Manuscript ID : jnmm-1186901 Visit : 37 Page: 22 - 43

Article Type: Original Research

Stabilization of Doxorubicin Drug on Graphene Oxide Nanosystem and Computer simulation Study (In-Silico) on Topoisomerase II Enzyme

Subject Areas : journal of New Materials

Sedigheh Pargaleh boroujeni ¹ , Nooreddin Goodarzian ² , Neda Hasanzadeh ³ , Mohammad Kazem Mohammadi ⁴

1 - Department of Chemistry, Ahvaz Science and Research branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran
2 - Department of Chemistry, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran
3 - Department of Chemistry, Ahvaz Science and Research branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran
4 - Department of Chemistry, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran

Received: 2024-07-02 Accepted : 2024-09-16 Published : 2024-10-14

Keywords: Doxorubicin, Graphene Oxide, Topoisomerase II Enzyme, Release, Nano System,

Abstract :

Introduction Doxorubicin is a well-known anticancer drug that has been the focus of numerous studies aimed at enhancing its efficacy and enabling targeted drug delivery, thereby transforming it into an effective nanomedicine. The objectives of this study included the stabilization of doxorubicin on a graphene oxide nanosystem and analyzing various properties related to this stabilization, as well as conducting in-silico studies of this drug on topoisomerase II enzyme. To investigate the effects of doxorubicin on the graphene oxide substrate, graphene oxide was first synthesized from graphite using the Hummers method. Following this, doxorubicin loading was achieved by sonication, thus stabilizing the drug on the substrate. Doxorubicin hydrochloride was also used as a standard.

Methods: To evaluate the properties of the stabilized drug, FT-IR, SEM, and X-ray diffraction (XRD) analyses were employed. For studying the molecular interactions of the obtained compound with topoisomerase II enzyme, molecular docking was utilized. Among 50 clusters considered for the compound, the 40th cluster exhibited the best energy state of -2.9 kcal/mol. Furthermore, the intramolecular energy, electrostatic energy, overall internal energy, and torsional free energy at 298.15 Kelvin were reported as -18.6 kcal/mol, -0.91 kcal/mol, -14.4 kcal/mol, and -28.3 kcal/mol, respectively.

Findings: The best interactions were attributed to van der Waals, hydrogen, hydrogen-carbon, alkyl, and π-alkyl bonds. In this context, a total of 13 amino acids remained in contact with the drug. In the infrared spectrum analysis, an increased intensity of the stretching vibrations of the hydrogen atoms in the first-type aliphatic amine group was observed in the FTIR peaks, providing evidence for the drug's stabilization on the graphene substrate due to greater freedom of action of the relevant hydrogen atoms and their activation resulting from interaction with the graphene oxide substrate. Additionally, a shift in the stretching vibration position of the carbonyl group from 1608 cm⁻¹ towards lower wavenumbers was observed due to the attack of the lone pair electrons of the oxygen atoms on the carbonyl backbone of the doxorubicin molecules. According to SEM and FESEM spectra, the stabilized drug on both GO and rGO samples exhibited a roughly layered and heterogeneous structure. After the reduction process, the rGO structure appeared as more uniform and smoother sheets, which was attributed to the reduction of oxygen groups in rGO, leading to increased uniformity and reduced surface roughness. XRD data revealed a strong peak in GO corresponding to the interlayer spacing (d-spacing), indicating a layered structure and the presence of oxygen groups on the GO surface. Conversely, in the XRD spectrum of rGO, a peak around 26-27 degrees was observed, reflecting the reduction of the interlayer spacing (d-spacing) due to the removal of oxygen groups and increased structural uniformity.

The diffraction pattern of rGO displayed a simpler and more uniform spectrum, signifying improved crystalline structure and reduced systemic defects. Based on the favorable instrumental results and in-silico studies on topoisomerase II, along with the high importance of biocompatibility of drug carriers, the superiority of the stabilized doxorubicin drug on the graphene oxide nanosystem compared to the initial drug is evident, and the recent compounds can be considered suitable candidates for further improving cancer patients' treatment and controlling their diseases.

References:

