Fabrication aisée de microsphères rGO@Fe₃O₄ pour une chimiothérapie-photothermie ciblée magnétiquement et activée par NIR contre le cancer

Résumé

Les graphènes réactifs à la lumière proche infrarouge (NIR) ont montré des effets prometteurs dans la thérapie photothermique d'ablation du cancer. Nous rapportons ici la préparation de microsphères creuses de graphène décorées de Fe₃O₄ (rGO@Fe₃O₄) par une méthode simple de séchage par pulvérisation et coprécipitation, pour une chimiothérapie-photothermie combinée, ciblée magnétiquement et activée par NIR. Les microsphères présentent une surface spécifique très élevée (~ 120,7 m² g⁻¹) et un grand volume de pores (~ 1,012 cm³ g⁻¹), offrant des avantages distincts pour une capacité de charge élevée de DOX (~ 18,43 %). L'effet photothermique déclenché par NIR des microsphères rGO@Fe₃O₄ répond de manière « allumée-éteinte » et induit une efficacité de conversion photothermique élevée. De plus, le Fe₃O₄ sur les microsphères exhibe une excellente capacité de ciblage des cellules tumorales. Le traitement chimiophotothermique basé sur rGO@Fe₃O₄/DOX montre une cytotoxicité supérieure envers les cellules HeLa in vitro. Nos études indiquent que les microcapsules rGO@Fe₃O₄/DOX ont un grand potentiel dans le traitement combiné chimiophotothermique du cancer.

Introduction

Le cancer est l'une des maladies les plus malignes au monde et une cause majeure de décès humain. Bien que la chimiothérapie soit couramment utilisée en clinique, plusieurs problèmes clés, notamment une faible efficacité thérapeutique et des effets secondaires étendus, limitent sérieusement son application. Les systèmes d'administration de médicaments (DDS) ont montré de grands avantages pour améliorer la solubilité, la biodisponibilité et l'accumulation tumorale des médicaments, ce qui devrait améliorer considérablement leur efficacité antitumorale. Récemment, les microsphères creuses utilisées comme systèmes d'administration de médicaments ont gagné en attention grâce à leur grande surface et leurs structures poreuses abondantes, et plusieurs matériaux de microsphères creuses ont été conçus avec des technologies innovantes.

L'oxyde de graphène (GO), un nouveau type de matériau inorganique sans métal, a été largement étudié dans l'administration de médicaments en raison de ses caractéristiques uniques, telles que sa bonne biocompatibilité, son faible coût et sa préparation simple. Notamment, l'oxyde de graphène peut efficacement transformer la lumière en chaleur sous irradiation NIR, devenant une stratégie prometteuse pour améliorer l'effet de la thérapie photothermique du cancer. Le groupe Chen a rapporté que le GO pouvait délivrer des médicaments anticancéreux par des interactions non covalentes telles que l'empilement π-π, les liaisons hydrogène et l'adsorption électrostatique. Cependant, les nanosheets 2D de GO ont tendance à s'agglomérer en raison de leur grande surface spécifique et des liaisons de van der Waals entre les couches de graphène, entraînant une faible solubilité dans l'eau et une capacité de charge de médicament réduite. Certaines stratégies ont été explorées pour surmonter ces lacunes. Le groupe Tsukruk a développé des capsules creuses de graphène utilisant la technologie d'assemblage couche par couche, qui montraient une charge de médicament extrêmement élevée par rapport aux autres matériaux GO. Cela pourrait être attribué à la grande surface spécifique et au grand volume de pores de la capsule creuse stabilisée par le GO. Cependant, peu d'études se sont penchées sur le GO avec une structure de pores tridimensionnelle connectée pour l'administration de médicaments.

