en la superficie controlan la liberación de quercetina mediante estímulos de pH

Aug 06, 2023

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 20661 (2022) Citar este artículo

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Controlar la liberación prematura de fármacos hidrofóbicos como la quercetina en condiciones fisiológicas sigue siendo un desafío que motiva el desarrollo de portadores de fármacos inteligentes y receptivos en los últimos años. Este presente trabajo informó una modificación de la superficie de nanopartículas de sílice mesoporosas (MSN) mediante un compuesto funcional que tiene aminas (como un grupo cargado positivamente) y carboxílico (grupo cargado negativamente), a saber, 4-((2-aminoetil)amino)-4- Ácido oxobut-2-enoico (AmEA) preparado mediante un enfoque mecanoquímico simple. El impacto de la modificación de la superficie de MSN en las características físicas, texturales y morfológicas se evaluó mediante TGA, adsorción-desorción de N2, PSA-zeta, SEM y TEM. Se encontró que el área de superficie BET del MSN modificado con AmEA (MSN-AmEA) era de 858,41 m2 g-1 con un tamaño de poro de 2,69 nm que podía acomodar una alta concentración de quercetina 118% mayor que el MSN. Además, la estabilidad coloidal de MSN-AmEA mejoró enormemente, como lo indica el alto potencial zeta, especialmente a pH 4, en comparación con MSN. A diferencia de MSN, MSN-AmEA controla mejor la liberación de quercetina provocada por el pH, gracias a la presencia de grupos funcionales que tienen una interacción sensible a la pose, por lo que puede controlar completamente la liberación de quercetina, como lo elabora el estudio DFT. Por tanto, la liberación controlada de quercetina sobre MSN-AmEA verificó su capacidad de actuar como un sistema inteligente de administración de fármacos.

La quercetina (Que), 3,3′,4′,5,7‐pentahidroxiflavona (C15H10O7), es uno de los posibles compuestos dietéticos que existen como flavonoide polifenólico natural que se puede encontrar en diversas verduras, frutas y alimentos de origen vegetal. y bebidas1,2. Este compuesto tiene un amplio espectro de actividades biológicas, especialmente actividad anticancerígena hacia diversos cánceres de alto riesgo como el de mama, colon, páncreas, hígado, pulmón, próstata, vejiga, gástrico, óseo, sanguíneo, cerebral, cervical, ocular, etc.3 ,4. Debido a su efecto de dependencia de la dosis, este compuesto tiene actividad antioxidante en concentraciones bajas, pero provoca efectos quimioterapéuticos en concentraciones altas debido a sus funciones prooxidantes5. A una determinada concentración, la quercetina podría reducir la proliferación, inducir apoptosis e inhibir el proceso mitótico mediante varias vías como PI3K/Akt, MAPK o incluso mediante unión a PDK36,7. Desafortunadamente, este compuesto tiene baja solubilidad en agua, lo que reduce su biodisponibilidad. Por lo tanto, estudios previos han desarrollado polisacáridos inteligentes basados ​​en portadores de fármacos8,9,10, cargas liposomales11,12, partículas basadas en carbono13 y nanopartículas inorgánicas14,15,16, para abordar el problema. La función del portador del fármaco es garantizar que la quercetina llegue a las células objetivo, mejorando así la eficacia del tratamiento. Además, la carga debería ser capaz de almacenar altas concentraciones de moléculas de quercetina que posteriormente aumenten su efecto quimioterapéutico. Entre los portadores de fármacos mencionados, las nanopartículas de sílice mesoporosas son adecuadas para atrapar altas concentraciones de fármacos dada la ventaja de su naturaleza porosa y de estructura.

Las nanopartículas de sílice mesoporosas (MSN) han recibido considerable atención como potenciales portadores de fármacos debido a sus propiedades, tales como partículas ajustables y tamaño de poro, estructura y estructura porosa rígida y bien definida, alta relación área superficial-volumen, enriquecidas con grupos hidroxilo para mayor modificación y biocompatible17. Este nanomaterial, sin embargo, carece de control de la liberación de fármacos, lo que provoca ineficiencia y tratamientos de enfermedades ineficaces18. Por lo tanto, es de vital importancia realizar modificaciones adicionales para superar las deficiencias de este material. Xu et al.14 desarrollaron nanopartículas de sílice modificadas con poli(metacrilato de 2-(dietilamino)etilo) mediante polimerización radical por transferencia atómica fotoinducida, que exhiben una liberación de fármaco controlada por pH indicada por una alta concentración de fármaco liberada a pH 5,5 en lugar de pH 7,4. En otra investigación, Chen et al.19 emplearon nanopartículas de sílice mesoporosa (HMS) hueca recubierta de polidopamina para lograr la liberación controlable del fármaco mediante estímulos de pH. El mecanismo de liberación controlada se basó en la autodegradación de la polidopamina en condiciones ácidas, lo que resultó en la liberación de más del 40% del fármaco a pH 6,5, mientras que solo el 25,63% a pH 7,4. Otros investigadores también emplearon polímeros funcionales a base de aminoácidos, como polietilenimina20, polipéptidos21, quitosano22, etc., para crear funciones inteligentes para los sistemas de administración de fármacos. A pesar de su rendimiento de liberación controlada, la modificación de la superficie del MSN mediante sustancias poliméricas induce inherentemente un efecto de bloqueo de poros que afecta la disminución de las propiedades texturales, el aumento del tamaño de las partículas y también problemas de toxicidad. Además, la complejidad del procedimiento de síntesis de múltiples pasos, que incluye la síntesis polimérica, la activación superficial de nanopartículas, la polimerización o conjugación polimérica y la purificación, es también uno de los obstáculos que en algunos casos implican sustancias tóxicas inciertas y la pérdida de fármacos durante la preparación. . Por lo tanto, la funcionalización superficial rápida y sencilla de MSN sigue siendo un desafío en este campo de investigación.

La participación del organosilano en la ingeniería de superficies de MSN podría comprometer el problema de la liberación prematura de la plataforma portadora de fármacos de MSN. Los restos orgánicos en la superficie del MSN modificado con organosilano actúan como guardianes en el control de la liberación de moléculas del fármaco a través de estímulos luminosos23, pH24, ultrasonidos25, térmicos26, redox27 y otros estímulos, que mejoran sucesivamente la eficacia terapéutica. Además, este tipo de nanoportadores ofrece características biodegradables dadas por grupos funcionales orgánicos bajo determinadas condiciones biológicas26,28. Anteriormente, hemos preparado organosilano a base de amino como motivos de superficie de nanopartículas de Fe3O4@MSN núcleo-cubierta que controlaban el comportamiento de liberación de curcumina desencadenada por el pH29. La presencia de tales motivos de amina en las superficies de las nanopartículas suprime la liberación del fármaco en condiciones fisiológicas artificiales (~ 10%), mientras que una mayor cantidad de fármaco se escapa dentro de las nanopartículas en un entorno artificial de cáncer (49,12%). Alswieleh et al. investigaron las capacidades de carga y liberación de fármacos de tres grupos funcionales diferentes de organosilanos (como aminas, tiol y sulfonato) anclados a lo largo de los poros internos de MSN. Descubrieron que el grupo sulfonato que contiene MSN tiene una mayor eficiencia de carga de fármaco, mientras que el MSN modificado por aminas o grupos sulfonato tiene una característica de liberación controlada sobre los estímulos de pH30. En otro estudio, se introdujeron con éxito grupos multifuncionales, compuestos por aminas terciarias y grupos carboxílicos, en las superficies de MSN mediante un método de síntesis multicapa que exhibe un comportamiento de respuesta múltiple (enzimático, glutatión y sensible al pH)31. La presencia de carboxílicos y aminas en la superficie del MSN imitaba una estructura similar a un zwitterión que cambiaba de carga negativa a carga positiva o viceversa al cambiar el entorno. Esto conduce a la liberación de fármacos dirigidos específicamente al entorno del cáncer. Sin embargo, esta estrategia requiere varios pasos en la síntesis de nanopartículas que repercuten en aumentar el tamaño de las nanopartículas y generar más residuos químicos. Por lo tanto, nuestro enfoque diseñó un protocolo simple, rápido y fácil para diseñar la superficie de MSN que involucra una reacción de clic de tiol-eno para proporcionar aminas y grupos carboxílicos no solo en las superficies de MSN sino también en los canales de los poros.