1-Yadav, Y. S., Vishwakarma, A. K., Yadav, R. K., et al. "Targeted Cancer Therapy." Res. Reflect. (2017) 1(1): 11-17.
2-Dietel, M., Sers, C. "Personalized medicine and development of targeted therapies: The upcoming challenge for diagnostic molecular pathology. A review." Virchows Arch. (2006) 448(6): 744-755.
3-Widakowich, C., et al. "Review: Side effects of approved molecular targeted therapies in solid cancers." Oncologist. (2007) 12(12): 1443-1455.
4-Citri, A., Yarden, Y. "EGF-ERBB signalling: Towards the systems level." Nat. Rev. Mol. Cell Biol. (2006) 7: 505-516.
5-Liang, T., Xing, Z., Jiang, L., et al. "Tailoring nanoparticles for targeted drug delivery: From organ to subcellular level." Mini-Rev. (2021) DOI: 10.1002/VIW.20200131.
6-Li, Y., Dong, H., Li, Y., Shi D. Graphene-based nanovehicles for photodynamic medical therapy. Int J Nanomedicine. (2015) 27:10:2451-9.
7-Siegel, R. L., et al. Cancer statistics, 2015. CA: A Cancer Journal for Clinicians, 65(1), 5-29.
8-Ma, N., Liu, J., He, W., et al. "Folic acid-grafted bovine serum albumin decorated graphene oxide: an efficient drug carrier for targeted cancer therapy." J. Colloid Interface Sci. (2017) 490: 598.
9-Liang, X., Gao, C., Cui, L., et al. " Self-Assembly of an Amphiphilic Janus Camptothecin–Floxuridine Conjugate into Liposome-Like Nanocapsules for More Efficacious Combination Chemotherapy in Cancer." Adv. Mater. (2017) 29: 1703135.
10-Liu, L., Ma, Q., Cao, J., et al. "Recent progress of graphene oxide-based multifunctional nanomaterials for cancer treatment." Cancer Nanotechnol. (2021) 12: 18.
11-Balcioglu, M., Rana, M., Yigit, M. V. "Doxorubicin loading on graphene oxide, iron oxide and gold nanoparticle hybrid." DOI: 10.1039/C3TB20992J (2013)
12-Sharifi Saqezi, A., Kermanian, M., Ramazani, A., & Sadighian, S. "Synthesis of Graphene Oxide/Iron Oxide/Au Nanocomposite for Quercetin Delivery." J. Inorg. Organomet. Polym. Mater. 32: 1541–1550. (2022).
13-Moghadam, N.B., Avatefi, M., Karimi, M., & Mahmoudifard, M. "Graphene family in cancer therapy: recent progress in cancer gene/drug delivery applications." J. Ind. Environ. Biotechnol. (2023) 14: 111-122.
14-Jabbar, A., Yasin, G., Khan, W. Q., et al. "Electrochemical deposition of nickel graphene composite coatings: effect of deposition temperature on its surface morphology and corrosion resistance." RSC Adv. (2017) 7: 31100.
15-Song, S., Shen, H., Wang, Y., et al. " Biomedical application of graphene: From drug delivery, tumor therapy, to theranostics" Colloids Surf. B Biointerfaces. (2020) 185: 110596.
16-Yu, W., Sisi, L., Haiyan, Y., et al.. " Progress in the functional modification of graphene/graphene oxide: a review" RSC Adv. (2020) 10: 15328.
17-Westman, E. L., Canova, M. J., Radhi, I. J., et al. "" Chem. Biol. (2012) 26: 1255.
18-Zhao, X., Wei, Z., Zhao, Z., et al. " Design and Development of Graphene Oxide Nanoparticle/Chitosan Hybrids Showing pH-Sensitive Surface Charge-Reversible Ability for Efficient Intracellular Doxorubicin Delivery" ACS Appl. Mater. Interfaces. (2018) 10: 6608.
19-Kanwal, U., Bukhari, N. I., Rana, N. F., et al. "" Int. J. Nanomed. (2018) 14(1): 1.
20-Hummers, W. S., & Offeman, R. E. "Preparation of Graphite Oxide." JACS. (1958) 80(6), 1339-1339. DOI: 10.1021/ja01539a017.
21-Garje Channabasappa, M. K., Jalageri, M. "Synthesis and characterization of graphene oxide by modified hummer method." (2020) DOI: 10.1063/5.0003864.
22-Yang, H., Villani, R. M., Wang, H., Simpson, M. J., Roberts, M. S., Tang, M., & Liang, X. The role of cellular reactive oxygen species in cancer chemotherapy. J. Exp. Clin. Cancer Res. (2018) 37(1): 10. doi:10.1186/s13046-018-0909-x.
23-Sharma, H., & Mondal, S. Functionalized Graphene Oxide for Chemotherapeutic Drug Delivery and Cancer Treatment: A Promising Material in Nanomedicine. International Journal of Molecular Sciences, 21(17), 6280 (2020). DOI: 10.3390/ijms21176280.
24-Nurunnabi, M., Parvez, K., Nafiujjaman, M., Revuri, V., Khand, H. A., Feng, X., & Lee, Y. K. "Bioapplication of graphene oxide derivatives: Drug/gene delivery, imaging, polymeric modification, toxicology, therapeutics and challenges." Theranostics (2015) 5(3): 312-344.
25https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/cp/d3cp01073b
26-Selwa, A., et al. "In silico self-assembly of nanoparticles with applications in drug delivery." In Advances in Nanoparticles and Nanomaterials (2017) pp. 1-20
27-Feng, Y. & Huang, J. "Using simulation to improve drug-delivery effectiveness." Pharmaceutical Technology (2020) 35(11), 1-6.
28-Yang, F. et al. "Nanoparticle-based drug delivery systems for the treatment of cardiovascular diseases." Front. Cardiovasc. Med. (2022) 9: 1062538.
29-Marcano, D. C., Kosynkin, D. V., Berlin, J. M., Sinitskii, A., Sun, Z., Slesarev, A & Tour, J. M.. Improved synthesis of graphene oxide. ACS Nano, (2010) 4(8): 4806-4814.
30-Sieradzka, M., et al. "Graphene Oxide: A Comparison of Reduction Methods." Nanomaterials, (2020) 10(7): 1244
31-Ashrafizadeh, M., Saebfar, H., Gholami, M. H., Hushmandi, K., Zabolian, A., et al. "Doxorubicin-loaded graphene oxide nanocomposites in cancer medicine: stimuli-responsive carriers, co-delivery and suppressing resistance." Expert Opin. Drug Deliv. (2022) 19(4): 355-382. doi: 10.1080/17425247.2022.2041598.
32-Yang, X., Zhang, X., Liu, Z., et al. "High-efficiency loading and controlled release of doxorubicin hydrochloride on graphene oxide." J. Phys. Chem. C. (2008) 112(45): 17554-17558.
33-SreeHarsha, N., Maheshwari, R., Al-Dhubiab, B., et al. "Graphene-based hybrid nanoparticle of doxorubicin for cancer chemotherapy." Int. J. Nanomed. (2019) 14: 7419.
34-Ma, W., Yang, H., Hu, Y., et al. "Fabrication of PEGylated porphyrin/reduced graphene oxide/doxorubicin nanoplatform for tumor combination therapy." Polym. Int. (2021) 70(9): 1413-1420.
35-Maseko, R. B., & Aderibigbe, B. A. Doxorubicin-Based Hybrid Compounds as Potential Anticancer Agents: A Review. Molecules (2021) 26(3), 712.
36-Minotti, G., Menna, P., Salvatorelli, E., Cairo, G., & Gianni, L. Anthracyclines: molecular advances and pharmacologic developments in antitumor activity and cardiotoxicity. Pharmacol. Rev. (2004) 56(2), 185-229.
37-Jabbar, A., Yasin, G., Khan, W. Q., et al. "Electrochemical deposition of nickel graphene composite coatings: Effect of deposition temperature on its surface morphology and corrosion resistance." RSC Adv. (2017) 7(49):31100-31109.
38-Barik, S. The uniqueness of tryptophan in biology: Properties, metabolism, interactions, and localization in proteins. Int. J. Mol. Sci. (2020) 21:(22), 8776.
39-Li, X., Wang, X., Zhang, L., Lee, S., & Dai, H. Chemically derived, ultrasmooth graphene nanoribbon semiconductors. Science. (2008) 319:(5867), 1229-1232.
40-Wang, X., Ouyang, Y., Li, X., Wang, H., Guo, J., & Dai, HRoom-temperature all-semiconducting sub-10-nm graphene nanoribbon field-effect transistors. Physical Review Letters(PRL). (2009) 100:(20), 206803.
41. Kamath, V., Thomas, A. Chitosan nanoparticles as a promising tool in nanomedicine with particular emphasis on oncological treatment. Cancer Cell Int. (2021)
42-Fong, Y. T., Chen, C.-H., Chen, J.-P. Intratumoral delivery of doxorubicin on folate-conjugated graphene oxide by in-situ forming thermo-sensitive hydrogel for breast cancer therapy. Nanomaterials. (2017).
43-Rahdar, A., et al. Copolymer/graphene oxide nanocomposites as potential anticancer agents. Polymer Bulletin. (2020).

Full-Text:

Research Paper

Stabilization of Doxorubicin Drug on Graphene Oxide Nanosystem and Computer simulation Study (In-Silico) on Topoisomerase II Enzyme

Sedigheh Pargaleh boroujeni,1,2 Nooredin Goodarzian,3 Neda Hasanzadeh,1

Mohammad Kazem Mohammadi2*

1.Department of Chemistry, Ahvaz Science and Research branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran

2.Department of Chemistry, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran

3.Department of Chemistry, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran

Received:	2024/07/02
Revised:	2024/09/11
Accepted:	2024/09/16

Abstract
Introduction Doxorubicin is a well-known anticancer drug that has been the focus of numerous studies aimed at enhancing its efficacy and enabling targeted drug delivery, thereby transforming it into an effective nanomedicine. The objectives of this study included the stabilization of doxorubicin on a graphene oxide nanosystem and analyzing various properties related to this stabilization, as well as conducting in-silico studies of this drug on topoisomerase II enzyme. To investigate the effects of doxorubicin on the graphene oxide substrate, graphene oxide was first synthesized from graphite using the Hummers method. Following this, doxorubicin loading was achieved by sonication, thus stabilizing the drug on the substrate. Doxorubicin hydrochloride was also used as a standard.

Methods: To evaluate the properties of the stabilized drug, FT-IR, SEM, and X-ray diffraction (XRD) analyses were employed. For studying the molecular interactions of the obtained compound with topoisomerase II enzyme, molecular docking was utilized. Among 50 clusters considered for the compound, the 40th cluster exhibited the best energy state of -2.9 kcal/mol. Furthermore, the intramolecular energy, electrostatic energy, overall internal energy, and torsional free energy at 298.15 Kelvin were reported as -18.6 kcal/mol, -0.91 kcal/mol, -14.4 kcal/mol, and -28.3 kcal/mol, respectively.

