Chemisch gemodificeerde nanosheets voor biomedische toepassingen

In een recente studie tonen onderzoekers van het Department of Organic Chemistry (OC) en Materials Research Center (MRC), Indian Institute of Science (IISc) aan dat oppervlaktemodificaties van tweedimensionaal molybdeendisulfide (2D-MoS₂) nanosheets kunnen ze zeer effectief maken voor toepassingen zoals het toedienen van medicijnen aan zieke cellen.

Nanomaterialen moeten meestal worden aangepast of aangepast, afhankelijk van de toepassing om hun efficiëntie te verbeteren. Meestal worden ze chemisch gemodificeerd via een proces dat functionalisatie wordt genoemd, waarbij liganden (kleine of grote moleculen) aan het oppervlak van het nanomateriaal worden bevestigd.

In de nieuwe studie hebben de onderzoekers het oppervlak van 2D-MoS aangepast₂ nanosheets met thiol (zwavelhoudende) liganden. Ze ontdekten dat deze thiolen kunnen worden uitgewisseld met natuurlijk voorkomende thiolen in biologische systemen, waardoor medicijnen die aan deze nanosheets zijn gehecht, kunnen worden vrijgegeven. Deze chemisch gemodificeerde nanosheets bleken ook veilig te zijn voor gebruik in levende cellen.

“Onze studie toont aan dat thioluitwisseling op 2D-MoS₂ nanosheets is effectief en het nanomateriaal is stabiel in de aanwezigheid van verschillende biomoleculen. Dit is een belangrijke observatie omdat het dit nanomateriaal zeer gunstig zal maken voor biomedische toepassingen zoals medicijnafgifte”, legt Mrinmoy De uit, universitair hoofddocent aan de afdeling Organische chemie en senior auteur van de studie gepubliceerd in ACS Nano.

Het team gebruikte eerst een fluorescerende thiol genaamd boor-dipyrrometheen (BZV-SH) om het oppervlak van de 2D-MoS te wijzigen₂ nanosheets om een ​​gefunctionaliseerde versie (BZV-MoS₂). Vervolgens testten ze de mogelijkheid van thiol-naar-thiol-uitwisseling op BZV-MoS₂ met behulp van glutathion (GSH) – een natuurlijk voorkomend thiol dat in overvloed voorkomt in kankercellen. Ze ontdekten dat GSH-moleculen van plaats verwisselden met BZV-SH op het oppervlak van de nanosheet – een proces dat ze bevestigden met behulp van fluorescentietechnieken.

Toen de onderzoekers een antikankermedicijn met de naam doxorubicine (DOX) aan het oppervlak van de nanosheet hechtten, ontdekten ze dat thioluitwisseling ook tussen GSH en DOX kon plaatsvinden, waardoor DOX op de zieke plek kon worden afgezet. Omdat de uitwisseling alleen plaatsvindt in de aanwezigheid van hoge concentraties GSH die in zieke cellen worden aangetroffen, kunnen geneesmiddelen zoals DOX specifiek aan kankercellen worden toegediend zonder normale cellen aan te tasten, wat mogelijk ook eventuele bijwerkingen kan verminderen.

Eerdere inspanningen waren volgens de onderzoekers gericht op het gebruik van gouden nanodeeltjes voor dergelijke biomedische toepassingen, maar deze nanodeeltjes zijn duur en hebben een beperkte efficiëntie vanwege hun niet-selectiviteit tussen monothiolen en disulfiden.

“Onze experimenten tonen aan dat 2D-MoS₂ nanosheets kunnen een effectieve vervanging zijn voor gouden nanodeeltjes, en ze zullen enorm nuttig zijn op het gebied van nanogeneeskunde, “zegt Pradipta Behera, een postdoctoraal onderzoeker bij IISc en de eerste auteur van de studie. De MoS₂ nanosheets bleken stabiel te zijn in de aanwezigheid van biovloeistoffen. Ze hebben ook een groter oppervlak dan gouden nanodeeltjes, wat betekent dat ze efficiënter kunnen zijn.

In de toekomst is het team van plan te werken aan het verbeteren van de stabiliteit van het nanomateriaal in de aanwezigheid van verschillende thiolbevattende vloeistoffen en het onderzoeken van alternatieve benaderingen voor oppervlaktemodificatie om de nanosheets aan te passen voor andere toepassingen. “Dit werk op 2D-MoS₂ nanosheets kunnen in de toekomst worden ontwikkeld als alternatief voor toepassingen voor het afleveren van RNA en DNA, wat nuttig kan zijn voor het opsporen en behandelen van infecties zoals COVID-19″, voegt Behera toe.