Este presente trabajo demuestra la viabilidad de la ingeniería de superficies MSN al involucrar el enfoque de química de clic de tiol-eno para introducir aminas y motivos carboxílicos en el control del comportamiento de liberación de quercetina. El motivo molecular, que llamamos ácido 4-((2-aminoetil)amino)-4-oxobut-2-enoico (AmEA), se preparó simplemente mediante mecanoquímica y se acopló a la superficie de MSN enriquecida con tiol. Como planteamos la hipótesis, el MSN modificado (MSN-AmEA) tenía una carga de fármaco efectiva más alta y controlaba mejor la liberación del fármaco en comparación con el MSN prístino, lo que proclama un impacto positivo en nuestro enfoque. Este estudio también analiza la liberación cinética de quercetina para representar su mecanismo de liberación a partir de nanopartículas que también están respaldados por el estudio DFT.

El ortosilicato de tetraetilo (TEOS 98%), el mercaptopropil trimetoxisilano (MPtMS), el hidróxido de amonio (NH4OH), el azobisisobutironitrilo (AIBN 12% en peso en acetona) y la dimetilformamida (DMF) se adquirieron de Sigma-Aldrich. Anhídrido maleico, etilendiamina, bromuro de hexadeciltrimetilamonio (HtAB), etanol y metanol estaban disponibles comercialmente en Merck. La quercetina deshidratada (C15H10O7∙2H2O) se adquirió de Solarbio. El agua ultrapura se adquirió del Laboratorio Integrado de la Universitas Sebelas Maret. El tampón PBS se preparó disolviendo NaCl (8 g, Merck), KCl (0,2 g, Merck), Na2HPO4 (1,44 g, Merck) y KH2PO4 (0,24 g, Merck) en 1000 ml de agua desionizada. El pH se ajustó añadiendo HCl (Mallinckrodt) y NaOH (Merck).

La síntesis del compuesto AmEA se realizó modificando el procedimiento informado en trabajos anteriores32,33. Brevemente, se trituró anhídrido maleico (1,961 g, 0,019 mol) hasta obtener un polvo fino. Posteriormente, se dejó caer sabiamente etilendiamina (1,201 g, 0,019 mol) y se molió completamente usando mortal y pastel durante 30 minutos. Se obtuvo una textura húmeda y pegajosa y se envejeció durante 24 h. Posteriormente, el producto se lavó con una solución mixta de agua ultrapura y etanol (1:1 v/v), se evaporó lentamente a temperatura suave para producir una solución viscosa y luego se enfrió a temperatura ambiente. Se adquirieron los cristales amarillentos en forma de flores, se lavaron con acetonitrilo y se secaron al vacío. El compuesto era ácido 4-((2-aminoetil)amino)-4-oxobut-2-enoico (denominado AmEA).

Las nanopartículas de sílice mesoporosas se sintetizaron mediante el método sol-gel. Normalmente, se disolvió HtAB (0,78 g, 2,14 mmol) en una solución mixta de 21,6 ml de agua desionizada y 3,4 ml de etanol, seguido de la adición de TEA (53 µl, 0,0004 mmol). La mezcla se agitó durante 1 ha 60 °C en un baño de aceite de silicona. Posteriormente, se agregaron lentamente 2 ml de TEOS y se mantuvieron en condiciones de agitación suave durante 2 h. El MSN se recogió mediante centrifugación y se lavó varias veces usando agua desionizada. La plantilla de HtAB se eliminó mediante el método de reflujo seguido por nuestro trabajo anterior18.

La funcionalización de MSN se realizó mediante dos pasos. El primer paso fue la sililación para introducir los grupos tiol en las superficies del MSN. El segundo paso fue una reacción de "clic" de tiol-eno. Brevemente, se dispersaron 0,5 g de MSN en 25 ml de tolueno mediante sonicación durante 10 min. Luego, se agregaron 150 µL de MPtMS y se trató sónicamente durante 20 min. La reacción continuó calentando la mezcla a reflujo durante 16 h. Los MSN sililados (s-MSN) se recogieron mediante centrifugación, se lavaron secuencialmente con tolueno fresco, etanol y agua desionizada y se secaron mediante liofilización. El s-MSN seco se dispersó en 20 ml de agua desionizada seguido de la adición de 705 µl de AIBN. Posteriormente, se añadieron 0,08 g de AmEA a la suspensión. La reacción se mantuvo bajo una atmósfera de nitrógeno bajo irradiación UV de 365 nm durante 6 h. posteriormente, el producto se lavó con agua desionizada y se secó usando una máquina liofilizadora. El producto funcionalizado se denominó MSN-AmEA.

La quercetina se cargó tanto en MSN como en MSN-AmEA mediante un método de evaporación lenta. Se disolvió quercetina (10 mg) en 10 ml de etanol. Luego, se agregaron nanopartículas con una proporción de 3:1 p/p a una solución de quercetina y se dispersaron mediante sonicación. La mezcla se agitó suavemente hasta que el etanol se evaporó por completo. Las nanopartículas que contienen quercetina (Que@MSN o Que@MSN-AmEA) se lavaron con agua desionizada y se secaron en la máquina liofilizadora. La eficacia de la adsorción se evaluó dispersando 5 mg de nanopartículas que contienen quercetina en 5 ml de etanol. Se recogió el sobrenadante y se midió la absorbancia utilizando un espectrofotómetro UV-Vis a 372 nm. La efectividad de la adsorción (AE) se definió como la cantidad efectiva de fármacos cargados en nanopartículas y se calculó siguiendo la ecuación. (1). Posteriormente, la capacidad de adsorción de cada nanopartícula se puede calcular siguiendo la ecuación. (2)

donde, C y Ce son las concentraciones iniciales y descargadas (contenidas en el sobrenadante después del lavado) de quercetina, respectivamente. mQ (mg) y mD (g) son el peso de la quercetina y el fármaco portador.