Findings: The best interactions were attributed to van der Waals, hydrogen, hydrogen-carbon, alkyl, and π-alkyl bonds. In this context, a total of 13 amino acids remained in contact with the drug. In the infrared spectrum analysis, an increased intensity of the stretching vibrations of the hydrogen atoms in the first-type aliphatic amine group was observed in the FTIR peaks, providing evidence for the drug's stabilization on the graphene substrate due to greater freedom of action of the relevant hydrogen atoms and their activation resulting from interaction with the graphene oxide substrate. Additionally, a shift in the stretching vibration position of the carbonyl group from 1608 cm⁻¹ towards lower wavenumbers was observed due to the attack of the lone pair electrons of the oxygen atoms on the carbonyl backbone of the doxorubicin molecules. According to SEM and FESEM spectra, the stabilized drug on both GO and rGO samples exhibited a roughly layered and heterogeneous structure. After the reduction process, the rGO structure appeared as more uniform and smoother sheets, which was attributed to the reduction of oxygen groups in rGO, leading to increased uniformity and reduced surface roughness. XRD data revealed a strong peak in GO corresponding to the interlayer spacing (d-spacing), indicating a layered structure and the presence of oxygen groups on the GO surface. Conversely, in the XRD spectrum of rGO, a peak around 26-27 degrees was observed, reflecting the reduction of the interlayer spacing (d-spacing) due to the removal of oxygen groups and increased structural uniformity.

Use your device to scan and read the article online

DOI: 10.30495/jnm.2024.33626.2046

Keywords:

Doxorubicin, Graphene Oxide, Topoisomerase II Enzyme, Release, Nano System

Citation: Sedigheh pargaleh boroujeni, Nooredin Goodarzian, Neda Hasanzadeh, Mohamad Kazem Mohammadi, Stabilization of Doxorubicin Drug on Graphene Oxide Nanosystem and Computer simulation Study (In-Silico) on Topoisomerase II Enzyme, Quarterly Journal of New Materials. 2024; 15 (55): 22-43.

*Corresponding author: Mohamad Kazem Mohammadi

Address: Department of Chemistry, Ahvaz Science and Research branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran

Tell: +989173014710

Email:mkmohamadi@gmail.com

Extended Abstract

Introduction

Targeted drug delivery is a set of activities that lead to the accumulation of drugs in a specific area of the body [1]. Depending on the location of the disease, these activities may cause the drug to reach a specific organ, a specific type of cell, or even some intracellular organelles. The main advantage of using targeted drug delivery is increasing the therapeutic effects of drugs without inducing side effects on healthy tissues or cells [2]. Nowadays, many researchers have devoted their studies to the development of targeted drug delivery strategies for the treatment of diseases threatening humans [3].

Graphene oxide is one of the widely used nanostructured compounds in the field of producing smart drug carriers [4,5]. The surface modification of graphene oxide with various compounds has been studied and studied a lot in order to increase the efficiency of drug loading and stabilization on it [6]. In this study, this compound was used to load the anticancer drug doxorubicin. Lung, bronchus, breast and colorectal cancers are the most common causes of fatal cancers in women. According to statistics published in 2010, breast cancer alone accounts for 28% of all cancers in American women [7,8].

In continuation of the comprehensive research in drug delivery of nanoparticles in 2022, a comprehensive and detailed investigation of nanoparticles in drug delivery and the use of graphene oxide for drug loading was carried out. These studies showed that nanoparticles can effectively help in targeted drug delivery and have the potential to be used in the treatment of cancers.

In this regard, research on the loading of doxorubicin drug on graphene oxide nanoparticles and investigating the in-silico properties of this nano drug seemed necessary for several reasons:

Findings and Discussion

Preparation of graphene oxide as a drug carrier

The modified method of Homoz and Afman (2010) was used for the synthesis of graphene oxide from natural graphite powder. Briefly, graphite (0.5 g), sodium nitrate NaNO3 (0.5 g) and 23 ml of concentrated sulfuric acid (as the main solvent and to acidify the reaction medium) for 1 hour in an ice water bath They were mixed at 4 °C. The pH of the solution was adjusted to about 8. This pH helps to maintain the balance in the oxidation process and prevent the decomposition of graphene oxide. Therefore, phosphoric acid was used to adjust the pH and to improve the properties of graphene oxide, and to increase the pH to 8 (alkaline), alkaline solutions of sodium hydroxide (NaOH) were used to prevent decomposition and improve the process. Oxidation was done. Then 1.5 grams of potassium permanganate was slowly added to it and the solution was stirred for one day at 35°C. 23 ml of distilled water was slowly added to the above mixture and the reaction mixture was stirred for 30 minutes with increasing temperature (with a ramp of 1°/s so that the temperature does not exceed 98°C). Finally, 5 ml of 30% hydrogen peroxide (H2O2) and 70 ml of deionized water were added to the mixture. The reaction mixture was filtered and washed several times with 3% hydrochloric acid solution and deionized water. This process was done several more times with a centrifuge. Finally, the resulting brown solid was dried in a vacuum oven.

Reduction of graphene oxide

Graphene oxide is usually not thermally stable, and for this reason, it is partially reduced to increase the ratio of carbon atoms to oxygen. Chemical, thermal and multi-stage regeneration are among the methods of reducing graphene oxide and preparing rGO. Generally, thermal and chemical regeneration are done in one step. In this research, chemical reduction with sodium borohydride was used to prepare rGO from GO (30). The regeneration of GO with this effective method to produce rGO can improve the electrical and structural properties of graphene. The reaction conditions including temperature, pH and applied time must be carefully controlled to maximize the quality of rGO. The relevant regeneration was done at room temperature (26°C). The pH of the solution can be controlled. In order to facilitate the reduction process and by adjusting the ratio of sodium borohydride to GO, the pH was set in an alkaline state (between 9 and 10). The time required for the reduction of GO to rGO was considered to be 2 hours. For this, GO was dissolved in deionized water and then sodium borohydride was slowly added to the solution. The mixture was kept under constant stirring until the reaction was homogeneous. After the completion of the reaction time, the solution was kept at room temperature for 1 hour to consume any residual sodium borohydride. Then, the mixture is washed with water to obtain pure rGO.

Drug loading

In order to load the drug doxorubicin on the drug carriers based on graphene oxide and reduced graphene oxide, first, 2 ml of phosphate buffer along with 6 mg of nanocomposite (based on graphene oxide and reduced graphene oxide) were subjected to ultrasound for 5 minutes. Agitation and uniform dispersion of the nanocomposite in the liquid helps.

Next, 10 ml of doxorubicin drug solution with a concentration of 0.5 mM was added to the nanocomposite suspension. Then, the suspension was mixed with a magnetic stirrer for 18 hours in a dark environment. This action helps to effectively load the drug doxorubicin on the graphene oxide-based drug carriers and reduces its degradation by preventing the drug from disintegrating against light.

After the end of the loading process, the final product was washed with a centrifuge, which helps to remove excess and non-loaded materials. Finally, the supernatant solution was used to determine the yield and efficiency of drug loading. The drug loading percentage is calculated from the following equation.

Interest loading = (W_1-W_2)/W_ad ×100

In this equation, W1 and W2 are, respectively, the initial weight of the drug in the loading solution and the weight of the unloaded drug, and the difference between these two values is the weight of the loaded drug, and Wad is the weight of the adsorbent for loading the drug.

Conclusion

According to the proven effects of the drug doxorubicin, there is a need for extensive research on improving the performance of this drug and turning it into a nano drug. molecular structure and create steric hindrance, act.

There are different types of drug release systems, and one of the newest and most advanced types of drug release systems are systems that use nanostructured carriers in the design. In-silico simulation studies were used to determine the efficacy of doxorubicin.

