Study of Anticancer Drug 3'-Deoxyadenosine Adsorption of Nano Zn-based Zeolitic Imidazolate Framework
- Faculty of Biology – Biotechnology, University of Science, Ho Chi Minh City, Vietnam
- Vietnam National University Ho Chi Minh City, Vietnam
- Institute of Applied Technology, Thu Dau Mot University, Binh Duong, Vietnam
- University of Science, Ho Chi Minh City, Vietnam
- Center for Innovative Materials and Architectures (INOMAR), Vietnam National University Ho Chi Minh City, Vietnam
Abstract
In this research, a zinc-based zeolitic imidazolate framework (Zn-ZIF) nanomaterial was successfully synthesized and investigated for adsorption of 3'-deoxyadenosine as an anticancer drug. The nano MOF was prepared via a mild reaction of zinc acetate dihydrate and benzimidazole as organic bridges in a solvent mixture of methanol, toluene, and ammonium hydroxide. The structure and properties of the synthesized nanomaterial characterized by modern physical analysis techniques such as X-ray diffraction (P-XRD), thermogravimetric analysis (TGA), infrared spectroscopy (FT-IR), and N2 isotherm adsorption at 77 K. The analyzing results show that the material has high crystallinity, thermal stability up to 300 oC, and surface area approximately 700 m2 g-1. In the experiments for adsorption of anticancer drug 3'-deoxyadenosine, various parameters of adsorption process were investigated including solvent (dimethyl sulfoxide, ethanol, and deionized water) and drug concentrations in range of 0.1-1.0 mg mL-1. Moreover, the drug-loaded MOF nanosystems were characterized by P-XRD technique to study their stability after adsorption process. The resuls of drug adsorption experiments indicated that the maximum adsorption capacity of 3'-deoxyadenosine of the nanomaterial was approximately 190 mg g-1 after 24 h in dimethyl sulfoxide and the adsorption efficiency was about 37%. The study dislays that the Zn-ZIF nanomaterial has high potential as a nanocarrier to deliver 3'-deoxyadenosine in cancer treatment.
GIỚI THIỆU
Dược chất 3'-deoxyadenosine hay gọi là cordycepin là một trong những chất tương tự nucleoside có khả năng gây độc tế bào như một tác nhân hóa trị liệu. 3'-deoxyadenosine có nguồn gốc từ nấm Đông trùng Hạ thảo Cordyceps militaris đã được chứng minh về khả năng chống lại nhiều loại tế bào ung thư thông qua các con đường kích hoạt quá trình chết tự nhiên, bắt giữ chu kì tế bào và gây tổn thương DNA từ đó ức chế sự phát triển, tiêu diệt và kiểm soát quá trình di căn của tế bào ung thư.1, 2
Vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOF) được xem là vật liệu tiềm năng trong dẫn truyền thuốc bởi diện tích bề mặt cao, độ xốp lớn và có tính tương thích sinh học.3, 4, 5, 6, 7 Bên cạnh đó, cấu trúc vật liệu MOF có thể được thiết kế và biến tính để phù hợp cho nhiều mục đích ứng dụng khác nhau.8, 9 Quy trình chế tạo vật liệu MOF ở dạng nano thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu nhằm tăng hiệu quả hoạt động trong lĩnh vực y sinh.10, 11 Vật liệu ZIF là một nhóm thuộc MOF với thành phần kim loại chủ yếu là kẽm hay cobalt liên kết với cầu nối hữu cơ khung imidazole nhằm tạo ra vật liệu rắn kết tinh có độ xốp cao và cấu trúc mở rộng.8, 12, 13 