El estudio de liberación se realizó en dos condiciones de pH del tampón PBS, concretamente pH 7,4 y 4,0, que representan microambientes fisiológicos y de células cancerosas. Se sumergieron aproximadamente 5 mg de cada nanopartícula que contenía quercetina en 10 ml de solución de PBS y se agitaron a 120 rpm. Después de cierto tiempo (1, 2, 4, 8, 16, 24 h y luego cada 12 h de tiempo), se recogió aproximadamente 1 ml de sobrenadante para la medición UV-Vis. Luego, se añadió 1 ml de solución nueva de PBS a la muestra para reemplazar la solución tomada. La quercetina liberada por las nanopartículas se cuantificó midiendo la absorbancia de la solución a 377 nm. Luego, la concentración de quercetina se determinó mediante la curva de calibración (Figura complementaria S1). La liberación de quercetina a partir de nanopartículas se calculó utilizando la ecuación. (3).

donde C es la cantidad de quercetina liberada al sistema (mg L-1); V es el volumen del sistema (L); Qe es la capacidad de adsorción de quercetina de las nanopartículas (mg g-1), y m es la masa de nanopartículas que contienen quercetina (g).

La liberación cinética de MSN y MSN-AmEA se estudió siguiendo los modelos de liberación cinética de orden cero, primer orden, Ritger-Peppas e Higuchi. Los datos del experimento se ajustaron utilizando una ecuación no lineal respectiva según la ecuación. (4) (orden cero), ecuación. (5) (primer orden), ecuación. (6) (Ritger-Peppas) y la ecuación. (7) (Higuchi)34.

Mt y Minf son liberaciones acumuladas de fármacos en el tiempo t y en el equilibrio, respectivamente. F es la fracción de liberación del fármaco en el momento t. n es el exponente de difusión. k0, k1, kRP y kH son la constante de tasa de liberación cinética de los modelos de orden cero, primer orden, Ritger-Peppas e Higuchi.

Los grupos funcionales de la muestra se analizaron mediante FTIR (Infrarrojo por Transformada de Fourier) IR Prestige-21 Shimadzu. La muestra se registró utilizando un pellet de KBr y se escaneó en el rango de 4000 a 400 cm-1, con una resolución de 4 cm-1.

La 1H-RMN de AmEA se registró mediante Resonancia Magnética Nuclear (RMN) modelo Bruker AV300. El compuesto AmEA se diluyó en 0,5 ml de D2O para su análisis.

La morfología de la muestra se observó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). Las nanopartículas se adhirieron a una cinta de carbono y se recubrieron con rutenio utilizando una máquina de recubrimiento por rotación antes de la medición SEM. Las imágenes SEM fueron tomadas por el modelo Hitachi S-4800 de Field Emission SEM (FESEM). Para la medición de TEM, las muestras (alrededor de 5 mg en 1 ml de etanol) se trataron previamente en un baño ultrasónico. Se dejaron caer aproximadamente 10 µl en una rejilla de Cu y se secaron a temperatura ambiente. Las imágenes se capturaron utilizando TEM modelo JEOL-JEM 2100 con un voltaje de aceleración de 200 kV.

La isoterma de adsorción-desorción de N2 se estudió con el analizador de área de superficie (SAA) Quantachrom Nova e1600 con una temperatura de desgasificación de 180 °C. Antes de la medición, las nanopartículas se secaron en un horno durante la noche a 100 °C. Para esta medición se utilizaron aproximadamente 20 mg de nanopartículas y se desgasificaron con gases N2 durante 4 h.

Las propiedades térmicas de las nanopartículas se analizaron mediante un analizador termogravimétrico (TGA) y un calorímetro diferencial de barrido (DSC) con modelo STA Lineises PT-1600. Los datos de TGA se tomaron en un rango de temperatura de 20 a 600 °C con una velocidad de calentamiento de 10 °C por minuto.

Las propiedades hidrodinámicas de las nanopartículas se caracterizaron utilizando un analizador de tamaño de partículas (PSA) modelo Malvern Zetasizer. Las nanopartículas se suspendieron en tampón PBS (concentración de 50 mM) antes de la medición.

El potencial electrostático molecular (MEP) de los restos de superficie de quercetina y MSN-AmEA se obtuvo mediante el enfoque DFT B3LYP con la función de correlación de intercambio y un conjunto de bases de 6-31 g **. El radio de densidad se fijó en el nivel r = 0,00135,36. La visualización de la geometría optimizada y MEP fue realizada por Chimera 1.1237. La interacción de los restos de superficie de MSN-AmEA y la quercetina se calculó utilizando Gaussian 09, en el que la estructura de quercetina se adquirió del banco de materiales (CID 5280343) y se optimizó utilizando el método DFT con una base establecida de 6-31 g**. Los restos de superficie de MSN-AmEA y la quercetina se acercaron a una distancia de 2 a 2,5 Å de los grupos activos de cada compuesto. Los grupos Si-O del MSN-AmEA debían ser rígidos, mientras que otros grupos eran flexibles. El cálculo se realizó utilizando el método DFT con la base establecida 6-311G** y se varió la posición de cada compuesto.

Las células de neuroblastoma se cultivaron en medio DMEM (que contenía 10% de FBS) en una placa de 12 pocillos durante 24 h en 5% de CO2, 95% de aire a 37 °C. Luego, se agregaron MSN y MSN-AmEA marcados con FITC (en medio DMEM) a la célula cultivada para lograr una concentración final de 0, 1, 10 y 100 µg ml-1. Las células tratadas con nanopartículas se incubaron nuevamente durante 4 hy luego se fijaron usando paraformaldehído al 4%. Después de la incubación durante 20 minutos, la célula se lavó con PBS y luego se trató con Triton-X al 0,2% durante 10 minutos. Luego, se añadió DAPI (5 µg ml-1) a la celda de fijación para marcar el núcleo. Luego se analizó la célula que contenía nanopartículas utilizando un microscopio de fluorescencia en los canales DAPI y FITC.

La prueba de viabilidad se realizó mediante el protocolo azul de Alamar. Brevemente, las células de neuroblastoma se cultivaron en placas de 96 pocillos durante 24 h. Posteriormente, se agregaron MSN, MSN-AmEA y Que@MSN-AmEA a la célula cultivada y se incubaron nuevamente durante otras 24 h. Se añadió azul alamar (10 µl) a la placa de 96 pocillos que contenía células tratadas con nanopartículas (90 µl) y se trató durante 4 h. Luego, se midió la absorbancia (570 nm) de la solución utilizando ELISA-Reader. La viabilidad celular de cada nanopartícula se calculó según la ecuación. (8).

