光熱治療薬および熱応答性薬物送達のための近赤外刺激ヒドロゲルパッチ

Near-infrared stimulated hydrogel patch for photothermal therapeutics and thermoresponsive drug delivery.

• Ishita Matai
• Gurvinder Kaur
• Sanjeev Soni
• Abhay Sachdev
• Vikas
• Sunita Mishra

抄録

ナノテクノロジーを駆使したがん治療法は、将来の有望な臨床モダリティとしての可能性を秘めている。現在、特に癌治療のためのコンビネーションモダリティの開発が強く強調されている。本研究では、ナノマテリアルを用いた光熱療法やオンデマンドの薬物送達アプリケーションのための局所ヒドロゲルパッチを紹介する。このパッチは、アルギン酸（Alg）とポリアクリルアミド（PAAm）の重量比8:1の相互浸透ネットワーク（IPN）をフリーラジカル重合して得たものである。パッチ内部は、金ナノロッド（AuNR）をポリビニルピロリドン（PVP）機能化グラフェン酸化物（PVP-nGO）に固定したハイブリッドナノ構造で構成されており、PVP-nGO@AuNRsハイブリッドを形成している。電界放出型走査型電子顕微鏡(FE-SEM)画像から、ハイブリッドハイドロゲルパッチの多孔質性が明らかになった。また、機械的強度,粘弾性,膨潤挙動などの機能的特性を調べた。近赤外光照射下では、ハイブリッドパッチは表面温度が75.16±0.32℃まで上昇し、がん細胞を熱的にアブレーションするのに十分な光熱特性を示した。また、このハイブリッドパッチで発生した熱は、重ね合わせたときに下地のハイドロゲル（皮膚組織を模したもの）に伝わり、大きな損失がないことを確認しました。周期的な光熱加熱の下では、パッチは4サイクルの間、その光熱安定性を保持することができました。さらに、このハイブリッドパッチは、メトトレキサート（MTX、水溶性抗がん剤）とロダミンB（RhB、水溶性色素）を用いて評価したところ、NIR刺激による薬物放出を示した。以上の結果から、本研究は、限局性固形腫瘍の熱破壊と標的部位への化学療法薬の調整可能な送達のための外部配置型ハイドロゲルパッチの開発に向けた新たな次元を提供するものである。

Nanotechnology driven cancer theranostics hold potential as promising future clinical modalities. Currently, there is a strong emphasis on the development of combinational modalities, especially for cancer treatment. In this study, we present a topical hydrogel patch for nanomaterial-assisted photothermal therapeutics as well as for on-demand drug delivery application. The patch was derived from interpenetrating networks (IPNs) of alginate (Alg) and polyacrylamide (PAAm) in weight ratio 8:1 by free radical polymerization. The patch interiors were composed of hybrid nanostructures derived from gold nanorods (AuNRs) anchored onto polyvinylpyrrolidone (PVP) functionalized graphene oxide (PVP-nGO) to form PVP-nGO@AuNRs hybrids. Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) images revealed the porous nature of the hybrid hydrogel patch with an average pore size of ~28.60 ± 3.10 μm. Besides, functional characteristics of the hybrid patch, such as mechanical strength, viscoelastic and swelling behavior, were investigated. Under near-infrared (NIR) radiation exposure, the hybrid patch exhibited photothermal properties such as surface temperature rise to 75.16 ± 0.32 °C, sufficient to ablate cancer cells thermally. Besides, the heat generated in the hybrid patch could be transmitted to an underlying hydrogel (mimicking skin tissue) when stacked together without much loss. Under cyclic photothermal heating, the patch could retain its photothermal stability for four cycles. Furthermore, the hybrid patch demonstrated NIR stimulated drug release, which was evaluated using methotrexate (MTX, water-insoluble anticancer drug) and rhodamine B (RhB, water-soluble dye). Taken together, this work provides a new dimension towards the development of externally placed hydrogel patches for thermal destruction of localized solid tumors and tunable delivery of chemotherapeutic drugs at the target site.

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