rGO modificado con HBP hidrofílico permite liberación DOX dual pH/NIR para quimio-fototermia tumoral sinérgica

Resumen

Reportamos ruta sencilla para sintetizar óxido de grafeno reducido hidrofílico (NrGO) reduciendo óxido de grafeno (GO) con polímero hiperramificado amino-terminal (NHBP). NrGO exhibe excelente dispersibilidad acuosa, fuerte absorción infrarrojo cercano (NIR), conversión fototérmica eficiente, y estabilidad química. Cargar agente quimioterapéutico doxorrubicina (DOX) sobre NrGO produce transportador fármaco dual-responsivo que libera DOX más rápido bajo condiciones ácidas tumorales o irradiación láser NIR. Estudios in vitro confirman NrGO biocompatible, y DOX@NrGO logra inhibición superior células tumorales vs DOX libre, demostrando sinergia quimio-fototérmica efectiva. Hallazgos destacan DOX@NrGO como plataforma prometedora para terapia cáncer combinada y otras aplicaciones biomédicas.

Introducción

Fototermia infrarrojo cercano (NIR) (PTT) ha emergido como estrategia mínimamente invasiva para tratamiento cáncer porque luz NIR (700–1100 nm) penetra tejido con baja absorción, preservando células sanas mientras permite calentamiento localizado.1–3 Para PTT, agente terapéutico debe combinar alta eficiencia conversión fototérmica, buena biocompatibilidad, y estabilidad coloidal en ambientes acuosos.

Materiales base grafeno han atraído atención como agentes PTT por su estructura bidimensional, gran área superficial, y propiedades ópticas sintonizables.4–14 Sin embargo, rGO convencional producido vía métodos químicos o hidrotérmicos a menudo retiene carácter hidrofóbico, limitando aplicabilidad en sistemas biológicos.16

Abordamos esta limitación empleando polímero hiperramificado amino-terminal soluble en agua y reductivo (NHBP) para convertir GO en rGO hidrofílico estable (NrGO). Trabajos previos demostraron capacidad NHBP para funcionalizar nanopartículas metálicas preservando dispersibilidad.17,18

Además, cargar fármacos citotóxicos sobre transportadores fototérmicos puede sinergizar quimioterapia con PTT, ya que calor no solo abla células tumorales sino también acelera liberación fármaco.19–21 Aquí describimos síntesis NHBP-rGO modificado, sus propiedades fototérmicas, carga DOX, liberación fármaco disparada pH/NIR, y eficacia quimio-fototérmica resultante contra células HeLa.

Materiales y Métodos

Materiales

Óxido de grafeno (GO, 0,8–1,2 nm grueso, 0,5–5 µm ancho) de XFNANO Co., Ltd. Doxorrubicina (DOX) de HuaFeng United Technology Co., Ltd. Medio Dulbecco modificado Eagle (DMEM), suero fetal bovino (FBS), tripsina, penicilina (100 U/mL), estreptomicina (100 µg/mL) de Thermo Fisher Scientific. MTT, DAPI, reactivos PI de Beyotime Biotechnology. Demás reactivos grado analítico Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.

Preparación Polímero Hiperramificado Amino-Terminal (NHBP)

NHBP sintetizado siguiendo protocolo previo.16 Brevemente, tetraetilenopentamina (94 mL, 0,5 mol) agitada bajo nitrógeno en matraz tres cuellos 250 mL. Solución metanol metacrilato metilo (43 mL, 0,5 mol) añadida gota a gota, luego mezcla calentada y enfriada alternadamente, seguida 4 h agitación temperatura ambiente. Producto aislado por evaporación rotatoria 150 °C, dando polímero viscoso amarillento peso molecular medio ~7759.

Preparación GO Reducido NHBP (NrGO)

GO dispersado agua desionizada y ultrasonido con NHBP ratios peso 1:10, 1:20, 1:30 por 10 min, luego agitado 90 °C 1 h. Suspensiones resultantes (NrGO-10, NrGO-20, NrGO-30) centrifugadas y lavadas tres veces agua.

Preparación DOX-Cargado NrGO (DOX@NrGO)

Suspensión NrGO mezclada solución DOX ratio peso 1:1 agitada temperatura ambiente 24 h. Compuesto recogido centrifugación y lavado obtener DOX@NrGO.

Caracterización y Medidas

Microscopía electrónica transmisión (TEM, JEOL JEM-2100) examinó morfología. Espectros infrarrojo transformada Fourier (FTIR, Nicolet iS10) registrados 400–4000 cm⁻¹ (resolución 4 cm⁻¹). Potencial zeta e tamaño hidrodinámico medidos NanoBrook 90plus Zeta analyzer. Absorción UV-vis-NIR (400–900 nm, 1 cm⁻¹ resolución) registrada Thermo Fisher Evolution 300. Rendimiento fototérmico evaluado láser 808-nm (SFOLT Co.) y termómetro termopar (DT-8891E). Muestra (0,2 mL) en punto 0,25 cm² irradiada 1 W cm⁻² 5 min, cambios temperatura registrados tiempo real.