El compuesto AmEA se sintetizó mediante una simple reacción de amidación facilitada por el enfoque mecanoquímico. La Figura 1 (i) ilustra la síntesis química del compuesto AmEA derivado de anhídrido maleico y etilendiamina. La adición de etilendiamina debe realizarse suave y lentamente debido a la reacción exotérmica. En este estudio, utilizamos una proporción molar de 1:1 para garantizar que solo se formen productos AmEA sin ningún producto dimérico lateral. El AmEA tiene un cristal con forma de flor de color verde claro, como se observa bajo microscopía óptica, como se muestra en la Fig. 1a. La estructura química de AmEA se confirmó mediante caracterizaciones FTIR y 1H-NMR como se revela en la Fig. 1b y la Fig. Suplementaria S2, respectivamente. Estructuralmente, el compuesto AmEA tiene grupos hidroxilo, aminas, carboxilo y vinilo. Esos grupos funcionales se pueden identificar mediante el análisis FTIR. Por ejemplo, el pico a 1672 cm-1 está asociado con la vibración de estiramiento C=O. Mientras tanto, las bandas en 3431 y 3280 cm-1 corresponden a la vibración de estiramiento N-H simétrica y asimétrica de la amina primaria, mientras que la amina secundaria se puede encontrar en 3074 cm-1 que se superpone con la vibración de estiramiento O-H. La banda a 1591 cm-1 es el pico característico de la vibración de estiramiento del enlace C=C. También analizamos el 1H-NMR de este compuesto como se muestra en la figura complementaria S2. Los datos indican picos en el desplazamiento químico de 6,29 ppm (d, J = 12,2 Hz, 1H) y 6,04 (d, J = 12,1 Hz, 1H), lo que revela una señal de protón del isómero Z típico en el enlace C=C. También se encontraron señales en el desplazamiento químico de 3,53 ppm (t, 2H) y 3,16 ppm (t, 2H) que corresponden a las señales de protones en − CH2 cerca del enlace amida y − CH2 cerca de las aminas primarias. Según los datos de 1H-NMR, el compuesto AmEA tiene una mezcla de isómeros (formas E y Z). Sin embargo, no realizamos una purificación debido a que ambos isómeros tendrán el mismo producto después de la reacción tiol-eno, como se ilustra en la Fig. 2a. Debido a sus grupos funcionales, el compuesto AmEA tiene la ventaja de enriquecer los restos de la superficie de MSN para mejorar el almacenamiento o el rendimiento de liberación del fármaco. El grupo vinilo facilitará una conjugación química con las superficies de MSN mediante una reacción de clic de tiol-eno. Mientras tanto, los grupos amina y carboxilato desempeñan un papel fundamental al ayudar a la interacción química con la quercetina, lo que afecta el rendimiento de carga y liberación del nanoportador38.

(a) Síntesis del esquema y fotografía del compuesto AmEA (creado con ChemDraw Professional versión 20.0.0.41, https://www.cambridgesoft.com/Ensemble_for_Chemistry/ChemOffice/ChemOfficeProfessional). (b) Espectros FTIR de compuestos MAH, EDA y AmEA.

( a ) La síntesis de la ilustración de MSN-AmEA mediante la 'química de clic' de tiol-eno consistió en la síntesis de MSN mediante el método sol-gel, la sililación de MSN para introducir un grupo tiol y AmEA conjugada químicamente mediante la reacción de tiol-eno. El esquema también presenta la posible interacción entre quercetina y MSN-AmEA a través de la interacción de enlaces de hidrógeno (creada usando ChemDraw Professional versión 20.0.0.41, https://www.cambridgesoft.com/Ensemble_for_Chemistry/ChemOffice/ChemOfficeProfessional). (b) Los espectros FTIR de MSN y MSN-AmEA indican un éxito de la conjugación de AmEA en superficies de MSN. (c) Las curvas TGA y DSC (cuadro insertado) de MSN-AmEA exhiben una degradación adicional en dos etapas que sufre una degradación térmica exotérmica.

En la Fig. 2a se propuso la posible reacción química involucrada durante la funcionalización de la superficie mediante la reacción de tiol-eno. El MSN se obtuvo mediante el método simple sol-gel y se sililó adicionalmente utilizando un compuesto organosilano con grupo terminal tiol. Estos grupos tiol permiten que el MSN reaccione químicamente con el grupo vinilo de AmEA mediante la química de "clic" de tiol-eno. Este enfoque fue una de las herramientas poderosas y versátiles para la formación de enlaces heteroátomos no catalíticos que produjeron una alta economía atómica, una ruta sintética fácil y una velocidad de reacción relativamente alta, el llamado protocolo "verde"39. Bajo irradiación UV y otros enfoques de lisis térmica, el grupo tiol fue promovido a radical tiilo que fue asistido por el iniciador de radical AIBN40,41. Esta forma hace que AmEA se conjugue fácilmente en superficies de MSN al abrir el enlace C = C compartiendo electrones (formando radical) y además uniéndose covalentemente con el radical tiilo, lo que resultó en el enlace C-S. Finalmente, otro lado del radical C terminará con un radical protón para formar una estructura como se muestra en la Fig. 2a. Los ricos grupos funcionales de MSN-AmEA posiblemente mejoren la capacidad de estos materiales para interactuar con la quercetina, mejorando significativamente la cantidad de carga. A partir de ahora, investigamos las propiedades químicas y físicas tanto de MSN como de MSN-AmEA.

El estudio preliminar mediante medición FTIR indicó que la reacción de clic de tiol-eno se aplicó con éxito a la funcionalización de la superficie de MSN. La Figura 2b muestra los espectros FTIR de MSN y MSN-AmEA que demuestran un cambio significativo que se observó visualmente a través de ambos espectros. Un pico amplio alrededor de 3420 cm-1 en los espectros MSN FTIR es la banda de absorbancia típica del grupo hidroxilo. Este pico también se encontró en los espectros FTIR de MSN-AmEA con un ligero desplazamiento a alrededor de 3445 cm-1. Además, el pico es más amplio, lo que probablemente se debe a la contribución de las vibraciones de estiramiento N-H que se originan en la estructura AmEA. Además, también se encuentran nuevos picos en alrededor de 1706 cm-1 y 1642 cm-1 en los espectros MSN-AmEA, asociados con las vibraciones de estiramiento C = O y flexión N-H, respectivamente. Las vibraciones características C = C y S-H no se encontraron en los espectros FTIR de MSN-AmEA, lo que indica que todos los grupos vinilo reaccionaron completamente con los grupos tiol formando un enlace C-S. Este enlace se puede distinguir fácilmente mediante la técnica FTIR, en la que un nuevo pico débil a 702 cm-1 es un pico característico de la vibración de estiramiento C-S42. Por lo tanto, estos datos preliminares respaldaron la estructura plausible de MSN-AmEA que se muestra en la Fig. 2a.

La Figura 2c muestra los perfiles TGA y DSC de MSN y MSN-AmEA. El MSN tiene sólo una curva de degradación iniciada al inicio de la medición hasta aproximadamente 110 °C. Este perfil de degradación fue la pérdida de moléculas de agua atrapadas en la superficie o dentro de los canales de poros de MSN. Aproximadamente el 18% de la pérdida de moléculas de agua se cuantificó en el MSN según lo observado por TGA, que sufre una reacción endotérmica como lo señalan los datos de DSC (cuadro insertado en la Fig. 2c). A menudo se encuentra que el material poroso a base de sílice tiene una buena estabilidad térmica, lo que se indica porque no se produce degradación por encima de 200 °C hasta 600 °C, lo que también encontraron Oboudatian y Safaei-Ghomi43. El MSN-AmEA, por el contrario, tiene tres perfiles de degradación, claramente revelados en la Fig. 2c. La primera degradación es la pérdida del 23% de las moléculas de agua. La pérdida de masa de moléculas de agua en MSN-AmEA fue mayor que en MSN, lo que podría estar asociado con la presencia de grupos funcionales polares de AmEA, como aminas y grupos carboxílicos. Estos restos facilitan los enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua, mejorando así la hidrofilicidad de las nanopartículas44. En consecuencia, quedó atrapada más agua dentro de la superficie o los poros internos. La segunda y tercera degradación que ocurrieron por encima de 340 °C se asociaron con la degradación de las moléculas de AmEA que se conjugaban químicamente con las superficies de las nanopartículas y fueron seguidas por la descomposición térmica de toda la cadena MPtMS en la última etapa45. Ambas fueron reacciones exotérmicas como lo indica la curva DSC. La presencia de estos dos perfiles de degradación adicionales sugiere que se logró con éxito la sililación o la conjugación química de AmEA en la nanoestructura de MSN.