Molecular simulation is a method used to understand the type of interaction between the desired molecule and macromolecules such as enzymes. Since both computational and experimental methods play a fundamental role in drug development, molecular docking has become a new tool for the development of molecular biological studies. Affinity factor indicates the strength of interactions of molecular ligands in the corresponding binding site to the desired macromolecule through various van der Waals, hydrogen and ionic chemical bonds. Among the 50 clusters considered for composition, the 40th cluster had the best energy state of -2.9. Also, the amount of intramolecular energy, electrostatic energy, total internal energy and torsional free energy corresponding to it at the temperature of 298.15 K are -18.6 kcal/mol, -0.91 kcal/mol, and -4.14 kcal/mol. kcal/mol were 3.28. Van der Waals, hydrogen, hydrogen-carbon, alkyl and - π alkyl bonds showed the best interaction.

In the desired compound, the two-dimensional structure obtained shows that the best interactions are the result of van der Waals, hydrogen, hydrogen-carbon, alkyl and py-alkyl bonds (Figures 3 and 4).

The measured hydrophobic structure showed the greater tendency of amino acid tryptophan 34 (TYR34) to the non-aromatic part and alanine 64 (ALA64) and phenylalanine 80 (PHE80) to the aromatic part of the corresponding ligand, which can be attributed to the anisotropy properties of the aromatic part of the corresponding ligand. and its reaction with amino acids with polarity is proportional to this part.

In the investigations related to FTIR, the presence of the stretching vibration of the carbonyl group at 1720 cm-1, the stretching vibration of the aromatic ring hydrogens at 3117 cm-1 and also the stretching vibration of the hydrogen bonds of the hydroxyl group at 2500-3500 cm-1 in the FTIR spectrum indicate the success in preparing It had graphene oxide and reduced graphene oxide. As can be seen in Figure 5, the peaks related to the stretching vibration of aromatic ring hydrogens as well as C=C bonds in graphene oxide were well representative of the high purity graphene oxide structure. After loading the drug on the carrier, we saw more occurrence of stretching vibration of hydrogens of the first type aliphatic amine group in the position of FTIR peaks. Regarding the appearance of this peak in the region of 3400 which is a broad peak, it can be said that the corresponding peak is a stretching peak and medium in intensity (similar to hydroxyl peaks) that this intensity and location under pure and stabilized conditions in two the revived and non-revived state is slightly different. The greater intensity of this peak in the state of non-reduced graphene oxide can be due to the greater freedom of action of the corresponding hydrogens in the non-reduced form compared to the reduced form. Also, the more active of these hydrogens due to the interaction with the graphene oxide substrate compared to the pure drug can also be a factor for the higher intensity of the corresponding peak. Therefore, the increase in the intensity of the peak related to the amino group (3385 cm-1) in doxorubicin after loading it on the carrier is another proof of the formation of appropriate interactions between the drug and the carrier in the drug loading stage. The stretching vibration of the carbonyl group also had a slight increase in the peak in the region of 1608 cm-1, which also indicated the interaction between the functional groups in doxorubicin with graphene oxide.

Ethical Considerations compliance with ethical guidelines
The cooperation of the participants in the present study was voluntary and accompanied by their consent.

Funding
The research was supported by the authors.

Authors' contributions
Design experiments and perform: Sedigheh Pargaleh Boroujeni. Results and Data Analysis: Nooredin Goodarzian, Neda Hasanzadeh, Mohamad Kazem Mohammadi and final writing: Mohamad Kazem Mohammadi

Conflicts of interest
The authors declared no conflict of interest

مقاله پژوهشي

تثبيت داروي دوکسوروبيسين بر بستر نانو سيستم گرافن اکسايد و مطالعه شبيه سازي رايانه اي (In-Silico) بر آنزيم توپوايزومراز II

صديقه پرگاله بروجني 1و2 ، نورالدين گودرزيان3، ندا حسن زاده2، محمد کاظم محمدي*2

1 .گروه شيمي ، واحد علوم و تحقيقات خوزستان، دانشگاه آزاد اسلامي، اهواز، ايران

2 .گروه شيمي ، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامي، اهواز، ايران

3 .گروه شيمي ، واحد شيراز، دانشگاه آزاد اسلامي، شيراز، ايران

تاریخ دریافت:	12/04/1403
تاریخ داوری:	21/06/1403
تاریخ پذیرش:	26/06/1403

چکيده

مقدمه: دوکسوروبيسين يکي از داروهاي ضد سرطان مي باشد که مطالعات متعددي در جهت بهبود عملکرد و دارورساني هدفمند و تبديل آن به يک نانوداروي موثر صورت گرفته است. از اهداف اين مطالعه، تثبيت داروي دوکسوروبيسين بر بستر نانو سيستم گرافن اکسايد و بررسي آناليزهاي مختلف بر روي خصوصيات مربوطه در اين راستا و همچنين مطالعه درون رايانه اي (in-silico) اين دارو بر آنزيم توپوايزومراز II بود . به منظور بررسي داروي دوکسوروبيسين بر روي بستر گرافن اکسيد، در ابتدا گرافن اکسيد مورد نياز با استفاده از گرافيت و با روش هومرز ¹ تهيه گرديد. پس از آن، بارگذاري داروي دوکسوروبيسين با تابش‌دهي فراصوت بر روي آن انجام گرفته و داروي مورد نظر بر اين بستر تثبيت گرديد. دوکسوروبيسين هيدروکلريد نيز به عنوان استاندارد به کار برده شد.

روش: جهت بررسي خصوصيات داروي تثبيت شده، از آناليزهاي FT-IR، SEM و الگوي پراش اشعه ايکس (XRD) استفاده گرديد. جهت مطالعه برهمکنشهاي ملکولي ترکيب بدست آمده بر روي آنزيم توپوايزومراز II، از داکينگ ملکولي استفاده گرديد. در همين راستا از بين ۵۰ کلاستر در نظر گرفته براي ترکيب، کلاستر 40 ام، داراي بهترين حالت انرژي به ميزان 9/2- بود. همچنين مقدار انرژي درون مولکولي، انرژي الکتروستاتيک، انرژي دروني کلي و انرژي آزاد پيچشي مربوط به آن در دماي ۲۹۸.۱۵ کلوين به ترتيب kcal/mol18/6- ، kcal/mol 91/0-، kcal/mol 14/4 -و kcal/mol 28/3 گزارش گرديدند. بهترين برهمکنش ها در نتيجه پيوندهاي واندروالس، هيدروژني، هيدروژن-کربن، آلکيلي و - π آلکيلي صورت پذيرفت. در همين راستا تعداد 13 اسيد آمينه در پيوند با دارو باقي ماندند.

يافتهها: در بررسي طيف مادون قرمز بروز بيشتر ارتعاش کششي هيدروژنهاي گروه آمين آليفاتيکي نوع اول در موقعيت پيک‌هاي FTIR شاهدي بر تثبيت دارو بر بستر گرافن بود که به دليل آزادي عمل بيشتر هيدروژن هاي مربوطه و فعال تر شدن آن ها در اثر برهمکنش با بستر گرافن اکسايد، افزايش شدت اين پيک در حالت غير احيا دیده شد. همچنين جابجايي در مکان ارتعاش کششي گروه کربونيل در cm-1 1608 به سمت اعداد موج پايين تر در نتيجه حمله جفت الکترونهاي اتم هاي اکسيژن به بنيان کربونيل هاي مولکول هاي دوکسوروبيسين مشاهده گرديد. بر اساس طيف‌هاي SEM و FESEM ، داروي تثبيت شده بر روي دو نمونه GO و rGO داراي ساختار حدودا لايه‌اي و ناهمگن گزارش گرديدند. پس از فرآيند احيا، ساختار rGO به صورت ورقه‌هاي يکنواخت‌تر و صاف‌تر ديده شد که از دلايل آن کاهش گروه‌هاي اکسيژن در rGO بود که منجر به افزايش يکنواختي و کاهش زبري سطح مي‌شد.