Bien que de nombreux systèmes d'administration de médicaments rapportés aient exhibé une capacité de charge supérieure et un relâchement contrôlé, leur recherche préclinique et leurs applications sont également limitées par une spécificité insuffisante pour cibler les tissus tumoraux. Parmi divers systèmes de délivrance ciblée, le Fe₃O₄, un matériau à ciblage magnétique, est largement utilisé en thérapie du cancer pour ses fortes réponses magnétiques, sa qualité stable et sa facilité d'obtention. Le groupe Ni a développé des nanoparticules à structure cœur-coquille Fe₃O₄@SiO₂ avec propriété superparamagnétique pour le ciblage magnétique des tumeurs. De plus, des nanoparticules de GO ancrées au Fe₃O₄ ont été bien étudiées en combinaison de délivrance magnétique ciblée et thérapie photothermique.

Dans cette étude, nous rapportons une stratégie avancée pour développer une plateforme DDS comprenant des microsphères creuses de rGO décorées d'oxyde de fer (rGO@Fe₃O₄) pour la thérapie photothermique (PTT) ciblée magnétiquement et déclenchée par NIR. Comme illustré au Schéma 1, les microsphères creuses rGO@Fe₃O₄ sont préparées en trois étapes. Premièrement, le rGO-SiO₂ est synthétisé par séchage par pulvérisation en utilisant le SiO₂ comme template, puis les microsphères creuses de rGO sont obtenues par élimination du SiO₂ par gravure HF. Ensuite, des nanoparticules de Fe₃O₄ sont ancrées sur les microsphères creuses de rGO pour construire les microsphères rGO@Fe₃O₄. Dans ce système, le rGO sert d'agent PTT déclenché par NIR, et le Fe₃O₄ offre la propriété de ciblage magnétique vers les cellules HeLa. La doxorubicine (DOX), encapsulée dans les microsphères (rGO@Fe₃O₄/DOX) par adsorption dans les pores et empilement π-π, devrait présenter une capacité de charge ultra-élevée et un comportement de libération pH-réactif, et peut améliorer significativement l'effet anticancéreux par la combinaison photothermie-chimiothérapie.

Matériaux et Méthodes

Matériaux

Chlorure de fer hexahydraté (FeCl₃·H₂O), hydroxyde de sodium (NaOH) et sulfate ferreux heptahydraté (FeSO₄·7H₂O) ont été achetés auprès de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. Les cellules HeLa proviennent de l'Hôpital du Cancer de Tianjin. Tampon phosphate salin (PBS), chlorhydrate de doxorubicine (DOX·HCl), milieu essentiel minimum de Dulbecco (DMEM), 4',6-diamidino-2-phénylindole (DAPI) et kit de comptage cellulaire-8 (CCK-8) ont été achetés auprès de Solarbio Science and Technology Co., Ltd. SiO₂ (~ 300 nm) a été acheté auprès de Shanghai Yuanjiang Chemical Company. Solution aqueuse d'oxyde de graphène (2 mg/ml) était un produit commercial de Nanjing Xianfeng Company.

Préparation des microsphères rGO@Fe₃O₄

Les microsphères creuses de graphène ont été préparées par séchage par pulvérisation en utilisant du SiO₂ (300 nm) comme template. Brièvement, 100 mL de suspension de SiO₂ (50 mg mL⁻¹) ont été lentement ajoutés à 300 mL de solution aqueuse de GO (2 mg mL⁻¹) sous agitation vigoureuse, le mélange a été séché par pulvérisation à 200 °C dans un sécheur par pulvérisation. Le produit a ensuite été maintenu à 300 °C sous protection d'Ar pendant 2 h pour obtenir le rGO-SiO₂. Pour éliminer le SiO₂, le rGO-SiO₂ a été placé dans une solution de HF (10 %) pendant 48 h à 60 °C. Le produit solide a été lavé plusieurs fois et séché au four sous vide à 60 °C pendant 12 h, le rGO a été finalement obtenu avec un rendement de 75 %.

Les nanoparticules rGO@Fe₃O₄ ont été préparées par coprécipitation. Dans un processus typique, 0,27 g FeCl₃·H₂O, 0,28 g FeSO₄·7H₂O et 0,1 g de microsphères creuses de rGO ont été dissous dans 10 mL d'eau déionisée et agités pendant 30 min à 50 °C. Ensuite, 60 mL de NaOH (0,15 mol L⁻¹) ont été ajoutés lentement sous agitation continue à 50 °C pendant 12 h. Les produits ont été finalement séparés magnétiquement et lavés répétitivement avec de l'eau déionisée et de l'éthanol plusieurs fois, suivis d'un séchage à 60 °C sous vide pendant 12 h.