ZIF có cấu trúc tương tự zeolite bởi sự liên kết giữa các nguyên tử trong không gian hình thành góc liên kết M-Im-M bằng 145 tương tự như góc liên kết của Si-O-Si trong zeolite.14, 15 Hiện nay, có hơn 100 vật liệu ZIF đến từ sự biến đổi nhóm chức trên cầu nối khung imidazole và sự sắp xếp kết nối của cụm kim loại và cầu nối imidazole.16 Trong lĩnh vực dẫn truyền thuốc, vật liệu ZIF có tâm kim loại Zn được đánh giá cao bởi diện tích bề mặt lớn, độ bền hóa học cao, và độ độc tính tế bào thấp.17, 18, 19 Với diện tích bề mặt khoảng 1900 m g và kích thước lỗ xốp 11.6 Å, ZIF-8 là vật liệu được sử dụng nhiều trong những nghiên cứu về khả năng dẫn truyền và giải phóng thuốc.20, 21, 22, 23, 24 Bên cạnh tính chất đã nêu, ZIF-8 còn rất dễ tổng hợp và điều chỉnh kích thước để thu được vật liệu nano.21, 25, 26 Những nghiên cứu liên quan đã cho thấy sử dụng ZIF-8 cho hiệu quả tải dược chất cao, có khả năng giải phóng thuốc theo pH môi trường.20, 24 Mở rộng cầu nối hữu cơ imidazole, vật liệu ZIF-11 với tâm kim loại Zn và cầu nối hữu cơ benzimidazole (BIM) có diện tích bề mặt khoảng 1600 m g và đường kính lỗ xốp xấp xỉ 14.6 Å.6 Do đó, vật liệu ZIF-11 hoàn toàn có khả năng hấp phụ dược chất tương tự như vật liệu ZIF-8. Ngoài ra, cấu trúc ZIF-11 với các vòng phenyl có thể làm gia tăng tương tác giữa vật liệu với dược chất 3'-deoxyadenosine thông qua tương tác xếp chồng của vòng phenyl (п-п stacking). Chính vì vây, chúng tôi tiến hành nghiên cứu tổng hợp vật liệu ZIF từ kim loại Zn và cầu nối benzimidazole để tạo vật liệu nano Zn-BIM có diện tích bề mặt cao và đường kính lỗ xốp lớn để khảo sát khả năng hấp phụ 3’-deoxyadenosine nhằm hướng tới ứng dụng vật liệu làm chất mang nano.
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Hóa chất
Zinc acetate dihydrate (99%), benzimidazole (99%) được mua từ Merck. Methanol (99%), DMSO (99%), Ethanol (99%) và toluene (99%) được mua từ Fisher. 3'-deoxyadenosine (99%), và ammonium hydroxide (99%) được mua từ Sigma-Aldrich
Thiết bị
Thiết bị phân tích cấu trúc và tính chất vật liệu được sử dụng như nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD) Bruker D8 Advance, quang phổ hồng ngoại (FT-IR) Bruker Vertex 70, phân tích nhiệt trọng lượng vi sai (TGA) TA Q500 Thermal Analysis, phân tích hấp phụ đẳng nhiệt nitrogen (N adsorption) Quantachrome Autosorb-iQ2, kính hiển vi điện tử quét Hitachi S-4800. Phân tích lượng chất hấp phụ bằng thiết bị sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) Agilent Technologies 1200
Quy trình tổng hợp vật liệu Zn-BIM
Vật liệu Zn-BIM được tổng hợp bằng phương pháp khuấy từ ở nhiệt độ phòng dựa trên quy trình đã được công bố.27 Hòa tan 0,06 g benzimidazole vào hỗn hợp 4,6 mL methanol; 2,65 mL toluene và 0,032 mL ammonium hydroxide rồi khuấy từ trong 10 phút ở nhiệt độ 18 C. Tiếp tục cân 0,055 g zinc dihydrate acetate rồi thêm vào dung dịch trên và khuấy từ liên tục trong 4 giờ ở nhiệt độ 18 C. Tiến hành ly tâm thu lấy chất rắn bằng thiết bị ly tâm ở tốc độ 8000 vòng/phút trong 5 phút. Sau đó, rửa chất rắn đã thu hồi ở trên 3 lần (mỗi lần 2 mL) bằng dung dịch methanol rồi sấy khô mẫu ở 100 C trong 1 giờ. Mẫu chất rắn được tiếp tục rút chân không gia nhiệt ở 120 C trong 12 giờ.