نتيجهگيري: بر طبق داده هاي طيف XRD، در GO پيک قوي مشاهده شد، که مربوط به فاصله بين لايه‌اي (d-spacing) و نشان‌دهنده ساختار لايه‌اي و وجود گروه‌هاي اکسيژن در سطح GO بود. از سوي ديگر در طيف XRD-rGO نيز شاهد پيک در حدود ۲۶-۲۷ درجه بوديم که بيانگر کاهش فاصله بين لايه‌اي (d-spacing) مي باشد که به دليل حذف گروه‌هاي اکسيژن و افزايش يکنواختي ساختار است. در الگوي پراش rGO شاهد طيفي ساده‌تر و يکنواخت‌تر بوديم که نشان‌دهنده ساختار بلوري بهبود يافته و کاهش نواقص سيستمي بود. با توجه به نتايج مطلوب داد هاي دستگاهي و مطالعه درون رايانه اي بر روي آنزيم توپوايزومراز ۲ و اهميت بالاي زيست‌سازگاري حامل‌هاي دارويي، ارجحيت داروي تثبيت شده دوکسوروبيسين بر بستر نانو سيستم گرافن اکسايد، نسبت به داروي اوليه مشهود مي باشد و ترکيبات اخير مي‌توانند به عنوان کانديداي مناسبي جهت بهبود هر چه بيشتر بيماران سرطاني و کنترل بيماري آن‌ها استفاده گردند.

از دستگاه خود برای اسکن و خواندن

مقاله به صورت آنلاین استفاده کنید

DOI:

10.30495/jnm.2024.33626.2046

واژههاي کليدي:

دوکسوروبيسين، گرافن اکسايد، آنزيم توپوايزومراز 2، رهايش، نانو سيستم

* نويسنده مسئول: محمد کاظم محمدي

نشاني: گروه شيمي ، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامي، اهواز، ايران

تلفن: ۰۹۱7304710

پست الکترونيکي: mkmohamadi@gmail.com

[1] - hummer method

مقدمه

دارورساني هدفمند در اصطلاح، مجموعه فعاليت‌هايي است که منجر به تجمع مواد دارويي در يک منطقه خاص از بدن مي‌شود افشار","given":"قهرمان","non-dropping-particle":"","parse-names":false,"suffix":""},{"dropping-particle":"","family":"نژاد","given":"قاسمی","non-dropping-particle":"","parse-names":false,"suffix":""},{"dropping-particle":"","family":"پور","given":"اسماعیل","non-dropping-particle":"","parse-names":false,"suffix":""}],"container-title":"فصلنامه علمی-پژوهشی مواد نوین","id":"ITEM-1","issue":"49","issued":{"date-parts":[["2022"]]},"page":"15-26","publisher":"دانشگاه آزاد اسلامی واحد مرودشت","title":"بررسی خوردگی میکروبی در آب چرخه خنک کن نیروگاه شهید بهشتی لوشان","type":"article-journal","volume":"13"},"uris":["http://www.mendeley.com/documents/?uuid=fef13cb4-b1e5-48aa-8eb4-f956212bf31f"]}],"mendeley":{"formattedCitation":"(9)","plainTextFormattedCitation":"(9)","previouslyFormattedCitation":"(افشار, نژاد and پور, 2022)"},"properties":{"noteIndex":0},"schema":"https://github.com/citation-style-language/schema/raw/master/csl-citation.json"}(1). بسته به محل بيماري، اين فعاليت‌ها ممکن است موجب رسيدن دارو به عضوي خاص، نوع خاصي از سلول و يا حتي برخي از اندامک‌هاي درون سلولي باشد. اصلي‌ترين مزيت استفاده از دارورساني هدفمند، افزايش اثرات درماني دارو بدون القاي عوارض جانبي بر روي بافت‌ها و يا سلول‌هاي سالم است (2). امروزه بسياري از محققان، مطالعات خود را به توسعه استراتژي‌هاي دارورساني هدفمند براي درمان بيماري‌هاي تهديدکننده بشر اختصاص داده‌اند (3).

به طور کلي، يک سيستم دارورساني هدفمند شامل يک دارو، يک حامل و يک ليگاند هدف‌گذاري شده است. رفتار بيولوژيک حامل و ليگاند تعيين‌کننده چگونگي جذب، توزيع، متابوليسم و جذب سلولي است. به همين دليل، ساخت موفق يک حامل و يک ليگاند هدف‌گذاري شده موجب ارسال دارو به سلول هدف درست مي‌شود (4).

نانوفناوري پزشکي، بررسي روش‌ها و حامل‌هاي نانويي به منظور تشخيص، پيشگيري و يا درمان بيماري‌ها از طريق ترميم بافت‌هاي آسيب ديده در سطوح مولکولي است. استفاده از نانوذرات براي کاربردهاي پزشکي روز به روز در حال افزايش است و يکي از زمينه‌هاي استفاده از اين ذرات سيستم رهايش دارو نانوذرات براي درمان سرطان است. سيستم‌هاي رهايش دارو انواع مختلفي دارند، و يکي از جديدترين و پيشرفته‌ترين انواع سيستم‌هاي رهايش دارو، سيستم‌هايي هستند که از حامل‌هاي نانوساختار در طراحي استفاده شده است. گرافن اکسيد يکي از ترکيبات نانوساختار پرمصرف در حوزه توليد حامل‌هاي دارويي هوشمند است (5). اصلاح سطحي گرافن اکسيد با ترکيبات مختلف در راستاي افزايش کارايي بارگذاري و تثبيت دارو بر روي آن بسيار مورد بررسي و مطالعه قرار گرفته است (6).در اين مطالعه نيز، از اين ترکيب براي بارگذاري داروي ضد سرطاني دوکسوروبيسين استفاده شده است. سرطان‌هاي ريه، برونش، سينه و کولورکتال شايع‌ترين علل سرطان‌هاي کشنده در زنان هستند. بر اساس آمار منتشر شده در سال 2010، سرطان سينه به تنهايي 28 درصد از کل سرطان‌ها را در زنان آمريکايي تشکيل مي‌دهد (7و8).

امروزه سرطان از جمله چالش‌هاي دنياي امروز محسوب مي‌شود و سالانه افراد زيادي در اثر ابتلا به آن جان خود را از دست مي‌دهند. داروهاي استفاده شده جهت درمان معمولاً غير اختصاصي عمل مي‌کنند. در طول دو دهه‌ گذشته، سيستم‌هاي دارورساني نويني ابداع شده‌اند که تا حدودي توانسته‌اند مشکلات مربوط به تأثيرات منفي داروها را مرتفع نمايند. از جمله اين سيستم‌ها، نانوذرات حاوي ترکيبات آلي و معدني هستند. برخي از اين سيستم‌ها هم اکنون راه خود را به بازار دارويي باز نموده‌اند و بسياري ديگر مراحل پيش باليني خود را مي‌گذرانند که دوکسوروبيسين از جمله درمان‌هاي دارويي سرطان مي‌باشد (9و10).

استفاده باليني از دوکسوروبيسين همراه با اثرات جانبي حاد و تحت حاد مانند سميت غيرقابل برگشت در قلب و ساير بافت‌ها است (3و4).و استفاده از اين دارو با مشکلاتي همراه است. در طول درمان، برخي سلول‌ها به درمان مقاوم مي‌شوند و يا دوز دارو در حين درمان افزايش مي‌يابد و يا از چند دارو به طور همزمان استفاده مي‌شود. براي کاهش سميت بالاي دارو، انواع سيستم‌هاي داروساني توسعه يافته‌اند که شامل کانژوگه هاي ¹محلول دارو پليمر، نانوذرات و ميکروذرات هستند. در اين ميان، نانوذرات بيشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند زيرا روش توليد آسان‌تري دارند و مي‌توان نانوذرات هدفمند را با قرارگيري ليگاندهاي خاص بر روي سطح مربوطه براي اتصال به گيرنده‌هاي خاص سلولي و در نتيجه داروساني هدفمند به سلولي ويژه، مورد استفاده قرار داد (11).