La morfología de MSN y MSN-AmEA se observó mediante SEM y TEM y el resultado se puede ver en la Fig. 3. El MSN tiene una nanoestructura esférica uniforme con un tamaño de partícula promedio de 95,17 ± 23,89 nm, como se muestra en la Fig. 3a. En lo profundo, la estructura porosa de MSN estaba ordenada y divinamente formada en la que se observaron los canales cilíndricos mediante medición TEM, como se confirma en la Fig. 3c. El impacto de la modificación de la superficie en la estructura morfológica de MSN se puede observar experimentalmente en la Fig. 3b, d. Se descubrió que las nanopartículas parecían recubiertas y agrupadas, lo que provocó un aumento del tamaño de las partículas a 145,41 ± 58,38 nm. Además, la estructura porosa de MSN-AmEA parece obstruida, pero aún se distingue la forma cilíndrica. Esto sugiere que la sililación se produjo no sólo en la superficie de las nanopartículas sino también en los canales de los poros. La sililación de MSN conduce a la formación de una red de siloxano mediante una reacción de policondensación que provoca la aparición de partículas interconectadas. De hecho, controlar este fenómeno es bastante difícil, pero en algunos casos se puede lograr limitando la concentración del compuesto organosilano. Sin embargo, provocará un defecto del grupo funcional de la superficie, en el que algunos sitios no tienen grupos funcionales activos y limitarán su interacción con las moléculas del fármaco, reduciendo así la eficiencia de carga. Por lo tanto, esta técnica sigue siendo un desafío para trabajos futuros.

Imágenes SEM de (a) MSN y (b) MSN-AmEA, el cuadro insertado con el color del gráfico rojo y azul indican la distribución del tamaño de las nanopartículas. Imágenes TEM de (c) MSN y (b) MSN-AmEA. TEM observa la red de siloxano de compuestos organosilanos unidos al MSN esférico.

Las propiedades texturales de MSN y MSN-AmEA se evaluaron mediante isoterma de adsorción-desorción de N2 y métodos dinámicos de dispersión de luz. La Figura 4a muestra el bucle de histéresis y la distribución del tamaño de poro de MSN y MSN-AmEA. Generalmente, ambas nanopartículas se clasifican como tipo IV con histéresis cercana a H1 que reflejan materiales mesoporosos con estructura de poros cilíndricos. Estos datos coincidieron con la medición TEM que muestra los canales de poros cilíndricos de las nanopartículas. Se encontró que el área de superficie BET de MSN era 1038,53 m2 g-1 con un volumen de poros y un tamaño de poro promedio de 1,61 cm3 g-1 y 3,09 nm, respectivamente. La modificación de la superficie de las nanopartículas, por otro lado, disminuyó el área de la superficie BET, el volumen de los poros y el tamaño promedio de los poros como se presenta en la Tabla 1. El análisis TEM previo reveló que la superficie de MSN-AmEA estaba cubierta por una red de polisiloxano. Esto indujo el efecto de bloqueo de los poros, lo que dificulta el acceso del N2 a sus canales de poros18,29. Además, el aumento del tamaño de las partículas también contribuyó a este problema. El organosilano sufre una policondensación formando redes Si-O-Si y podría conectar las nanopartículas, lo que conduce a un aumento del tamaño de las partículas. Al comparar el tamaño de ambas nanopartículas, MSN-AmEA tiene un tamaño de partícula mayor que MSN, lo que da como resultado una superficie BET más pequeña. Sin embargo, el patrón de histéresis isotérmica de adsorción-desorción de MSN-AmEA es similar al de MSN, lo que indica su característica porosa cilíndrica.

(a) isoterma de adsorción-desorción de N2 (el cuadro insertado representa la distribución del tamaño de los poros), (b) potencial zeta y (c) tamaño de partícula hidrodinámica de MSN y MSN-AmEA.

Para evaluar las cargas superficiales y el tamaño de partícula hidrodinámica de las nanopartículas en tampón PBS a pH 7,4 y 4,0, en este estudio se realizó la medición DLS como se indica en la Fig. 4b,c. Estas mediciones son muy importantes antes de la investigación in vitro o in vivo para justificar si las nanopartículas se pueden aplicar decentemente. El MSN tiene un valor de potencial zeta negativo, que denota cargas superficiales negativas, tanto en condiciones de pH 7,4 como de 4,0 PBS. El potencial zeta de MSN es − 29,7 mV a pH 7,4. Sin embargo, el valor estaba cerca del punto isoeléctrico (-5,3 mV) a pH 4,0. Esto infiere una buena estabilidad de la suspensión de MSN a pH 7,4, pero tiende a fusionarse en condiciones ácidas debido a la supresión eléctrica de doble capa al cambiar el equilibrio de carga. En muchos casos, el MSN tiene una carga superficial negativa debido a los grupos Si-(OH). Lamentablemente, esta condición no es preferible para fines biomédicos, especialmente para sistemas de administración de fármacos. Los grupos silanol han interactuado desfavorablemente con los lípidos de membrana y las proteínas plasmáticas, por lo que podrían destruir su estructura y provocar toxicidad46. Por lo tanto, esta modificación de la superficie, mediante la ingeniería del grupo funcional de la superficie del MSN, se somete a sustituir las cargas de la superficie y mejorar la biocompatibilidad del MSN. La introducción de AmEA en las superficies de las nanopartículas intercambió la carga superficial neta para que fuera más positiva en condiciones de pH 7,4 y 4,0. El potencial zeta de MSN-AmEA a pH 7,4 es de + 28,8 mV y aumenta a + 40,6 mV a pH 4,0, por lo que es muy estable en el sistema coloidal. Se espera que estemos satisfechos con estos resultados, en los que la carga superficial positiva de las nanopartículas ofrece una mejor absorción celular que las nanopartículas con cambio de superficie negativo mediante la internalización a través de la membrana celular a través de una interacción electrostática positiva-negativa47. Por lo tanto, creemos que el MSN-AmEA puede verse comprometido con problemas de biocompatibilidad y toxicidad.

La distribución hidrodinámica del tamaño de partículas de MSN y MSN-AmEA se representó en la Fig. 4c. En este estudio, no optimizamos los medios dispersantes, sino que utilizamos directamente la solución PBS para comprender el tamaño hidrodinámico de nuestros materiales. El tampón PBS se preparó en dos condiciones de pH que imitaban la condición fisiológica (pH 7,4) y un ambiente ácido (pH 4,0). En condiciones fisiológicas, los tamaños de partículas hidrodinámicas de MSN y MSN-AmEA están cerca de la medición SEM, que es 107,99 nm (PDI = 0,23) y 167,33 nm (PDI = 0,45), respectivamente. Sin embargo, la distribución hidrodinámica del tamaño de partícula de polidispersidad de MSN se indicó a pH 4,0, lo que se significó por la presencia de dos picos con un valor de PDI de 0,97. En este estado, encontramos el precipitado de MSN después de la medición DLS que expresa su inestabilidad coloidal como lo demuestra el bajo valor de potencial zeta (cercano a cero). Por el contrario, este fenómeno no se encontró en MSN-AmEA en el que el tamaño de partícula hidrodinámica en ambas condiciones de pH era casi el mismo. A pH 4,0, el MSN-AmEA tiene 178,49 nm de tamaño de partícula hidrodinámica con un PDI de 0,36. No se observó precipitado en esta condición que comprometiera el valor del potencial zeta y reflejara una estabilidad altamente coloidal.

