Document Type : Basic Sciences
Authors
1 Department of Microbiology, Faculty of Medicine, AJA University of Medical Sciences, Tehran, Iran
2 Nanobiotechnology Research Center, Baqiyatallah University of Medical Sciences, Tehran, Iran
3 Department of Neuroscience, Faculty of Medicine, Mashhad University of Medical Sciences, Mashhad, Iran
4 Department of Food Nanotechnology, Research Institute of Food Science and Technology, Mashhad, Iran
5 Department of Pathobiology, Faculty of Veterinary Medicine, Shiraz University, Shiraz, Iran
6 Department of Basic Sciences, Faculty of Veterinary Medicine, Shiraz University, Shiraz, Iran
Abstract
Keywords
Main Subjects
مطالعات اخیر بر طراحی انواع مختلف نانوفرمولاسیونها بهمنظور تحویل هدفمند و غلبه بر حلالیت کم عوامل درمانی در آب، افزایش فراهمی زیستی آنها در بافت موردنظر، کاهش دُز تجویزشده و کاهش عوارض جانبی دارو بر روی سلولهای سالم تمرکز دارد (1، 2). نانوحاملهای نیوزوم یکی از انواع نانوحاملها با شکل کروی میباشند که از یک سورفکتانت غیریونی دولایه ساخته میشوند. نیوزومها حاملهای زیستتخریبپذیر و زیستسازگار، از سرهای آبدوست و دمهای چربیدوست تشکیل شدهاند که قابلیت حمل همزمان عوامل درمانی آبگریز و آبدوست را دارند (3، 4). کورکومین بهعنوان یک ترکیب مؤثر گیاهی دارای خواص ضدسرطانی و عوارض جانبی کم نسبت به داروهای سنتی شناختهشده است (5، 6). علیرغم این خواص دارویی شناختهشده از کورکومین، استفاده درمانی کورکومین به دلایل پاکسازی سریع سیستمی، جذب محدود سلولی، حلالیت ضعیف در آب و متابولیسم سریع بهعلت فراهمی زیستی پایین با محدودیتهایی مواجه است (7، 8). روش عمده مورداستفاده برای درمان موارد تشخیص دادهشده سرطان ریه شامل ترکیبی از شیمیدرمانی، رادیوتراپی یا ایمونوتراپی با جراحی است. در بین روشهای مختلف درمانی، شیمیدرمانی بهدلیل تأثیر آن در پیشگیری از عود سرطان و متاستاز ارجحیت دارد. بااینحال، بیشتر عوامل شیمیدرمانی ترکیبات آبگریز میباشند که نمیتوانند به محل موردنظر خود برسند (9-11). برایناساس، معرفی روشهای جدیدی که میتوانند اثربخشی درمان را افزایش دهند، مهم است. درنتیجه، با کمک نانوتکنولوژی و بارگذاری کورکومین در نانونیوزوم میتوان تا حدی این محدودیتها را به حداقل رساند و از خواص متنوع و ضدسرطان کورکومین ازطریق حمل هدفمند به بافت مدنظر به نحو بهتری بهره برد. گزارش شده است نانونیوزوم کورکومین (CM-NP) میتواند بهطور معنیداری خواص ضدسرطانی کورکومین را درمقابل سلولهای سرطانی مانند گلیوبلاستوما ارتقا دهد (12). بنابراین هدف از مطالعه حاضر، ارزیابی بیشتر بالقوه CM-NP بهعنوان یک سیستم تحویل دارو در مقایسه با کورکومین آزاد بر روی مسیر آپوپتوز، ROS درونسلولی و مسیر سیگنالینگ STAT3/NF-kB در رده سلولی سرطانی ریه A549 بود.