Caractérisation structurale

La taille et la morphologie des échantillons ont été analysées par microscopie électronique à balayage à émission de champ (FE-SEM, Hitachi, S-4800) et microscopie électronique à transmission (TEM, JEM2100F, JEOL). La composition des produits a été analysée par diffraction des rayons X (XRD, D8 Focus, Cu Kα, Bruker, Allemagne) à une vitesse de balayage de 12 °/min de 10 à 80°. La spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) a été réalisée sur un spectromètre XPS (Thermo Fisher Scientific, ESCALAB 250Xi, USA). Les spectres FTIR (FT-IR, AVATAR360, Nicolet) ont été enregistrés de 500 à 4000 cm⁻¹ à une résolution de 4 cm⁻¹. Les mesures magnétiques ont été effectuées à l'aide d'un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID, Quantum Design MPMS) à température ambiante (300 K). Les spectres Raman ont été collectés à l'aide d'un spectroscope Raman (Renishaw, inVia Reflex, Angleterre) avec un laser à 532 nm. La teneur en rGO a été évaluée par analyse thermogravimétrique (TGA, TA Instruments-water LLC, SDTQ-600). La surface spécifique a été mesurée par la technique Brunauer-Emmett-Teller (BET). Les spectres UV-Vis ont été enregistrés à l'aide d'un analyseur d'acides nucléiques/protéines Beckman DU 800 (Beckman Instruments, Inc., Rosemead, CA).

Chargement et libération de DOX

La DOX, un médicament chimiothérapeutique modèle, a été encapsulée dans les cœurs de rGO@Fe₃O₄ pour évaluer les comportements de chargement et de libération in vitro. Le rGO@Fe₃O₄/DOX a été préparé selon la référence précédente. En bref, 10 mL (0,2 mg mL⁻¹) de solution aqueuse de DOX ont été ajoutés à 10 mg de solution de rGO@Fe₃O₄, le mélange a été homogénéisé par ultrasons pour assurer l'absence de précipitation significative. Le mélange a été équilibré sur un agitateur alternatif (SK-O180-Pro) à 150 tr/min pendant 24 h. Après centrifugation à 6000 tr/min pendant 10 min, la DOX non chargée a été éliminée, le surnageant de rGO@Fe₃O₄/DOX a été mesuré par spectrophotométrie UV-Vis pour déterminer la quantité de DOX chargée. L'OD de la DOX a été enregistré à 490 nm, les équations suivantes ont été utilisées pour calculer l'efficacité de chargement (LE) et la capacité de chargement (LC) de la DOX :

LE = (quantité totale de DOX - DOX libre) / quantité totale de DOX

LC = (quantité totale de DOX - DOX libre) / quantité de rGO@Fe₃O₄/DOX

Les études de libération in vitro de la DOX ont été réalisées en plaçant rGO@Fe₃O₄/DOX (10 mg) dans un sac de dialyse (PMCO = 1000) avec du tampon phosphate salin (PBS, 30 mL) à pH 5,4, 6,5 ou 7,4, dans un bain-marie à 37 °C sous agitation à 80 tr/min. À intervalles prédéterminés, 3 mL du milieu de libération ont été prélevés et la quantité de DOX libérée a été calculée en mesurant l'UV-Vis à 480 nm.

Effet photothermique déclenché par NIR des microsphères rGO@Fe₃O₄

Pour surveiller l'influence de la dose de rGO@Fe₃O₄ sur l'effet photothermique déclenché par NIR, des solutions de rGO@Fe₃O₄ à différentes concentrations (0,0625, 0,125, 0,25, 0,5 et 1 mg mL⁻¹) ont été irradiées par laser NIR à 2 W cm⁻² pendant 5 min. L'influence de l'énergie NIR sur l'effet photothermique a été évaluée en irradiant rGO@Fe₃O₄ (0,25 mg mL⁻¹) avec différentes puissances (1, 1,5, 2 W cm⁻²) pendant 5 min. La température en temps réel a été mesurée à l'aide d'une caméra thermique infrarouge FLIR I5.