El estudio de adsorción se realizó mediante el método de evaporación lenta para maximizar la capacidad de carga de los portadores del fármaco. Las moléculas de quercetina se vieron obligadas a adsorberse en portadores de fármacos y se esperaba que se difundieran y llenaran todas sus estructuras porosas. Se encontró que la adsorción efectiva de MSN fue de aproximadamente 45,48 % (Qe = 136,54 mg g-1) y se duplicó después de ser diseñada (MSN-AmEA) para aproximadamente 97,52 % (Qe = 297,45 mg g-1). La alta adsorción de quercetina dentro de MSN-AmEA se debe a la presencia de aminas y grupos carboxílicos que facilitan la interacción con las moléculas del fármaco mediante enlaces de hidrógeno o interacción electrostática, como se ilustra en la Fig. 5a10. También realizamos un análisis DFT para respaldar estos datos, mediante la interacción de restos de superficie de MSN-AmEA con moléculas de quercetina. Curiosamente, tanto las aminas como los grupos carboxílicos proporcionan una buena interacción con las moléculas de quercetina, que se describirá con más detalle en la siguiente sección. Con base en este resultado, afirmamos con confianza que nuestro enfoque para diseñar la superficie MSN es la mejor manera de mejorar de manera óptima su eficiencia de carga.

La característica dependiente del pH de MSN y MSN-AmEA se estudió mediante la liberación de fármacos in vitro en la solución de PBS que imita las condiciones ambientales fisiológicas y ácidas. Se prepararon dos tampones PBS con diferentes pH, es decir, pH 7,4 y 4,0, para simular el comportamiento de liberación del fármaco quercetina. La Figura 5b revela el perfil de liberación acumulativa de quercetina a lo largo del tiempo de muestras de Que@MSN y Que@MSN-AmEA. El MSN desnudo tiene una liberación acumulativa de quercetina relativamente alta del 46,35% a pH 7,4 pero disminuye al 27,22% a pH 4,0. Según el resultado, la liberación de equilibrio de quercetina del MSN a pH 7,4 fue casi el doble que en condiciones ácidas. La liberación de fármacos depende de las propiedades de la superficie del portador. Los MSN tienen cargas superficiales negativas a pH 7,4 y su potencial zeta está cerca del IEP a pH 4,0. Las fuerzas de repulsión entre las cargas superficiales negativas de MSN y la quercetina enriquecida con grupos hidroxilo indujeron la liberación rápida de quercetina en el sistema acuoso.

(a) El esquema ilustró el proceso de carga de Que en MSN-AmEA y cómo posiblemente interactuaron, también la representación de Que liberada a partir de nanopartículas a pH 7,4 y 4,0 (creada con ChemDraw Professional versión 20.0.0.41, https:// www.cambridgesoft.com/Ensemble_for_Chemistry/ChemOffice/ChemOfficeProfessional). (b) Los perfiles de liberación acumulativos de Que@MSN y Que@MSN-AmEA a pH 7,4 y pH 4,0.

La ingeniería de superficies de MSN controla el comportamiento de liberación de quercetina sobre el pH como se presenta en la Fig. 5b. Se liberó acumulativamente una concentración baja de quercetina (por debajo del 5%) a pH 7,4, lo que indica un perfil de liberación retardada. Mientras tanto, a pH 4,0, el perfil manifestó una liberación sostenida y no se observó ninguna meseta hasta las 72 h. La liberación acumulativa de quercetina de MSN-AmEA a pH 4,0 es aproximadamente del 40,45% y aumenta incrementalmente en función del tiempo. Probablemente esto se deba a la presencia de aminas y grupos carboxílicos en la superficie de MSN-AmEA que controlan el mecanismo de liberación de quercetina. Según la medición del potencial zeta, el MSN-AmEA tiene cargas positivas tanto a pH 7,4 como a 4,0, lo que influye en la interacción electrostática (atracción o repulsión) con la quercetina en función de la condición de pH. La quercetina, debido a sus grupos OH fenólicos en las posiciones 3 y 7, sufre una disociación que proporciona más especies de cargas negativas mediante el aumento del pH, alrededor de −48,1 ± 1,2 mV a pH 7, como encontraron Zembyla et al.48 La quercetina cargada negativamente puede conduce a una fuerte interacción electrostática con MSN-AmEA cargada positivamente, lo que da como resultado unas pocas moléculas de quercetina liberadas a un pH de 7,4. Sin embargo, las moléculas de quercetina serán protonadas en condiciones ácidas que interfieren con su interacción. La interacción entre la quercetina protonada y la MSN-AmEA cargada positivamente puede provocar fuerzas de repulsión que induzcan una liberación sostenida de quercetina a lo largo del tiempo.

La quercetina como compuesto flavonoide natural sirve como anticancerígeno. Un estudio realizado por Hashemzaei et al. informó sobre la capacidad de la quercetina para inducir la apoptosis de las células cancerosas. Descubrieron que la CI50 de la quercetina que induce toxicidad en las células cancerosas MCF-7 fue de aproximadamente 105,4 ± 5,2 µM durante el tiempo de tratamiento de 24 h49. Nuestro estudio reveló que la liberación acumulada de quercetina de MSN-AmEA fue aproximadamente del 29% a las 24 h, lo que equivale a 142,7 µM. Por lo tanto, este material tiene un efecto beneficioso para ser utilizado como portador de fármacos para el tratamiento de células cancerosas.

Para comprender mejor el mecanismo de liberación de quercetina de los nanoportadores, se realizó un estudio de liberación cinética. Aplicamos cuatro modelos de liberación cinética, es decir, de orden cero, de primer orden, de Ritger-Peppas y de Higuchi, para estudiar el mecanismo de liberación de quercetina a partir de nanopartículas. Las Figuras 6a-d muestran los datos de liberación de quercetina ajustados a pH 7,4 y pH 4,0 con los modelos de liberación cinética18. Los resultados, incluida la constante de velocidad cinética k, el exponente de difusión n y el coeficiente de correlación R2, se resumieron en la Tabla 2. En consecuencia, los datos de liberación de quercetina de ambas nanopartículas, ya sea a pH 7,4 o pH 4,0, se ajustan mejor al modelo de Ritger-Peppas. en comparación con otros modelos basados ​​en los valores R2. Por ejemplo, el valor R2 de Ritger-peppas para MSN a pH 7,4 es 0,928, que es más alto que el de Higuchi (0,8918), el de primer orden (0,8164) y el de orden cero (0,7562). Esto indica que el mecanismo de liberación de quercetina sigue el modelo de Ritger-Peppas. Este modelo describe dos casos que podrían seguirse para determinar el mecanismo de liberación de bioactivos. Son difusión fickiana (caso I) y difusión no fickiana (incluido el caso II, transporte anómalo y supercaso II) que depende del valor de n. El valor n de ambas nanopartículas en todas las condiciones de pH demuestra n <0,43, lo que también puede considerarse como un mecanismo de liberación por difusión Fickiano para el caso de materiales esféricos polidispersos50. Como se muestra en la Tabla 2, la constante de velocidad cinética kRP de MSN es mayor que la de MSN-AmEA (excepto a pH 4,0 en el que kRP AmEA > MSN), lo que indica que la velocidad de difusión de la quercetina de MSN fue más rápida que la de MSN-AmEA. Esta condición se puede explicar por estas razones: (i) texturalmente, el MSN tiene estructuras de poros cilíndricos bien divinas y su tamaño es mayor que el MSN-AmEA. El tamaño de los poros, como lo explican Li et al.51, afecta la tasa de liberación de los fármacos atrapados dentro de las nanopartículas, en las que el mayor tamaño de los poros minimiza los límites de los fármacos liberados al entorno de PBS, aumentando así la tasa de liberación; (ii) La presencia de una estructura defectuosa a lo largo de los canales de los poros de MSN-AmEA causada por el crecimiento de la red de siloxano (Fig. 3d), podría contribuir a retrasar la difusión de quercetina y, en adelante, disminuir la constante de velocidad de difusión; (iii) la interacción electrostática de los restos de AmEA con la quercetina podría ralentizar la velocidad de difusión. Sin embargo, la tasa de liberación cinética de MSN-AmEA a pH 4,0 fue ligeramente mayor que la de MSN, lo que confirmó la característica de liberación desencadenada de estos materiales. La tasa de liberación de quercetina a un pH de 7,4 se suprimió pero se elevó en un entorno de pH 4,0.