تاکنون نشان داده شده که نانوذرات با مکانيسم‌هايي نظير اندوسيتوز جذب داروها را افزايش مي‌دهند. در همين راستا اکسيد گرافن در ابعاد نانو سنتز و به عنوان حامل کوئرستين که يک ترکيب فعال فلاوونوئيدي داراي خواص شناخته شده غذايي و درماني با ساختار آروماتيک و محلوليت آبي ناچيز است، جهت داروساني مورد بررسي قرار گرفته است (12).

گرافن اکسيد يکي از ترکيبات نانوساختار پرمصرف در حوزه توليد حامل‌هاي دارويي هوشمند است. مطالعات مختلفي بر روي اصلاح سطحي گرافن اکسيد با ترکيبات مختلف نيز در راستاي افزايش کارايي بارگذاري و تثبيت دارو بر روي آن وجود دارد (13).با توجه به اينکه تاکنون گزارشي از قرار دادن اين داروي موثر بر نانوذرات گرافن اکسايد و ارتقاء عملکرد آن و بررسي ايزوترم‌هاي جذب و رهايش اين نانودارو در مراجع علمي موجود نيست، لذا در اين مطالعه، از اين ترکيب براي بارگذاري داروي ضد سرطاني دوکسوروبيسين استفاده گرديد. به اين ترتيب که سامانه دارورساني موثر از داروي دوکسوروبيسين با استفاده از بستر گرافن اکسايد مورد بررسي قرار گرفته و کنترل پايداري آن و بررسي ايزوترم‌هاي جذب و رهايش اين نانوداروي جديد مورد مطالعه قرار گرفت.

اکسيد گرافن يکي از پرکاربردترين ترکيبات نانوساختار در زمينه توليد حامل‌هاي هوشمند دارو است (14و15). اصلاح سطح اکسيد گرافن با ترکيبات مختلف به منظور افزايش راندمان بارگذاري و تثبيت دارو بر روي آن به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است (16).

با توجه به اينکه تاکنون گزارشي مبني بر قرارگيري اين دارو که بر روي نانو ذرات اکسيد گرافن موثر بوده و عملکرد آن را بهبود مي‌بخشد، گزارش نشده است. مطالعات زيادي در رابطه با اثرات باکتري‌کشي و غيرفعال‌سازي آن‌ها توسط دوکسوروبيسين انجام شده است و بيان شده است که مکانيسم ضدباکتريايي آن مشابه اثرات سميت سلولي روي سلول‌هاي سرطاني انسان است (17).

دوکسوروبيسين يکي از درمان‌هاي دارويي سرطان است. با توجه به اثرات ثابت شده اين دارو در درمان سرطان، تحقيقات بيشتري براي بهبود عملکرد آن به کمک تثبيت آن بر روي نانوذره انجام گرديده است (18و19).

دنارد، لي و يي

[1] - Conjugates

¹، که در مرکز پزشکي دانشگاه تگزاس جنوب غربي ² مستقر هستند، پيشنهاد مي‌کنند که دوکسوروبيسين مي‌تواند از طريق مکانيزمي به نام پروتئوليز درون غشايي تنظيم‌شده با تومورها مبارزه کند. در اين فرآيند، يک پروتئين متصل به غشاء شکافته مي‌شود و يک مولکول پيام‌رسان محلول را آزاد مي‌کند که مي‌تواند در انواع فرآيندهاي سلولي، از جمله آپوپتوز، متابوليسم ليپيد و پاسخ به عفونت ويروسي نقش داشته باشد (20).

داروي دوکسوروبيسين يک داروي شيمي درماني آنتي‌نئوپلاستيک از خانواده آنتراسيکلين‌ها است که به عنوان يک داروي شيمي‌درماني از گروه آنتي‌نئوپلاستيک‌ها استفاده مي‌شود. اين دارو به عنوان يک داروي سيتوتوکسيک عمل مي‌کند، يعني به سلول‌هاي سرطاني حمله کرده و آن‌ها را از بين مي‌برد. به طور خلاصه، اين دارو با ورود به سلول‌هاي سرطاني، به دي‌ان‌اي سلول متصل شده و با تشکيل ترکيبات مخرب دي‌ان‌اي، باعث تغييرات ساختاري در دي‌ان‌اي مي‌شود. اين تغييرات باعث مهاجمه به فعاليت‌هاي زيستي سلول مي‌شود، از جمله مهار رشد و تقسيم سلول و ايجاد ترکيبات دي‌ان‌اي نامنظم (21).

علاوه بر اين، دوکسوروبيسين با توليد راديکال‌هاي آزاد اکسيژن، به عنوان يک داروي آنتي‌اکسيدانت نيز عمل مي‌کند که مي‌تواند به محافظت از سلول‌هاي سالم در معرض آسيب اکسيداتيو کمک کند. اين مکانيسم‌ها به طور ترکيبي باعث اثرات ضدسرطاني دوکسوروبيسين مي‌شوند و آن را به يکي از داروهاي موثر در درمان بسياري از نوع‌هاي سرطان تبديل کرده است (22).

در گرافن اکسايد (GO) ساختار دو بعدي و سطح بالاي نسبت سطح به حجم GO، امکان جذب و بارگذاري مقادير بالاي داروها را فراهم مي‌کند. به عنوان مثال، مطالعات نشان داده‌اند که بارگذاري داروهاي ضدسرطاني مانند دوکسوروبيسين بر روي GO مي‌تواند به ميزان 90% افزايش يابد. علاوه بر اين، قابليت اصلاح شيميايي سطح GO با گروه‌هاي عاملي مختلف، مانند آمين‌ها و کربوکسيل‌ها، به بهبود تعاملات بين دارو و حامل کمک مي‌کند. اين اصلاحات مي‌توانند به افزايش حلاليت داروهاي هيدروفوبيک و همچنين کنترل آزادسازي دارو در شرايط خاص، مانند pH پايين تومورها، منجر شوند.

در يک مطالعه، بارگذاري کوئرستين بر روي GO نشان داد که اين نانوحامل مي‌تواند آزادسازي کنترل‌شده‌اي را در محيط‌هاي اسيدي شبيه به تومور ارائه دهد. اين ويژگي‌ها، گرافن اکسايد را به يک گزينه جذاب براي توسعه سيستم‌هاي دارورساني هوشمند تبديل کرده و پتانسيل آن را براي کاهش عوارض جانبي و افزايش اثر بخشي درمان‌ها به نمايش مي‌گذارد. هر چند تحقيقات بيشتري در اين زمينه به منظور بهينه‌سازي فرآيند بارگذاري و آزادسازي داروها ضروري است (23).

به طور کلي به عنوان يک تاريخچه در زمينه استفاده از ترکيبات گرافني براي دارورساني، در سال 2010 گوپتا به کمک چند پژوهشگر ديگر به بررسي پتانسيل گرافن و نانوذرات گرافن اکسيد در دارورساني پرداختند. آن‌ها نشان دادند که استفاده از اين نانوذرات مي‌تواند توانايي بارگذاري داروها را افزايش دهد و بازدهي دارورساني را بهبود بخشد. اين تحقيق، اهميت گرافن را در سامانه‌هاي دارورساني نوين روشن مي کرد (24).