Internalisation cellulaire in vitro

Les cellules HeLa ont été ensemencées dans des plats de confocal de 35 mm² à une densité de 1 × 10⁵ cellules/puits. Après incubation pendant 24 h dans un incubateur (5 % CO₂, 37 °C), le milieu a été retiré, et un milieu frais contenant des microsphères rGO@Fe₃O₄/DOX et rGO@Fe₃O₄/DOX avec aimant a été ajouté et cultivé pendant 5 h supplémentaires. La concentration de rGO@Fe₃O₄/DOX était de 0,1 mg mL⁻¹. Les cellules ont ensuite été lavées trois fois avec du PBS froid (pH = 7,4) et fixées avec une solution de paraformaldéhyde à 4 % pendant 20 min (CLSM, TCSSP5II, Leica, Allemagne).

Essais de viabilité cellulaire

La cytotoxicité de ces microsphères a été évaluée par un essai CCK-8 après traitement NIR. Les cellules HeLa ont été ensemencées sur des plaques à 96 puits (5 × 10³ cellules/puits) dans 100 μL de milieu et cultivées sous 5 % CO₂ à 37 °C pendant 24 h. Pour l'évaluation de la biocompatibilité, du rGO@Fe₃O₄ a été ajouté aux puits avec une gamme de concentrations de 0,01 à 0,2 mg mL⁻¹ ; pour le groupe de photothérapie unique, du rGO@Fe₃O₄ a été ajouté avec une gamme de concentrations de 0,01 à 0,2 mg mL⁻¹, et une irradiation par lumière NIR a été appliquée pendant 10 min (2 W cm⁻², 808 nm) ; pour le groupe de photothermie-chimiothérapie combinée, du rGO@Fe₃O₄/DOX a été ajouté avec une gamme de concentrations de 0,01 à 0,2 mg mL⁻¹, et une illumination par lumière NIR a été appliquée pendant 10 min (2 W cm⁻², 808 nm). Les cellules ont été incubées pendant 24 h ou 48 h supplémentaires. Ensuite, les cellules ont été lavées avec du PBS et incubées dans 100 μL de milieu DMEM contenant 10 μL de solution CCK-8 pendant 40 min supplémentaires. La viabilité a été détectée à l'aide d'un lecteur de microplaques à une longueur d'onde de 450 nm. Tous les expériences ont été réalisées en triplicat.

Résultats et Discussions

Synthèse et caractérisation morphologique

La préparation des microsphères rGO@Fe₃O₄ a été réalisée en trois étapes. Premièrement, les microsphères rGO-SiO₂ ont été synthétisées par séchage par pulvérisation en utilisant le SiO₂ comme template. La morphologie des microsphères rGO-SiO₂ a été caractérisée par MEB et MET. Comme montré en Fig. 1a, les microsphères rGO-SiO₂ de 3 μm de diamètre présentent une forme sphérique uniforme et sont composées de nombreuses nanoparticules de SiO₂ (~ 300 nm) agglomérées. Les données MET et le diamètre hydrodynamique mesuré par diffusion dynamique de la lumière confirment ces résultats (Fig. 1d, g). Ensuite, les microsphères creuses de rGO ont été obtenues en éliminant le SiO₂ du rGO-SiO₂ par chauffage à 300 °C et gravure HF. Des pores évidents d'une taille d'environ 300 nm peuvent être observés suite à la dissolution du SiO₂ (Fig. 1b, e). Finalement, le Fe₃O₄, en vertu de sa capacité de ciblage magnétique, a été décoré sur le rGO poreux par coprécipitation. L'observation par MEB et MET illustre une diminution remarquable de la taille des pores après chargement du Fe₃O₄ (Fig. 1c, f), offrant la faisabilité de l'administration de médicaments et du relâchement contrôlé. Notamment, la taille des particules et la distribution de la taille hydrodynamique du rGO-SiO₂, rGO, rGO@Fe₃O₄ ne subissent pas de changements visibles au cours de ces traitements (Fig. 1g, h, i).