Quy trình hấp phụ 3’-deoxyadenosine trên vật liệu Zn-BIM
Quy trình hấp phụ 3’-deoxyadenosine trên vật liệu Zn-BIM được mô phỏng theo quy trình đã được công bố.28
Khả năng hấp phụ 3’-deoxyadenosine của Zn-BIM được nghiên cứu dựa trên khả năng hòa tan trong dung môi và nồng độ của hợp chất. Khảo sát ảnh hưởng của dung môi trong quá hình hấp phụ được thực hiện trên 3 loại dung môi là dimethyl sulfoxide (DMSO), ethanol (EtOH) và nước loại bỏ ion (DI). 3 mg 3’-deoxyadenosine được cho vào lọ chứa 5 mL dung môi kể trên và thực hiện chiếu xạ siêu âm trong 15 phút. Sau đó, cân 5 mg vật liệu Zn-BIM đã hoạt hóa cho vào từng lọ dung dịch đã pha ở trên và thực hiện khuấy từ liên tục trong 24 giờ ở nhiệt độ phòng. Hỗn hợp sau quá trình hấp phụ được ly tâm ở 8000 vòng/phút trong 5 phút để thu lấy phần dung dịch nhằm xác định lượng chất đã hấp phụ và phần chất rắn nhằm để phân tích độ bền của vật liệu.
Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ 3’-deoxyadenosine được thực hiện như sau: Cân mỗi 5 mg vật liệu Zn-BIM đã hoạt hóa cho vào từng lọ dung dịch 3’-deoxyadenosine có nồng độ từ 0,1-1 mg mL và thực hiện khuấy từ liên tục ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ. Hỗn hợp sau quá trình hấp phụ được ly tâm ở 8000 vòng/phút trong 5 phút để thu lấy phần dung dịch nhằm xác định lượng chất đã hấp phụ.
Lượng chất hấp phụ được phân tích bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) kết hợp đầu dò UV với thông số thiết bị chi tiết như sau: cột Zorbax SB-C18 (Agilent, 5 µm, 4,6x250 mm) và nhiệt độ cột 30 C. 5 µL dung dịch mẫu phân tích nồng độ 3’-deoxyadenosine được rút từ dung dịch khảo sát sau khi lọc qua màng lọc 0,2 µm được tiêm vào thiết bị HPLC sử dụng hệ pha động gồm nước:acetonitrile (HO:AcCN=95:5 v/v), tốc độ dòng 1 mL min và đầu dò phân tích tại bước sóng 260 nm. Khối lượng chất đã tải được tính toán dựa trên công thức
Khối lượng chất đã hấp phụ =
Co và C (mg mL): nồng độ 3’-deoxyadenosine ban đầu và lúc cân bằng
V (mL): thể tích dung dịch 3’-deoxyadenosine
m: khối lượng Zn-BIM
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Phân tích cấu trúc vật liệu
Vật liệu sau quá trình tổng hợp được phân tích cấu trúc, tính chất và hình thái bằng một số phương pháp như PXRD, FT-IR, TGA, hấp phụ đẳng nhiệt nitrogen ở 77K và SEM. Giản đồ PXRD của vật liệu được quét góc 2θ từ 3-30 cho thấy các tín hiệu nhiễu xạ có cường độ nhiễu xạ cao tại vị trí 4,39; 6,14; 7,54; 8,69 và 9,23. So sánh với giản đồ nhiễu xạ từ cấu trúc đơn tinh thể của vật liệu ZIF-11 cho thấy sự trùng khớp tại các vị trí tín hiệu nhiễu xạ, điều này cho thấy cấu trúc vật liệu tổng hợp tương tự như vật liệu ZIF-11 đã công bố (Figure 1).12
Kết quả phân tích PXRD của Zn-BIM.
Sự hiện diện của cầu nối hữu cơ benzimidazole trong vật liệu được xác định thông qua tín hiệu dao động của các nhóm chức hữu cơ. Phổ FT-IR của mẫu vật liệu (Figure 2) cho thấy sự hiện diện của các tín hiệu đặc trưng cho dao động của nhóm C=C, C=N và C-N tại vùng 1600–1400 cm và 1342-1260 cm liên quan đến cầu nối hữu cơ benzimidazole. Sự dịch chuyển dao đông của tín hiệu mạnh của nhóm chức C=C và C=N tại 1600 cmvà 1490 cm trong BIM về 1590 cm và 1480 cm trong Zn-BIM chứng minh sự hình thành liên kết giữa Zn và N của benzimidazole. Ngoài ra, trong phổ đồ không có sự xuất hiện của dao động liên quan đến nhóm chức C–H tại vùng số sóng 3000 cm của toluene, điều này giúp chứng minh chất này đã được loại bỏ trong quá trình hoạt hóa vật liệu ở nhiêt độ 120 C.
Kết quả phân tích FT-IR của Zn-BIM.