Ensayo Liberación Fármaco

DOX@NrGO colocado bolsa diálisis (PMCO 8000) conteniendo PBS (pH 7,4 o 4,0) incubado 37 °C agitación 100 rpm. Grupo NIR, bolsa irradiada 5 min tras cada punto muestreo. Cada intervalo, 10 mL PBS retirado, reemplazado buffer fresco, concentración DOX determinada espectrofotometría UV-vis.

Citotoxicidad Celular y Evaluación Quimio-Fototérmica

Células HeLa sembradas 5×10³ células/pozo placas 96-pozos incubadas ~80 % confluencia. Células tratadas NrGO (3,125–50 µg mL⁻¹) 24 y 48 h, viabilidad medida ensayo MTT según Ecuación (1). Tras 4 h incubación DOX@NrGO (3,125–50 µg mL⁻¹), células HeLa irradiadas láser 808-nm (0,5 W cm⁻²) 5 min y cultivadas 20 h adicionales. Viabilidad evaluada MTT, morfología celular examinada tinción DAPI y PI microscopía confocal.

Viabilidad celular (%) = (OD_muestra / OD_control) × 100%.

Resultados y Discusión

Caracterización Físico-Química

Reducción GO con NHBP transformó suspensión marrón en solución negra dispersable agua, confirmando conversión exitosa. Imágenes TEM (Fig. 2) muestran NrGO-30 retiene estructura monocapa sin agregación, indicando NHBP no perturba morfología grafeno. Espectros FTIR (Fig. 3) revelan desaparición pico 1725 cm⁻¹ C=O de GO y aparición señal 1633 cm⁻¹ C-N amida, confirmando unión covalente NHBP. Medidas potencial zeta (Fig. 4) demuestran cambio negativo (GO) a valores positivos (NrGO), apoyando funcionalización superficial. Espectros UV-vis-NIR (Fig. 5) muestran fuerte absorción ventana NIR para todas muestras NrGO, mientras GO y NHBP solos muestran respuesta NIR despreciable. Tamaño hidrodinámico (Fig. 6) consistente across ratios NHBP, indicando estabilidad tamaño.

Propiedades Fototérmicas

Bajo irradiación 808-nm, agua mostró calentamiento despreciable, mientras GO subió <5 °C. En contraste, muestras NrGO alcanzaron 40–45 °C a 200 µg mL⁻¹, ratios NHBP mayores produciendo mayores elevaciones temperatura (Fig. 7). Temperatura subió proporcionalmente concentración NrGO y potencia láser, alcanzando ventana terapéutica (~41–43 °C) sin dañar células normales. Ciclado fototérmico (Fig. 7d) y UV-vis post-irradiación (Fig. 8) confirman excelente estabilidad y retención propiedades ópticas.

Comportamiento Entrega Fármaco

Liberación DOX desde DOX@NrGO marcadamente mejorada en condiciones ácidas (pH 4,0) e irradiación NIR (Fig. 9). pH ácido ioniza grupos amina NHBP, reduciendo unión electrostática a DOX y promoviendo liberación. Calentamiento NIR acelera movimiento molecular, acelerando difusión fármaco. Así, DOX@NrGO ofrece dual responsividad idónea microambientes tumorales.

Citotoxicidad NrGO

Ensayos MTT (Fig. 10a) indican >80 % viabilidad celular a 50 µg mL⁻¹ tras 24 h, confirmando baja toxicidad intrínseca e idoneidad como transportador fármaco.

Inhibición Sinérgica Células Tumorales

Tratamiento DOX@NrGO solo redujo viabilidad HeLa modo dosis-dependiente (Fig. 10b). Combinado con irradiación NIR (0,5 W cm⁻², 5 min), viabilidad celular disminuyó significativamente más, evidenciando sinergia quimio-fototérmica. Imágenes confocal (Fig. 11) muestran núcleos dispersos con DOX@NrGO, mientras irradiación induce desprendimiento extensivo células. Tinción PI (Fig. 12) revela aumento células muertas tras terapia combinada, corroborando efecto citotóxico mejorado.

Conclusiones

En resumen, desarrollamos rGO modificado NHBP sencillo, soluble agua, con robusta conversión fototérmica y estabilidad coloidal. Carga DOX confiere liberación disparada pH y NIR, y sistema DOX@NrGO logra inhibición superior células tumorales quimio-fototérmica in vitro. Resultados demuestran promesa DOX@NrGO como plataforma versátil para terapia cáncer y otras aplicaciones biomédicas.