Caractérisation structurale et compositionnelle

Pour confirmer davantage la préparation réussie de rGO@Fe₃O₄, la MEB avec EDS a été employée pour étudier la structure et la composition des microsphères. Les images EDS de rGO@Fe₃O₄ ont été caractérisées en visualisant les électrons diffusés inélastiquement dans les fenêtres de perte d'énergie pour les éléments O, Fe et C, les zones de couleurs différentes représentant les emplacements enrichis en O, Fe et C dans les structures réelles. Comme montré en Fig. 2a et b, le Fe et l'O étaient largement distribués dans les microsphères rGO@Fe₃O₄ avec une densité de chargement élevée. La Fig. 2d confirme que les nanoparticules de Fe₃O₄ se dispersent uniformément dans le rGO avec un diamètre d'environ 18 nm, entraînant une diminution nette de la taille des pores dans les microsphères rGO@Fe₃O₄. Le motif de diffraction électronique de zone sélectionnée (SAED) vérifie davantage la présence de Fe₃O₄ dans le rGO (Fig. 2e), les résonances caractéristiques à 2,98 nm, 2,53 nm, 2,09 nm, 1,62 nm et 1,49 nm d'espacement de plans étant attribuées aux plans 220, 311, 400, 511 et 440 de la phase cubique à faces centrées de Fe₃O₄. Les pics apparus à 220, 311, 400, 511 et 440 correspondant à Fe₃O₄ ont également été détectés dans les spectres XRD, ce qui est cohérent avec les résultats SAED (Fig. 2c). Cependant, il est rapporté que Fe₃O₄ et γ-Fe₂O₃ ne peuvent être distingués par le motif XRD indépendamment en raison de la même position des pics caractéristiques. Le résultat XPS montre que les pics prédominants à 725,9/724,5 eV et 714,1/711,0 eV, correspondant à Fe2p₁/₂ et Fe 2p₃/₂ du rGO@Fe₃O₄ (Fig. 2g, h), indiquent la coexistence de Fe³⁺ et Fe²⁺ dans Fe₃O₄. L'analyse thermogravimétrique (TGA) a été réalisée pour surveiller le comportement de dégradation thermique du rGO dans les microsphères rGO@Fe₃O₄ en chauffant l'échantillon à 800 °C et en refroidissant à 100 °C sous atmosphère d'air (Fig. 2f). La courbe de perte de masse montre deux régions distinctes de perte de masse, incluant la région de déshydratation (40-300 °C) et la région de dévolatilisation (300-800 °C) du rGO dans rGO@Fe₃O₄, la teneur en carbone calculée à partir de l'échantillon étant de 25,6 % en poids.

Les propriétés magnétiques des microsphères rGO@Fe₃O₄ ont été étudiées à l'aide d'un dispositif d'interférence quantique supraconducteur. Le champ magnétique a été balayé de -20 000 à 20 000 Oe à température ambiante. La Fig. 2i montre que la magnétisation à saturation (Ms) et le champ coercitif (Hc) du Fe₃O₄ sont de 66,6 emu g⁻¹ et 9,3 Oe. Après chargement du Fe₃O₄ sur le rGO, les valeurs Ms et Hc des microsphères rGO@Fe₃O₄ diminuent à 33,9 emu g⁻¹ et 7,44 Oe. La diminution remarquable de la magnétisation à saturation peut être attribuée aux propriétés diamagnétiques du rGO dans les microsphères rGO@Fe₃O₄. De plus, la capacité d'agglutination sélective des microsphères rGO@Fe₃O₄ a été démontrée intuitivement par expérience de séparation magnétique. Les suspensions de Fe₃O₄ et de microsphères rGO@Fe₃O₄ ont été placées dans un flacon avec un aimant externe pendant 2 min, les suspensions se concentrent du côté de l'aimant et la solution aqueuse devient transparente. Lorsque l'aimant est retiré, les microsphères rGO@Fe₃O₄ se dispersent à nouveau uniformément après agitation lente, indiquant que les microsphères rGO@Fe₃O₄ conservent une bonne capacité de dispersion aqueuse. L'excellente capacité de dispersion aqueuse et la propriété de réponse magnétique ouvrent la voie à l'application de ciblage magnétique de rGO@Fe₃O₄ comme vecteurs de médicaments dans le traitement du cancer.