Độ bền nhiệt của vật liệu Zn-BIM được thể hiện qua sự ổn định của cấu trúc khung theo nhiệt độ. Kết quả phân tích TGA (Figure 3) cho thấy, từ nhiệt độ phòng đến 200 C có sự mất khoảng 2-3 % khối lượng vật liệu liên quan đến sự bay hơi của các hợp chất dung môi còn sót lại trong lỗ xốp. Từ 200-350 C có sự ổn định về khối lượng cho thấy độ bền của vật liệu nằm trong khoảng nhiệt độ này. Từ 350 C đến 550 C, sự sụt giảm khối lượng diễn ra liên tục và chiếm khoảng 60% khối lượng của vật liệu. Kết quả này cho thấy, phần lớn khối lượng bị thay đổi liên quan đến sự mất đi của phần cầu nối hữu cơ và cấu trúc khung bị sụp đổ. Từ đó đến 800 C, sự ổn định của khối lượng mẫu trong khoảng 32% thuộc về phần oxide kim loại Zn.
Kết quả phân tích TGA của Zn-BIM.
Diện tích bề mặt và đường kính lỗ xốp của vật liệu được thể hiện bởi phép phân tích hấp phụ nitrogen ở 77 K. Dựa vào đường cong hấp phụ (Figure 4) cho thấy vật liệu hấp phụ N theo dạng đường đẳng nhiệt loại 1. Kết quả tính toán diện tích bề mặt theo phương trình Bruher-Emmett-Teller (BET) là 700 m g và kích thước lỗ xốp theo phương trình BJH là 14 Å. Ngoài ra, kết quả phân tích hình thái của vật liệu Zn-BIM bằng SEM cho thấy có độ đồng nhất cao, có dạng hình khối tinh thể, và kích thước khoảng 100 nm (Figure 5).
Kết quả phân tích hấp phụ N2 ở 77 K của Zn-BIM.
Kết quả phân tích SEM của Zn-BIM.
Nghiên cứu khả năng hấp phụ 3’-deoxyadenosine của vật liệu Zn-BIM
Sau khi đã xác định được vật liệu xốp có diện tích bề mặt trên 700 m g và kích thước lỗ xốp 14 Å, Zn-BIM đã được sử dụng cho khảo sát quá trình hấp phụ 3’-deoxyadenosine. Ảnh hưởng của dung môi lên quá trình hấp phụ được thể hiện trong Figure 6. Có thể thấy rằng, khả năng hấp phụ trong dung môi DMSO và nước khử ion là tương đối gần nhau và cao hơn trong trường hợp dung môi EtOH. Lí do có thể do tại nồng độ của 3’-deoxyadenosine sử dụng trong khảo sát là 0,6 mg mL trong khi độ tan của hợp chất này trong dung môi EtOH là 0,5 mg mL, dẫn đến 3’-deoxyadenosine đã không tan hoàn toàn và chỉ khuếch tán được một phần vào bên trong lỗ xốp của Zn-BIM. Ngược lại, trong dung môi DMSO và DI, độ tan của 3’-deoxyadenosine khoảng 10 và 30 mg mL do đó vật liệu đã hấp phụ được lượng 3’-deoxyadenosine nhiều hơn.
Ảnh hưởng của dung môi trong quá trình hấp phụ 3’-deoxyadenosine của vật liệu Zn-BIM
Vật liệu Zn-BIM sau thí nghiệm hấp phụ được kiểm tra bằng thiết bị PXRD nhằm xác định độ bền cấu trúc xốp. Dựa vào giản đồ PXRD trong Figure 7, có thể thấy các tín hiệu nhiễu xạ của mẫu vật liệu trong dung môi DMSO vẫn được duy trì tại vị trí 2θ như ban đầu và không có sự thay đổi đáng kế về cường độ nhiễu xạ. Trong dung môi HO và EtOH, có sự sụt giảm về cường độ nhiễu xạ liên quan đến độ bền vật liệu trong môi trường. Do đó xác định được DMSO là dung môi phù hợp cho quá trình tải dược chất 3’-deoxyadenosine trên vật liệu Zn-BIM.