در تحقيقي ديگر بررسي خواص in-silico نانوذرات دارويي که گرفان نيز جزء آنان مي باشد کارمد و همکارانش5 سال بعد يعني در سال 2015، مطالعه‌اي در زمينه شبيه‌سازي in-silico نانوذرات انجام دادند که نشان مي داد که اين روش مي‌تواند به شناسايي و بهينه‌سازي خواص فيزيکي و شيميايي نانوذرات دارويي کمک کند. اين رويکرد به محققان امکان مي‌داد تا قبل از آزمايش‌هاي تجربي، ويژگي‌هاي نانوذرات را پيش‌بيني کنند (25).

در سال 2020، در همين راستا و براي شبيه‌سازي دارورساني موثر، مطالعه‌اي بر روي شبيه‌سازي نوع عملکرد سيستم‌هاي دارورساني با استفاده از نرم‌افزارهاي پيشرفته انجام شد. پژوهشگران نشان دادند که مدل‌سازي مي‌تواند به بهبود طراحي و عملکرد نانوذرات در دارورساني کمک کند و اجراي کارآزمايي‌هاي باليني را تسريع نمايد (26).

جهت بررسي مطالعه بارگذاري دارو بر روي گرافن اکسايد در سال 2021، مطالعه‌اي بر روي نانوذرات گرافن اکسيد و کاربرد آن‌ها در دارورساني هدفمند انجام شد. اين تحقيق نشان داد که نانوذرات گرافن اکسيد مي‌توانند به‌طور مؤثري داروهاي ضدسرطاني را به سلول‌هاي هدف منتقل کنند و در عين حال از عوارض جانبي غيرضروري جلوگيري نمايند. نتايج اين مطالعه به بهبود طراحي سيستم‌هاي دارورساني کمک کرد (27).

در ادامه تحقيقات جامع در دارورساني نانوذرات در سال 2022، به بررسي جامع و دقيق نانوذرات در دارورساني و استفاده از گرافن اکسيد براي بارگذاري دارو پرداخته شد. اين مطالعات نشان دادند که نانوذرات مي‌توانند به‌طور موثري به دارورساني هدفمند کمک کنند و پتانسيل استفاده در درمان سرطان‌ها را دارند (28).

در اين راستا، تحقيق در زمينه بارگذاري داروي دوکسوروبيسين بر روي نانوذرات گرافن اکسيد و بررسي خواص in-silico اين نانو دارو به چندين دليل ضروري به نظر مي رسيد:

نوآوري در دارورساني: با توجه به اينکه تاکنون گزارشي از استفاده از دوکسوروبيسين بر روي نانوذرات گرافن اکسيد وجود ندارد، تحقيق حاضر مي‌توانست به عنوان يک رويکرد نوآورانه در دارورساني هدفمند شناخته شود و اين نوآوري مي‌توانست به بهبود کارايي درمان‌هاي ضدسرطاني کمک کند که اين امر نسبت به تحقيقات قبلي مزيت خوبي محسوب مي شد.

کاهش عوارض جانبي: استفاده از نانوذرات گرافن اکسيد به عنوان حامل دارو مي‌توانستند به کاهش عوارض جانبي داروهاي شيمي درماني کمک کند. اين تحقيق مي‌توانست به شناسايي و بهينه‌سازي روش‌هاي جديدي براي کاهش عوارض جانبي داروها منجر شود.

شبيه‌سازي رايانه اي و بهينه‌سازي مولکول هدف: بررسي خواص in-silico نانو داروها مي‌تواند به محققان کمک کند تا قبل از انجام آزمايش‌هاي تجربي، عملکرد و ويژگي‌هاي نانوذرات را پيش‌بيني و بهينه‌سازي کنند. اين امر مي‌تواند زمان و هزينه‌هاي تحقيق را به طور قابل توجهي کاهش دهد. همچنين استفاده از نرم‌افزارهاي شبيه‌سازي براي بررسي عملکرد سامانه دارورساني، امکان تحليل دقيق‌تري از رفتار نانوذرات و دارو در شرايط مختلف را فراهم مي‌کند. اين امر مي‌تواند به بهبود طراحي و توسعه سيستم‌هاي دارورساني کمک کند.

پتانسيل بالاي درماني: با توجه به اينکه دوکسوروبيسين يکي از داروهاي مؤثر در درمان سرطان بود، بارگذاري آن بر روي نانوذرات گرافن اکسيد مي‌توانست به افزايش اثربخشي درمان و کاهش مقاومت دارويي کمک کند. اين مزيت نسبت به تحقيقات قبلي مي‌تواند به بهبود نتايج باليني در بيماران سرطاني منجر شود.

تحقيقات بين‌رشته‌اي: اين مطالعه همچنين مي‌توانست به عنوان يک پل بين علوم نانو، داروسازي و شبيه‌سازي‌هاي کامپيوتري عمل کند و به توسعه رويکردهاي جديد در درمان سرطان کمک کند. اين رويکرد بين‌رشته‌اي مي‌تواند به ايجاد همکاري‌هاي جديد در تحقيقات علمي منجر شود. با توجه به موارد ذکر شده و به علت اينکه تاکنون گزارشي چندگانه از قرار دادن اين داروي موثر بر نانوذرات گرافن اکسيد و ارتقاء عملکرد آن و بررسي خواص in-silico اين نانو دارو در مراجع علمي گزارش نشده بود، لذا در اين مطالعه از اين ترکيب براي بارگذاري داروي ضدسرطاني دوکسوروبيسين استفاده شده و شبيه‌سازي نوع عملکرد سامانه دارورساني موثر داروي دوکسوروبيسين با کمک نرم‌افزارهاي مربوطه مورد مطالعه قرار گرفت.

مواد و روشها

گرافيت از شرکت سيگما آلدريچ خريداري شد. اسيد سولفوريک غليظ با خلوص 98٪، سديم نيترات (NaNO3)، سديم سولفات (Na2SO4)، پتاسيم پرمنگنات (KMnO4) و آب اکسيژنه 30٪ (H2O2) از نمايندگي‌هاي معتبر شرکت مرک آلمان خريداري شدند. داروي دوکسوروبيسين هيدروکلريد با کد تجاري 9-40-25316 ساخت شرکت سيگما آلدريچ از شرکت طب شهر خريداري شد.

مهمترين دستگاه‌هاي به کار رفته براي آناليز و تعيين خواص حامل‌هاي دارو سنتز شده شامل دستگاه طيف‌سنجي مادون قرمز - تبديل فوريه PIKE GladiATR attachment ساخت آمريکا در محدوده cm-1 4000-400، دستگاه پراش اشعه ايکس مدل D8 ADVANCE ساخت شرکت بروکر کشور آلمان در محدوده ˚ 2θ = 80-10، تابش CuKɑ معادل keV 04/8 و طول موج ˚54/1 A، دستگاه ميکروسکوپ الکتروني روبشي نشر ميداني مدل MIRA3 بودند.