Analyse de l'effet photothermique

Considérant la pénétration plus profonde dans les tissus et les dommages moindres aux tissus environnants du NIR, la thérapie photothermique réactive au NIR est souvent employée pour le traitement des tumeurs. Ainsi, le comportement de transformation photothermique des solutions aqueuses de rGO@Fe₃O₄ à différentes concentrations et densités de puissance a été enregistré sous irradiation laser NIR à 808 nm pendant 5 min. La Fig. 3a, b montre que l'augmentation de température du rGO@Fe₃O₄ dépend fortement de la concentration et de la densité de puissance du laser. Lorsque la concentration des microsphères atteint 1 mg mL⁻¹, la température passe de 27,9 à 70,3 °C sous irradiation laser NIR pendant 5 min à 2 W cm⁻², tandis que la température pour le groupe PBS ne monte que de 31,7 à 36,2 °C. La haute efficacité de conversion photothermique du rGO@Fe₃O₄ aura un grand potentiel pour la thérapie photothermique tumorale selon les rapports antérieurs selon lesquels la dénaturation des protéines et les dommages à l'ADN dans les cellules se produisent lors de l'exposition à 50 °C pendant 4 à 6 min. Pour afficher intuitivement le comportement de transformation photothermique du rGO@Fe₃O₄, une thermographie IR a été réalisée et les résultats sont montrés en Fig. 4c. La solution de rGO@Fe₃O₄ à une concentration de 1 mg mL⁻¹ a rapidement augmenté à 70,3 °C après irradiation NIR pendant 5 min, tandis que le groupe eau n'a pas de changements évidents, ce qui est cohérent avec les résultats de thermométrie. De plus, la stabilité photothermique du rGO@Fe₃O₄ a été étudiée en effectuant une procédure laser marche/arrêt avec un laser à 808 nm à 2 W cm⁻² pendant six cycles (Fig. 3d). Une augmentation de température identique a été obtenue, indiquant la parfaite stabilité photothermique NIR des composites rGO@Fe₃O₄. Ces résultats démontrent que les microsphères rGO@Fe₃O₄ ont un grand potentiel comme agent photothermique pour la thérapie photothermique dans le cancer.