Giản đồ PXRD mẫu vật liệu sau khi hấp phụ 3’-deoxyadenosine
Sự hấp phụ ở các nồng độ 3’-deoxyadenosine khác nhau lên mẫu Zn-BIM được thực hiện trong dung môi DMSO tại nhiệt độ phòng trong 24 giờ được mô tả ở phần quy trình trong phần 2. Kết quả tính toán khối lượng chất đã tải trên Zn-BIM được trình bày trong Figure 8. Khi nồng độ 3’-deoxyadenosine tăng, khối lượng chất hấp phụ trên ZIF-11 cũng gia tăng và đường cong hấp phụ cho thấy quá trình hấp phụ tuân theo mô hình hấp phụ loại I. Từ kết quả này có thể xác định được phần trăm tải 3’-deoxyadenosine tại nồng độ 0,3 mg mL có hiệu suất tải cao nhất là 37% (Table 1). Với hiệu suất tải như trên cho thấy vật liệu Zn-BIM có khả năng hấp phụ được lượng lớn 3’-deoxyadenosine tại nồng độ ban đầu thấp, nghiên cứu cung cấp dữ liệu quan trọng cho qúa trình tải nhằm tiết kiệm lượng dược chất ban đầu.
Ảnh hưởng của nồng độ 3’-deoxyadenosine trong quá trình hấp phụ của vật liệu Zn-BIM
Kết quả tính toán lượng tải và hiệu suất tải 3’-deoxyadenosine trên vật liệu Zn-BIM theo nồng độ.
|
STT |
Nồng độ 3-deoxy (mg mL-1) |
Qe (mg g-1) |
Hiệu xuất tải (%) |
|
1 |
0,1 |
15,98 |
15,98 |
|
2 |
0,2 |
44,12 |
22,06 |
|
3 |
0,3 |
111,43 |
37,14 |
|
4 |
0,4 |
142,20 |
35,55 |
|
5 |
0,5 |
153,36 |
30,67 |
|
6 |
0,6 |
161,44 |
26,90 |
|
7 |
0,7 |
182,7 |
26,08 |
|
8 |
0,8 |
189,10 |
23,63 |
|
9 |
0,9 |
194,03 |
21,55 |
|
10 |
1,0 |
197,68 |
19,76 |
KẾT LUẬN
Zn-BIM được tổng hợp trong điều kiện khuấy từ ở nhiệt độ 18 C để thu được hạt vật liệu đồng nhất có kích thước 100 nm mà vẫn đảm bảo cấu trúc khung zeolitic imidazole, độ bền 200-350 C. Vật liệu có diện tích bề mặt trên 700 m g và đường kính lỗ xốp trên 14 Å dễ dàng cho hoạt động hấp phụ hợp chất 3’-deoxyadenosine. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi và nồng độ khác nhau của 3’-deoxyadenosine cho thấy dung môi DMSO và nồng độ 3’-deoxyadenosine là 0,4 mg mL là điều kiện tốt cho quá trình hấp phụ hợp chất đạt được hiệu quả tải cao.
Danh mục các từ viết tắt
BIM: Benzimidazole
FT-IR: Fourier-transform infrared spectroscopy (Quang phổ hồng ngoại)
MOF: Metal-organic framework (Vật liệu khung hữu cơ kim loại)
PXRD: Powder X-Ray diffraction (Nhiễu xạ tia X dạng bột)
SEM: Scanning Electron microscopy (Kính hiển vi điện tử quét)
TGA: Thermogravimetric analysis (Phân tích nhiệt trọng lượng vi sai)
UV-VIS: Ultraviolet-visible spectroscopy (Quang phổ tử ngoại khả kiến)
ZIF: Zeolitic-imidazole framework (Vật liệu khung zeolite-imdazole)
Xung đột lợi ích
Các tác giả khẳng định không có xung đột lợi ích đối với các nghiên cứu, tác giả và xuất bản bài báo
Đóng góp của các tác giả
Nghiên cứu này được thiết kế bởi tác giả Đoàn Lê Hoàng Tân và Nguyễn Minh Chánh. Tác giả Nguyễn Hồ Thùy Linh, Nguyễn Minh Chánh, Lê Thị Mỹ Tiên, Mai Ngọc Xuân Đạt tiến hành khảo sát thực nghiệm, thu thập số liệu và xử lý kết quả. Tác giả Nguyễn Hồ Thùy Linh, Nguyễn Minh Chánh, Lê Thị Mỹ Tiên, Đoàn Lê Hoàng Tân và Nguyễn Thị Liên Thương tham gia viết bản thảo.
Lời cám ơn
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển Khoa học và Công Nghệ Quốc Gia trong khuôn khổ đề tài mã số 103.02-2020.62.