آمادهسازی نانونیوزوم کورکومین: بهمنظور سنتز فرمول نیوزوم، از توئین-60 و کلسترول با روش هیدراتاسیون فیلم نازک استفاده شد (12). بهطور خلاصه، اسپن 60، توئین 60 (نسبت 2:1 مولار)، کلسترول و دی ستیل فسفات (سیگما، آمریکا) وزن شد و در 10 میلیلیتر از مخلوط اتانولـکلروفرم (2:1 v/v) حل گردید. سپس، کورکومین (100 میکرومولار؛ سیگما، آمریکا) در مخلوط حل شد. پس از تبخیر حلال آلی در یک اواپراتور دوار (Rotavapor® R-114، BUCHI، آلمان) در دمای 60 درجه سانتیگراد، یک فیلم لایه نازک در فلاسک تهگرد تشکیل شد که با بافر فسفات سالین (PBS) با 4/7=pH آبرسانی مجدد شد. سپس یک نیوزوم همگن توسط سونیکاسیون نیوزوم هیدراته (Sonopuls HD-3200، Bandelin، آلمان) در دامنه 90 درصد، توان 150 وات و فرکانس 20 کیلوهرتز بهمدت 5 دقیقه (30 ثانیه روشن و 10 ثانیه خاموش) به دست آمد. کورکومین نانونیوزوم آمادهشده بهمنظور ارزیابی بر روی سلولها در دمای 4 درجه سانتیگراد نگهداری شد. ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی نانونیوزوم کورکومین، مانند میانگین اندازه و ضریب پراکندگی، راندمان به دام انداختن و الگوی رهایش دارو در مطالعه Sahab-Negah و همکاران در سال 2020 (12) ارائه شده است. همچنین غلظتهای IC50 برای CM-NP و CM بهترتیب 2/107 میکروگرم/ میلیلیتر و 48/39 میکروگرم/ میلیلیتر به دست آمدند و در ادامه مطالعه استفاده شدند.
کشت سلول A549: سلولهای A549 از بانک سلولی انستیتو پاستور ایران (تهران، ایران) خریداری شدند. این سلولها در شرایط انکوباتور 37 درجه سانتیگراد با 5 درصد Co2 و محیط کشت DMEM حاوی 10 درصد سرم جنین گاوی (FBS)، 1 درصد پنیسیلین/ استرپتومایسین و 1/0 درصد آمفوتریسین B کشت داده شدند. سلولها در یک شبانهروز انکوبه شدند و با غلظتهای IC50 از CM-NP (2/107 میکروگرم/ میلیلیتر) و CM (48/39 میکروگرم/ میلیلیتر) در مدتزمانهای مختلف برای ارزیابیهای مدنظر شامل آپوپتوز / نکروز، تولید گونههای اکسیژن فعال (ROS) درونسلولی و مسیر سیگنالینگ STAT3/NF-kB مواجهه شدند. سلولهای A549 در گروه کنترل نیز هیچگونه دارویی دریافت نکردند و تنها حجم برابری از محیط کشت را دریافت کردند.
ارزیابی آپوپتوز / نکروز سلولی با استفاده از رنگآمیزی انکسین V/PI: آپوپتوز/ نکروز سلولی A549 در مواجهه با CM و CM-NP با استفاده از کیت تشخیص آپوپتوز Annexin V/PI (Mab Tag، آلمان) اندازهگیری شد. سلولهای سرطانی A549 (106×1 سلول/چاهک) در مواجهه با غلظت 2/107 میکروگرم/ میلیلیتر CM-NP و غلظت 48/39 میکروگرم/ میلیلیتر از CM در پلیت 6 خانه بهمدت 24 ساعت در شرایط انکوباتور 37 درجه سانتیگراد با 5 درصد Co2 کشت داده شدند. سلولها پس از شستوشو توسط 100 میکرولیتر محیط کشت (1X)، بهمدت 5 دقیقه در دور g400 سانتریفیوژ شدند. سلولها در 90 میکرولیتر از بافر اتصالیAnnexin-V (1X) مجدداً محلول شدند و 5 میکرولیتر از Annexin V-FITC کونژوگه و 5 میکرولیتر محلول پروپیدیوم یدید به سلولها اضافه شدند. سلولها 20 دقیقه انکوبه و در دمای اتاق و در تاریکی نگهداری شدند. پس از آن، هر چاهک در معرض 400 میکرولیتر بافر اتصالیAnnexin-V (1X) قرار گرفت و بهمدت 5 دقیقه در دور g400 سانتریفیوژ شد. سلولها در بافر اتصالیAnnexin-V (1X) مجدداً محلول شدند. برای ارزیابی تعداد سلولهای آپوپتوز اولیه و دیررس و نیز سلولهای نکروز و زنده، از دستگاه فلوسیتومتر BD FACSCALIBURTM FLOW CYTOMETER استفاده شد. دادهها با استفاده از برنامه FlowJo V10 (FlowJo، آمریکا) تجزیهوتحلیل شدند.