Chargement et libération du médicament

La surface et la taille des pores de rGO@Fe₃O₄ ont été évaluées par analyses BET et BJH (Fig. 2a, b). La courbe d'adsorption-désorption de N₂ était de type IV isotherme, et la surface et la taille des pores étaient de 120,7 m² g⁻¹, 2-8 nm et 1,012 cm³ g⁻¹, respectivement. Les résultats montrent que rGO@Fe₃O₄ possède des canaux mésoporeux et une distribution moyenne de la taille des pores, exhibant un grand potentiel pour le chargement de médicaments antitumoraux. Ensuite, les microsphères rGO@Fe₃O₄ à structure poreuse ont servi à charger un médicament chimiothérapeutique modèle, la doxorubicine, par simple mélange et légère sonication. L'analyse ATR-FTIR a vérifié davantage l'incorporation stable de la DOX dans rGO@Fe₃O₄ due à la résonance caractéristique des groupes -COOH et benzène de la DOX à 1726 cm⁻¹ et 1618 cm⁻¹ (Fig. 4c). L'observation par MEB a montré que les nouveaux signaux d'éléments N attribués à la DOX se distribuaient uniformément dans la microsphère après chargement de la DOX (Fig. 4d, e). De plus, l'efficacité de chargement (LE) et la capacité de chargement (LC) de rGO@Fe₃O₄/DOX étaient de 92,15 % et 18,43 %, respectivement. La LC remarquablement plus élevée de rGO@Fe₃O₄/DOX que de nombreux vecteurs de médicaments peut être attribuée aux surfaces spécifiques extrêmement élevées et aux tailles de pores. La LE élevée de rGO@Fe₃O₄/DOX peut être attribuée à deux aspects : d'une part, rGO@Fe₃O₄ peut interagir avec la DOX par un fort empilement π-π entre les liaisons π sp²-hybridées de rGO@Fe₃O₄ et la portion quinone de la DOX ; d'autre part, ils peuvent former des liaisons hydrogène entre les groupes acide carboxylique (–COOH), hydroxyle (–OH) de rGO@Fe₃O₄ et les groupes amine (–NH₂), hydroxyle (–OH) de la DOX. Ensuite, nous avons surveillé le comportement de libération de la DOX dans du PBS à pH 7,4, 6,5 et 5,4, pour imiter les environnements extracellulaires des tissus tumoraux et normaux. Comme indiqué en Fig. 4f, le taux de libération de la DOX s'accélérait lorsque le pH était ajusté de 7,4 à 5,4, et la libération soutenue de la DOX à pH 5,4 pouvait atteindre 73 % après 98 h de traitement. Par conséquent, le profil de libération cumulative de la DOX à partir de rGO@Fe₃O₄ exhibait un comportement pH-dépendant. Cette libération accélérée sous conditions acides pourrait être due à la protonation partielle des groupes hydroxyle et amine de la DOX, entraînant une solubilité plus élevée du médicament et un affaiblissement des liaisons hydrogène entre la DOX et le graphène. De plus, nous avons également étudié le comportement de libération de DOX réactif au NIR in vitro. Comme indiqué en Fig. 4g, la libération de DOX était accélérée par l'irradiation NIR et le taux de libération atteignait 85 %. Ce comportement réactif au pH et au NIR joue un rôle important dans l'administration efficace du médicament vers le site tumoral.

Internalisation cellulaire in vitro

Pour vérifier la capacité de ciblage magnétique du Fe₃O₄ dans les microsphères rGO@Fe₃O₄, les expériences d'internalisation cellulaire avec ou sans traitement par champ magnétique ont été étudiées qualitativement par microscopie confocale à balayage laser (CLSM). Les cellules HeLa ont été incubées avec rGO@Fe₃O₄/DOX pendant 4 h et les noyaux des HeLa ont été marqués par DAPI. Les résultats en Fig. 5 montrent que les points noirs correspondant aux microsphères rGO@Fe₃O₄ et les signaux de fluorescence rouge intracellulaires évidents attribués à la DOX étaient observés dans le groupe rGO@Fe₃O₄ avec traitement par champ magnétique. En revanche, on trouvait moins de points noirs et une fluorescence de DOX plus faible lorsque le groupe rGO@Fe₃O₄ était sans chargement de champ magnétique. L'explication pourrait être que les points noirs attribués au rGO@Fe₃O₄ internalisés dans la cellule pourraient être favorisés par l'aimant. Les résultats indiquent que le Fe₃O₄ dans rGO@Fe₃O₄/DOX pouvait cibler spécifiquement les cellules HeLa efficacement et améliorer significativement l'internalisation cellulaire des microsphères, démontrant une capacité favorable de ciblage magnétique du système d'administration de médicaments en thérapie du cancer.