Gráfico de ajuste no lineal de datos de liberación de quercetina de nanopartículas a pH 7,4 y 4,0 con los modelos de liberación cinética (a) de orden cero, (b) de primer orden, (c) Ritger-Peppas y (d) Higuchi.

En este informe se realizó un enfoque computacional, especialmente el cálculo del potencial electrostático molecular (MEP), para estudiar la localización de sitios nucleofílicos y electrófilos. Puede utilizarse para evaluar la interacción intermolecular52. Este estudio es un descriptor conveniente para determinar la densidad electrónica para predecir los sitios de ataque nucleofílico-electrófilo53. En este estudio, el MEP de la quercetina y el resto AmEA se calculó utilizando la base B3LYP/6-31G(d,p) establecida en Gaussian0954. La visualización de los resultados se logró utilizando Chimera37 y Avogadro55. El resultado presentado en la Fig. 7a, b demuestra un efecto electrostático neto tridimensional indicado por el color rojo que representa la parte electronegativa parcial de las moléculas (sitios nucleofílicos), mientras que la región azul es el sitio electrófilo. El mapa MEP de quercetina (Fig. 7a y Fig. Suplementaria S3a) indica la posible fuerte densidad de carga electronegativa que se encuentra en el átomo de oxígeno en el grupo C = O (posición O4). Mientras tanto, la región electrofílica fuerte (parte azul) se puede distinguir en el átomo de hidrógeno electropositivo en las posiciones del grupo hidroxilo O6 y O5. De manera similar al caso de la quercetina, el MEP de los restos AmEA revela dos sitios nucleofílicos fuertes en el grupo carbonilo en O1 y O2 (Figura complementaria S3b). El potencial electrostático positivo mostrado por el color azul de AmEA está representado por átomos de nitrógeno (N1 y N2, pero más positivos en N2) y también por átomos de hidrógeno del grupo carboxilato en la posición O3 (que fácilmente forman H+ debido a su bajo pKa ~ 5). ). Según este cálculo, se puede utilizar además para interactuar electrostáticamente entre restos de quercetina y AmEA a través de interacciones nucleofílicas-electrófilas.

Análisis MEP de (a) quercetina y (b) restos del grupo de superficie de MSN-AmEA (creado utilizando UCSF Chimera versión 1.12, https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/index.html). ( c ) Modelo DFT de interacción entre quercetina y restos de superficie MSN-AmEA en la posición del grupo –COOH (MQ-4 y MQ-8) y –NH2 (MQ-11 y MQ-12).

Inicialmente, modelamos y calculamos los complejos AmEA-quercetina con todos los enlaces de hidrógeno posibles (enlaces intra o intermoleculares) siguiendo los datos MEP (interacción electrostática electrofílica-nucleofílica) como se muestra en la Fig. 7c (la interacción completa se puede encontrar en Figuras complementarias S5 y S6). La energía de interacción y la longitud del enlace de hidrógeno de todos los complejos se representan en la Tabla complementaria S2. La Figura 7c muestra el modelo complejo seleccionado que tiene la energía de interacción más alta y más baja, ya sea en la posición del grupo carboxílico o del grupo aminas. Como se esperaba, se produjo una fuerte interacción de enlaces de hidrógeno entre el sitio altamente nucleofílico de la quercetina (C = O como rico en electrones) con los sitios altamente electrofílicos de AmEA (aminas primarias y grupo hidroxilo como donante de protones). Por ejemplo, la energía de interacción del complejo MQ-4 es −22,8447 kcal mol−1, que es más fuerte que otros complejos, lo que implica una interacción fuerte y favorable entre otros. Esto se debe al doble enlace de hidrógeno intermolecular entre AmEA y las moléculas de quercetina, que consta de C=O2∙∙∙H−O2 (1,89 Å, ángulo del enlace de hidrógeno, q = 152,26°) y O3−H∙∙∙O4=C ( 1,83 Å, q = 171,77°). En comparación, el MQ-8 tiene una interacción energética débil, aproximadamente −7,2914 kcal mol−1, debido a que solo involucra un hidrógeno intermolecular O3−H∙∙∙O3−H (AmEA-Que) en el sitio electrofílico fuerte de AmEA y medio. sitio nucleofílico de la quercetina con una longitud de enlace de hidrógeno de 1,98 Å (q = 165,61). Los grupos amina también contribuyen a los enlaces de hidrógeno intermoleculares con las moléculas de quercetina. Al igual que en los casos complejos MQ-4 y MQ-8, la energía de interacción de AmEA en la posición de las aminas con la quercetina también depende de su posición. La interacción de hidrógeno entre el átomo de H en la posición N2 de AmEA (electrófilo fuerte) con el O2 de la quercetina (nucleófilo medio) que forma el complejo MQ-11 tiene una energía de interacción de aproximadamente −5,6205 kcal mol−1. Por otro lado, el complejo MQ-12 muestra una interacción más fuerte que el complejo MQ-11, que tiene − 16,4992 kcal mol −1, debido a que AmEA proporciona dos sitios (tanto electrofílicos como nucleofílicos) para la interacción de enlaces de hidrógeno intermoleculares con quercetina ( C=O1∙∙∙H−O2 y N2−H∙∙∙O4=C con una longitud de enlace de hidrógeno de 1,89 Å y 2,43 Å, respectivamente).

En consecuencia, este estudio implica una interacción relativamente muy estable de la quercetina dentro de las nanopartículas de MSN-AmEA que respaldan una liberación de fugas muy baja en condiciones neutras, así como una alta capacidad de carga. Tanto los grupos funcionales carboxilatos como aminas de los restos AmEA desempeñan un papel vital en la prevención de la liberación prematura de quercetina en condiciones normales. Esto se puede ver en la energía de interacción calculada de 13 modelos complejos optimizados en este estudio. Por lo tanto, introducir grupos multifuncionales en las superficies de MSN es una estrategia beneficiosa para superar los problemas de administración de fármacos (capacidad de carga y liberación prematura).