ارزیابی مسیر سیگنالینگ STAT3/NF-kBتوسط Real time PCR کمی: بیان ژنهای STAT3 و NF-kB سلولی A549 در مواجهه با CM و CM-NP با استفاده از کیت RNeasy® mini ارزیابی شدند. بهمنظور استخراج RNA از سلولهای A549، سلولها با تراکم 105×7 سلول/ چاهک در یک پلیت 6 خانه (100 میکرولیتر محیط کشت DMEM حاوی 10 درصد FBS و 1 درصد آنتیبیوتیک پنیسیلین و استرپتومایسین) کشت شدند و با غلظتهای 48/39 میکروگرم/ میلیلیتر کورکومین و 2/107 میکروگرم/ میلیلیتر نانونیوزوم کورکومین بهمدت 24 ساعت انکوباسیون (دمای 37 درجه سانتیگراد و 5 درصد Co2) گردیدند. یک اسپکتروفتومتر NanoDrop برای تعیین کمیت و کنترل RNA جداشده با 3 تکرار استفاده شد. RNAبا استفاده از RevertAid First Strand cDNA Synthesis رونویسی معکوس شد. RealQ Plus 2X MasterMix Green بدون RoxTM برای انجام ارزیابیهای کمی RT-PCR استفاده شد. پرایمرهای اختصاصی برای فاکتور هستهای کاپا B (NF-κB) و مبدل سیگنال و فعالکننده رونویسی 3 (STAT3) برای RT-PCR کمی استفاده شد. CDNAبا استفاده از سیستم PCR بلادرنگ Roche Applied Science Light-Cycler 96 تکثیر شد و β-اکتین 2 برای نرمالسازی دادههای بیان ژن استفاده گردید. برای بررسی بیان نسبی ژنهای موردنظر از روش استفاده شد. جدول 1، توالی آغازگر رو به جلو و معکوس بیان ژنها را نشان میدهد.
ارزیابی ROS درونسلولی: مقدار گونههای اکسیژن فعال (ROS) تولیدشده توسط سلولهای A549 در مواجهه با CM و CM-NP با استفاده از کیت سنجش فلورومتری ROS (کیازیست، ایران) ارزیابی شد. سلولهای A549 (103 × 25 سلول/چاهک) در پلیتهای 96 خانه تیره کشت و پس از 24 ساعت، سلولها با بافر 1X شستوشو داده شدند و با 100 میکرولیتر (بهمدت 45 دقیقه در تاریکی) محلول کشت H2DCFDA (25 مولار) تیمار شدند. پس از شستوشو با PBS، سلولها بهمدت 6 ساعت با CM-NP و CM (غلظت IC50) تیمار گردیدند. میانگین شدت فلورسانس تولیدشده توسط اکسیداسیون H2DCFDA با استفاده از پلیتریدر Victor X5 Multipliable در 485 نانومتر برای برانگیختگی و 535 نانومتر برای انتشار اندازهگیری شد.
تجزیهوتحلیل آماری دادهها: دادههای بهدستآمده با استفاده از نرمافزارGraphPad Prism software ویرایش 8، مورد تجزیهوتحلیل آماری قرار گرفتند. برای مقایسه میانگینها در گروههای مختلف از آنالیز واریانس یکطرفه (ANOVA) و پسآزمون Tukey استفاده شد. نهایتاً، دادهها بهصورت میانگین±انحرافمعیار (SD) با سطح معنیداری 05/0P≤ ارائه شدند.
ویژگیهای نانونیوزوم کورکومین: روش هیدراتاسیون فیلم نازک برای ایجاد نانوذرات نیوزوم بارگذاریشده با کورکومین با هدف ایجاد یک سیستم مؤثر برای تجویز کورکومین استفاده شد. خصوصیات نانونیوزوم کورکومین توسط Sahab-Negah و همکاران در سال 2020 ارائه شده است (12).
القای آپوپتوز و نکروز سلولی A549 توسط نانونیوزوم کورکومین: رنگآمیزی PI و رنگآمیزی Annexin V-FITC افزایش معنیدار درصد آپوپتوز و نکروز سلولهای A549 در مواجهه با CM-NP و CM را نشان داد. سلولهای آپوپتوز 7/4 درصد از تعداد کل سلولها در گروه کنترل را شامل شدند (تصویر 1). پس از 24 ساعت قرار گرفتن در مواجهه با CM-NP و CM، افزایش معنیدار در تعداد سلولهای Annexin V-FITC مثبت در مقایسه با گروه کنترل مشاهده شد (001/0>P). در مواجهه با CM در غلظت 48/39 میکروگرم بر میلیلیتر، 37 درصد سلولهای A549 در فاز اولیه و دیررس آپوپتوز مشاهده شدند. تعداد سلولهای نکروز در گروه CM-NP بهطور معنیداری بیشتر از گروه CM بود.