Analyses de cytotoxicité in vitro

La biocompatibilité de rGO@Fe₃O₄ a été évaluée par essai CCK-8 sur cellules HeLa. Comme montré en Fig. 6a, après incubation avec rGO@Fe₃O₄ à une large gamme de concentrations différentes, la viabilité cellulaire restait supérieure à 90 % même à des concentrations élevées jusqu'à 200 μg mL⁻¹, les résultats indiquant que rGO@Fe₃O₄ exhibe une haute biocompatibilité et pourrait servir de plateforme d'administration de médicaments efficace. L'efficacité de la thérapie photothermique de rGO@Fe₃O₄ a été étudiée plus avant après incubation avec les cellules HeLa pendant 24 h et 48 h sous irradiation par lumière NIR (laser NIR 808 nm, 10 min). Comme montré en Fig. 6b, la phototoxicité était clairement dépendante de la dose sous stimulation NIR, et la viabilité cellulaire diminuait de 90,37 à 35,52 % à 24 h, et de 93,77 à 31,75 % à 48 h, impliquant que rGO@Fe₃O₄ avait une excellente phototoxicité et un grand potentiel en thérapie photothermique. Pour estimer l'efficacité thérapeutique synergique de la photothermie-chimiothérapie, la cytotoxicité de rGO@Fe₃O₄/DOX envers les cellules HeLa avec et sans irradiation NIR a été étudiée. Comme montré en Fig. 6c, d, la viabilité cellulaire montrait un comportement dépendant de la concentration et contrôlé par le temps. Environ 65 % et 80 % des cellules HeLa étaient tuées par rGO@Fe₃O₄/DOX sans irradiation NIR et DOX à 24 h, la capacité de destruction tumorale diminuée de rGO@Fe₃O₄/DOX par rapport à la DOX libre pouvant être due au comportement de libération retardée de la DOX des microsphères rGO@Fe₃O₄/DOX. Après irradiation par laser NIR (laser NIR 808 nm, 10 min), le groupe rGO@Fe₃O₄/DOX avec laser tuait plus de 86 % des cellules à une dose équivalente de DOX (30 μg mL⁻¹). Des résultats similaires pouvaient être observés après le même traitement des cellules pendant 48 h, la diminution de la viabilité cellulaire des groupes DOX, rGO@Fe₃O₄/DOX, rGO@Fe₃O₄/DOX avec irradiation NIR étant de 80 %, 76 % et 90 %, respectivement, indiquant un effet synergique de la thérapie photothermique et chimiothérapie combinées.

Conclusions

En résumé, nous avons exploré une stratégie aisée pour construire une plateforme d'administration de médicaments basée sur le rGO, rGO@Fe₃O₄/DOX, pour une photothermie-chimiothérapie synergique. Les microsphères rGO@Fe₃O₄/DOX exhibent un excellent effet PTT déclenché par NIR et une parfaite stabilité photothermique NIR. Le Fe₃O₄ sur les microsphères assure une excellente capacité de ciblage des cellules tumorales. La DOX peut être encapsulée dans rGO@Fe₃O₄ avec une capacité de charge ultra-élevée et un comportement de libération pH-réactif peut être simultanément atteint. De plus, une efficacité antitumorale accrue a été atteinte lors de la combinaison de chimiothérapie et de thérapie photothermique. Par conséquent, cette plateforme d'administration de médicaments multifonctionnelle pourrait être un candidat prometteur pour le ciblage tumoral et la thérapie combinatoire du cancer à l'avenir.

Disponibilité des données et matériaux

Les données et analyses du travail actuel sont disponibles auprès des auteurs correspondants sur demande raisonnable.

Abréviations

DDS :

Système d'administration de médicaments (Drug delivery system)

NIR :

Proche infrarouge (Near-infrared)

GO :

Oxyde de graphène (Graphene oxide)

DOX :

Doxorubicine

DMEM :

Milieu essentiel minimum de Dulbecco (Dulbecco's minimum essential medium)

DAPI :

4',6-diamidino-2-phénylindole

CCK-8 :

Kit de comptage cellulaire-8 (Cell counting kit-8)

SEM :

Microscopie électronique à balayage (Scanning electron microscopy)

TEM :

Microscope électronique à transmission (Transmission electron microscope)

XRD :

Système de diffraction des rayons X (X-ray diffraction system)

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X (X-ray photoelectron spectroscopy)

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (Fourier transform infrared spectroscopy)

TGA :

Analyseur thermogravimétrique (Thermogravimetric analyzer)

LE :

Efficacité de chargement (Loading efficiency)

LC :

Capacité de chargement (Loading capacity)