Realizamos un estudio preliminar in vitro de nuestras nanopartículas para evaluar su absorción celular y citotoxicidad contra las células cancerosas. En este estudio, utilizamos células cancerosas de neuroblastma como modelo y las tratamos con MSN, MSN-AmEA y MSN-AmEA cargada con quercetina. La Figura 8 muestra la imagen microscópica de fluorescencia de una célula cancerosa de neuroblastoma tratada con MSN en una concentración de 1 µg ml-1 a ​​100 µg ml-1 y MSN-AmEA (100 µg ml-1). Los datos indican que a una concentración de 100 µg ml-1, tanto MSN como MSN-AmEA pueden ser absorbidos por las células. Por lo tanto, utilizamos esta concentración para estudiar la viabilidad de nanopartículas de MSN-AmEA que contienen quercetina.

Imágenes microscópicas de fluorescencia de células de neuroblastoma tratadas con diversas concentraciones de MSN y MSN-AmEA marcados con FITC.

La Figura 9 revela la viabilidad celular del neuroblastoma tratado con MSN, MSN-AmEA y Que@MSN-AmEA. Tanto MSN como MSN-AmEA tienen una alta viabilidad celular, aproximadamente 90,84% y 87,86%, respectivamente. Esto indica que ambos tienen baja toxicidad. Sin embargo, la viabilidad celular de MSN-AmEA que contiene quercetina en concentraciones de 10, 20, 40 y 80 µM disminuyó significativamente. Se encontró que la viabilidad celular de 10, 20 y 40 µM de Que@MSN-AmEA estaba por encima del 50%, pero era del 42,87% a una concentración de 80 µM. Con base en este resultado, confirmamos la actividad anticancerígena de la quercetina cargada en MSN-AmEA.

La prueba de viabilidad de células de neuroblastoma tratadas con MSN (100 µg ml-1), MSN-AmEA (100 µg ml-1) y Que@MSN-AmEA contenía quercetina en concentraciones de 10, 20, 40 y 80 µM durante 24 h.

En este trabajo, preparamos con éxito MSN y fuimos modificados químicamente mediante la introducción de un compuesto funcional AmEA que contiene aminas y grupos carboxílicos a través del enfoque de química de clic de tiol-eno. La modificación de nanopartículas se distinguió por una caracterización simple mediante análisis de grupos funcionales y termogravimetría mediante FTIR y TGA, respectivamente. La presencia de compuestos funcionales en la nanoestructura de MSN no alteró significativamente las propiedades morfológicas y texturales de su origen. Sin embargo, la superficie de MSN recubierta y parcialmente intraconectada por una red de siloxano disminuyó el área de superficie BET de 1038,53 m2 g-1 a 858,41 m2 g-1. Además, debido a este fenómeno, el tamaño de los poros de las nanopartículas se hizo más pequeño, lo que sugiere que el compuesto funcional está adherido a lo largo de los canales de los poros de MSN. Gracias a la AmEA, la capacidad efectiva de adsorción de las nanopartículas hacia el compuesto de quercetina aumentó considerablemente en aproximadamente un 118%. Además, el comportamiento de liberación controlada de fármacos de Que@MSN-AmEA se logró desencadenado por el pH, en el que se liberaron más fármacos en un entorno de cáncer artificial que en condiciones fisiológicas. La prueba celular in vitro también confirmó que las nanopartículas tienen una buena absorción celular y citotoxicidad contra las células cancerosas del neuroblastoma. Se encontró que el MSN-AmEA que contenía 80 µM tenía una viabilidad celular de aproximadamente el 42,87%. Por lo tanto, la modificación de la superficie de MSN por parte de AmEA a través de la estrategia de "química de clic" de tiol-eno se propone como una de las vías poderosas para preparar material funcional para un sistema inteligente de administración de fármacos. Para mejorar su característica inteligente, en nuestro trabajo futuro se introducirá una molécula específica, por ejemplo, el péptido reconocido por la integrina αvβ3, en las superficies de las nanopartículas para mejorar la eficacia terapéutica. Con suerte, la combinación de esos compuestos funcionales (AmEA y un péptido específico para unirse selectivamente al receptor de integrina sobreexpresado) conduzca a una plataforma poderosa para el tratamiento del cáncer.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado [y sus archivos de información complementaria].

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El autor desea agradecer a Universitas Sebelas Maret por el apoyo de esta investigación a través del Programa Hibah Penelitian Kolaborasi Indonesia (No. 514/UN27.21/HK/2020). La OEA y FRW agradecen al Prof. Mamoru Koketsu por su ayuda durante el Programa de Investigación Visitante proporcionado por la Oficina Internacional de Universitas Sebelas Maret. La OEA también agradece a Aisyah Fajrin por su ayuda en la preparación del compuesto AmEA.

Programa de Maestría en Química, Facultad de Matemáticas y Ciencias Naturales, Universidad Sebelas Maret, Jl. Ir. Sutami 36A, Surakarta, 57126, Indonesia

Ozi Adi Saputra y Windy Ayu Lestari

Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Taiwán, No. 1, Sección 4, Roosevelt Rd, Distrito de Da'an, Taipei, 10617, Taiwán, República de China

Ozi Adi Saputra

Instituto de Química, Academia Sínica, no. 128, Sección 2, Academy Rd, Nangang District, Taipei, 11529, Taiwán, República de China

Ozi Adi Saputra

Ciencia y tecnología química sostenible, Programa Internacional de Posgrado de Taiwán, Academia Sínica, No. 128, Sec. 2, Academia Rd, Nangang District, Taipei, 11529, Taiwán, República de China

Ozi Adi Saputra

Departamento de Química, Facultad de Matemáticas y Ciencias Naturales, Universidad Sebelas Maret, Jl Ir. Sutami 36A, Surakarta, 57126, Indonesia

Viardi Kurniansyah, Witri Wahyu Lestari y Fajar Rakhman Wibowo

Departamento de Química y Ciencias Biomoleculares, Facultad de Ingeniería, Universidad de Gifu, Gifu, 501-1193, Japón

Takashi Sugiura

División de Química Física e Inorgánica, Centro de Investigación de Nanociencias y Nanotecnología, Centro de Catálisis e Ingeniería de Reacción, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha No. 10, Bandung, 40132, Indonesia

Rino R. Libertad

Facultad de Farmacia, Universidad Gadjah Mada, Sekip Utara, Yogyakarta, 55281, Indonesia

Ronny Martín

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La OEA redactó el borrador original, FRW revisó y editó el borrador, la OEA y FRW conceptualizaron el marco de investigación, la OEA, WAL, AF y VK realizaron experimentos, la OEA, VK y TS adquirieron datos, la OEA y VK analizaron datos, FRW, WWL, RRM. y RM supervisó la investigación. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Fajar Rakhman Wibowo.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Saputra, OA, Lestari, WA, Kurniansyah, V. et al. Las nanopartículas de sílice mesoporosas diseñadas orgánicamente en la superficie controlan la liberación de quercetina mediante estímulos de pH. Informe científico 12, 20661 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25095-4

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Recibido: 02 de julio de 2022

Aceptado: 24 de noviembre de 2022

Publicado: 30 de noviembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25095-4

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