همانطور که ارزیابی فلوسایتومتری نشان داد، پس از مواجهه با CM-NP در غلظت 2/107 میکروگرم بر میلیلیتر، 92 درصد از سلولهای A549 در فاز اولیه و دیررس آپوپتوز مشاهده شدند (تصویر 1). درنتیجه، ازلحاظ آماری افزایش تعداد سلولهای A549 نکروز و آپوپتوز در مواجهه با CM-NP در مقایسه با CM بهصورت معنیدار دیده شد (001/0>P).
افزایش تولید ROS درونسلولی A549 توسط نانونیوزوم کورکومین: همانطور که در تصویر 2 مشاهده میشود، CM و CM-NP موجب القای تولید ROS در سلولهای A549 در طول مدت 1 ساعت شدند. دادههای بهدستآمده از گروههای CM و CM-NP در غلظتهای IC50 نشان داد CM-NP در مقایسه با CM موجب افزایش معنیداری در تولید ROS میشود (001/0>P) (تصویر 2).
مهار بیان STAT3 و NF-kB در سلولهای A549 توسط نانونیوزوم کورکومین: مواجهه با CM و CM-NP به کاهش معنیدار سطح بیان STAT3 و NF-kB در مقایسه با نمونههای مواجهنشده منجر شد (001/0>P). همچنین، بیان NF-kB در سلولهای A549 مواجهشده با CM-NP بهطور معنیداری کمتر از گروه CM بود (01/0>P). علاوهبراین بیان STAT3 در سلولهای A549 مواجهشده با CM-NP بهطور معنیداری در مقایسه با سلولهای مواجهشده با CM کاهش نشان داد (05/0>P) (تصویر 3).
مطالعه حاضر نشان داد کورکومین پس از بارگذاری با نانوذرات نیوزوم بهطور قابلتوجهی موجب افزایش مهار سلولهای سرطانی A549 میشود. نتایج مطالعه حاضر نشان داد نانونیوزوم کورکومین در مقایسه با کورکومین به افزایش معنیدار آپوپتوز و نکروز سلولهای A549 منجر میشود. علاوهبراین، در مقایسه با کورکومین آزاد، CM-NP بهطور قابلتوجهی ازطریق مهار بیان STAT3 و NF-kB و مهار رشد تومور با تولید بالای ROS از تهاجم سلولی A549 جلوگیری کرد. سرطانزایی چندمرحلهای در سرطان ریه به کاهش سطح ROS نسبت داده میشود که به تحریک بقا و تکثیر سلولی و نیز فعال شدن NF-kB منجر میشود. افزایش تولید ROS ازطریق ارتقای آپوپتوز موجب اعمال اثرات ضدسرطانی میشود (13-15) که همسو با نتایج مطالعه حاضر تحت تأثیر CM-NP میباشد. استرس اکسیداتیو یک حالت فیزیولوژیکی در بدن است و هنگامی که بدن از انواع تحریکات مضر رنج میبرد، مولکولهای بسیار واکنشپذیر، مانند ROS و رادیکالهای آزاد نیتروژن فعال در مقادیر زیاد تولید میشوند و تعادل ردوکس شکسته میشود. این تغییرات موجب ایجاد آپوپتوز و حتی آسیب بافتی ازطریق مسیر سیگنالینگ میتوکندری، مسیر استرس شبکه آندوپلاسمی و مسیر گیرنده مرگ میشود (16). نشان داده شده است نانونیوزوم کورکومین ازطریق مکانیسمهای مولکولی متعدد، ازجمله القای توقف چرخه سلولی، آپوپتوز و تولید ROS، زندهمانی، تکثیر و مهاجرت سلولهای بنیادی گلیوما را بهطور مؤثرتری نسبت به کورکومین هدف قرار میدهد (12). Akbarzadeh و همکاران در سال 2021 در مطالعه دیگری نشان دادند نانونیوزوم کورکومین با سلولهای سالم پستان زیستسازگاری فوقالعادهای دارد؛ درحالیکه سمیت سلولی قابلتوجهی را نسبت به سلولهای سرطانی پستان (SKBR3 و MD-MB-231) ازطریق افزایش بیان ژنهای مختلف آپوپتوزی و کاهش بیان ژنهای مختلف ضدآپوپتوزی (Bcl-2، cyclin D، cyclin E، Bax، P53، کاسپاز-3 و کاسپاز-9) اعمال میکند (17). Tondro و همکاران در سال 2022 گزارش دادند نانونیوزوم کورکومین در مقایسه با کورکومین آزاد موجب مهار و کاهش تولید سیتوکاینهای التهابی اینترلوکین 6 (IL6) و فاکتور نکروز توموری آلفا (TNF-α) در سلولهای سرطانی گلیوبلاستوما میشود (18). بنابراین تفسیر نتایج بیان ژن در مطالعه حاضر نشان داد کورکومین آزاد و نانونیوزوم کورکومین با مهار بیان NF-kB، احتمالاً ازطریق کاهش القاکنندههای NF-kB مانند TNFα و IL-1β موجب مهار سلولهای سرطانی ریه A549 میشوند. آپوپتوز نقش مهمی در تکثیر، مقاومت دارویی و متاستاز تومورها دارد. نشان داده شده است NF-kB ازطریق مسیر آپوپتوز و نکروز بهشدت به مرگ برنامهریزیشده سلولی کمک میکند (19، 20). Zhi و همکاران در سال 2022 گزارش کردند که اثرات ضدسرطانی سلولی افزایشیافته ناشی از کورکومین ازطریق مهار عملکردهای NF-kB و STAT3 حاصل میشود (21) که همسو با نتایج مطالعه حاضر ناشی از اثرات بیشتر ضدسرطانی CM-NP نسبت به CM بر روی سلولهای A549 بود. در مطالعه حاضر، CM-NP بهطور قابلتوجهی بیان ژن STAT3 را نسبت به کورکومین آزاد در سلولهای A549 کاهش داد. واضح است که STAT3 نقش مهمی در فرایندهای سلولی مختلف ایفا میکند و تقریباً در تمام ردههای سلولی سرطان ریه بهطور قابلتوجهی بیان میشود. همچنین، STAT3 تأثیر قابلتوجهی بر تهاجم سلولی، رگزایی، تکثیر سلولی، مقاومت به آپوپتوز و سرطان متاستاتیک در طیف گستردهای از تومورها دارد (21). بنابراین میتوان گفت مهار سلولهای سرطانی تهاجمی A549 تحت تأثیر نانونیوزوم کورکومین احتمالاً با تنظیم مسیر سیگنالینگ STAT3/NF-kB همراه با مسیر القای آپوپتوز/ نکروز و افزایش ROS درونسلولی اعمال میشود. سیستم تحویل کورکومین نانونیوزومی در تحویل دقیق و هدفمند کورکومین در مقایسه با سیستم آزاد که با فرایند انتشار از غشای سلولی عبور میکند، کارآمدتر است. نیوزومها بهعنوان نانوحاملهای دارویی منحصربهفرد با تغییر توزیع زیستی داروها، غلظت تجمعی دارو را در بافت هدف افزایش میدهند و از تجمع دارو در بافتهای غیرهدف و سالم جلوگیری میکنند. بدینترتیب تأثیر درمانی دارو افزایش مییابد و از طرف دیگر سمیت و عوارض جانبی داروی بارگذاریشده را در بافتهای غیرهدف به حداقل میرساند (22، 23).
نتایج مطالعه حاضر نشان داد نانونیوزوم کورکومین در مقایسه با فرم آزاد کورکومین توسط القای مؤثر آپوپتوز وابسته به دُز و زمان، رشد سلولهای سرطانی A549 را مهار میکند. علاوهبراین، نانونیوزوم کورکومین در سطح بالاتری از فرم آزاد کورکومین ازطریق وابسته به استرس اکسیداتیو و افزایش ROS درونسلولی و مسیر سیگنالینگ STAT3/NF-kB، آپوپتوز را در سلولهای A549 القاء میکند. این نتایج پتانسیل نانونیوزوم کورکومین را بهعنوان یک روش امیدوارکننده برای درمان سرطان ریه نشان میدهد.
نتیجهگیری نهایی: نانونیوزوم کورکومین در سطح بالاتری از فرم آزاد کورکومین ازطریق مسیر وابسته به استرس اکسیداتیو و افزایش ROS درونسلولی و نیز مسیر سیگنالینگ STAT3/NF-kB، آپوپتوز را در سلولهای سرطانی ریه A549 القاء میکند. این نتایج پتانسیل نانونیوزوم کورکومین را بهعنوان یک روش امیدوارکننده برای درمان سرطان ریه نشان داد.
نویسندگان از حمایت مالی شورای پژوهشی دانشگاه شیراز کمال تشکر و قدردانی میکنند.
بین نویسندگان تعارض در منافع گزارش نشده است.