روش هوموز و افمان (سال2010)، اصلاح شده براي سنتز گرافن اکسيد از پودر گرافيت طبيعي به کار رفت. به طور خلاصه، گرافيت (5/0 گرم)، سديم نيترات NaNO3 (5/0 گرم) و 23 ميليليتر اسيد سولفوريک غليظ (به عنوان حلال اصلي و جهت اسدي کردن محيط واکنش) به مدت 1 ساعت در حمام آب يخ در دماي 4 درجه سانتيگراد با هم مخلوط شدند. pH محلول در حدود 8 تنظيم گرديد. اين pH به حفظ تعادل در فرآيند اکسيداسيون و جلوگيري از تجزيه گرافن اکسيد کمک مي‌کند. بنابراين در ادامه از اسيد فسفريک جهت تنظيم pH و براي بهبود خواص گرافن اکسيد به کار و جهت افزايش pH به مقدار 8 (به سمت قليايي)، از محلول‌هاي قليايي هيدروکسيد سديم (NaOH) استفاده گرديد که اين کار جهت جلوگيري از تجزيه و بهبود فرآيند اکسيداسيون انجام گرفت. سپس 5/1 گرم پتاسيم پرمنگنات به آرامي به آن اضافه شد و محلول به مدت يک روز در دماي 35 درجه سانتي‌گراد همزده شد. به مخلوط فوق، 23 ميلي‌ليتر آب مقطر به آرامي اضافه شد و به مدت 30 دقيقه مخلوط واکنش همراه با افزايش دما (با رمپ 1 درجه بر ثانيه به نحوي که دما از 98 درجه سانتي‌گراد بالاتر نرود) همزده شد. در انتها، 5 ميلي‌ليتر آب اکسيژنه 30٪ (H2O2) و 70 ميلي‌ليتر آب ديونيزه به مخلوط اضافه شدند. مخلوط واکنش از صافي عبور داده شده و چندين مرتبه با محلول هيدروکلريک اسيد 3٪ و آب ديونيزه شستشو داده شد. اين فرآيند براي چندين مرتبه ديگر همراه با سانتريفيوژ انجام گرديد (20). در نهايت، ماده جامد قهوه‌اي رنگ حاصل در آون خلاء خشک شد (29).

گرافن اکسيد معمولاً از لحاظ حرارتي پايداري بالايي ندارد و به همين دليل آن را به طور جزئي احيا مي‌کنند تا نسبت اتم کربن به اکسيژن آن بالاتر رود. احياي شيميايي، حرارتي و چند مرحله‌اي از جمله روش‌هاي احياي گرافن اکسيد و تهيه rGO مي باشند. به طور کلي احياي حرارتي و شيميايي در يک مرحله انجام ‌مي گردند. در اين تحقيق از احياي شيميايي با سديم بوروهيدريد براي تهيه rGO از GO استفاده شد(30). احياي GO با اين روش مؤثر براي توليد rGO مي‌تواند خواص الکتريکي و ساختاري گرافن را بهبود بخشد. شرايط واکنش شامل دما، pH و زمان اعمال شده بايد به دقت کنترل شوند تا کيفيت rGO به حداکثر برسد. احيا مربوطه در دماي اتاق (26 درجه سانتي‌گراد) انجام پذيرفت. pH محلول مي‌تواند کنترل شود. به منظور تسهيل فرآيند احيا و با تنظيم نسبت سديم بوروهيدريد به GO ، pH در حالت قليايي (بين 9 تا 10) قرار گرفت. زمان لازم براي احياي GO به rGO، 2 ساعت در نظر گرفته شد. براي اين کار GO در آب ديونيزه حل شده و سپس سديم بوروهيدريد به آرامي به محلول اضافه 'گرديد. مخلوط تحت هم‌زدن مداوم نگهداري گرديد تا واکنش به طور همگن انجام گيرد. پس از اتمام زمان واکنش، محلول به مدت 1 ساعت در دماي محيط نگهداري شد تا هرگونه باقي‌مانده سديم بوروهيدريد مصرف شود. سپس، مخلوط با آب شسته مي‌شود تا rGO خالص بدست آيد.

جهت بارگذاري داروي دوکسوروبيسين روي حامل‌هاي دارو بر پايه اکسيد گرافن و اکسيد گرافن احياشده، ابتدا 2 ميلي‌ليتر بافر فسفات به همراه 6 ميلي‌گرم نانوکامپوزيت (بر پايه اکسيد گرافن و اکسيد گرافن احياشده) براي 5 دقيقه تحت امواج فراصوت قرار گرفت (30و31). اين فرآيند به هم‌زدن و پراکندن يکنواخت نانوکامپوزيت در مايع کمک مي‌کند.

در ادامه، 10 ميلي‌ليتر محلول داروي دوکسوروبيسين با غلظت 5/0 ميلي مولار به سوسپانسيون نانوکامپوزيت اضافه شد. سپس، سوسپانسيون با همزن مغناطيسي به مدت 18 ساعت در محيطي تاريک مخلوط گرديد. اين اقدام به بارگذاري موثر داروي دوکسوروبيسين بر روي حامل‌هاي داروي بر پايه اکسيد گرافن کمک مي‌کند و با جلوگيري از تجزيه دارو در برابر نور، تخريب آن را کاهش مي‌دهد.

پس از پايان فرآيند بارگذاري، محصول نهايي با سانتريفيوژ تحت شستشو قرار گرفت که اين شستشو به حذف مواد اضافي و غير بارگذاري‌شده کمک مي‌کند. نهايتا محلول روئي براي تعيين بهره و کارايي بارگذاري دارو مورد استفاده قرار گرفت. درصد بارگذاري دارو از رابطه زير محاسبه مي‌شود.

در اين معادله، W1 و W2 به ترتيب وزن اوليه دارو در محلول بارگذاري و وزن داروي بارگذاري نشده است که اختلاف اين دو مقدار با مقدار وزني داروي بارگذاري شده است، Wad نيز وزن جاذب براي بارگذاري دارو مي‌باشد (32).

در ابتدا ساختار شيميايي ماکرومولکول مربوط به آنزيم توپوايزومراز II از بانک داده‌هاي پروتئيني ³ استخراج شد. به طور کلي از بانک داده‌هاي پروتئيني براي دانلود ساختار سه‌بعدي آنزيم توپوايزومراز II استفاده مي‌شود، که ساختار بايد به صورت فايل PDB باشد. سپس جهت آماده‌سازي پروتئين، حذف آب و ليگاندها به کمک نرم‌افزار AutoDock 4.2، آب‌ها و ليگاندهاي غيرضروري از ساختار پروتئين حذف گرديدند. همچنين هيدروژن‌ها به ساختار پروتئين اضافه ‌شدند تا شرايط واقعي‌تر براي داکينگ فراهم گردد. سپس ليگاند مربوطه نيز با استفاده از نرم‌افزار Hyperchem ترسيم و از لحاظ وضعيت قرارگيري پيوندهاي فضايي بهينه‌سازي شد. در ادامه مطالعات داکينگ، با استفاده از نرم‌افزار AutoDock 4.2 ليگاند بهينه شده فراخواني شد سپس تعداد 50 کلاستر (کلاسترها به شناسايي و گروه‌بندي کانفورماسيون‌هاي مختلف ليگاند کمک مي‌کنند) تعيين گرديد. پس از تنظيم پارامترهاي داکينگ مانند اندازه جعبه داکينگ و نوع الگوريتم (Lamarckian Genetic Algorithm) فرايند داکينگ انجام گرفت که مدت زمان لازم براي داکينگ ساختارها 15 دقيقه بود و در مرحله نهايي، پس از انجام داکينگ نتايج با استفاده از Discovery Studio تحليل گرديد. براي اين کار پايدارترين نتايج به دست آمده با استفاده از Discovery Studio و AutoDock مورد شبيه‌سازي و آناليز قرار گرفتند اين کار شامل بررسي تعاملات ليگاند-پروتئين، انرژي‌هاي اتصال و کانفورماسيون‌هاي بهينه بود. در آخر نيز نتايج داکينگ به صورت گرافيکي و عددي تحليل گرديدند تا اثر ليگاند بر آنزيم توپوايزومراز II مشخص گردد.

نتايج

در اين تحقيق، ماکرومولکولي که مورد بررسي قرار گرفت، آنزيم توپوايزومراز II بود. براي اين منظور، ۵۰ کلاستر براي ترکيب مورد بحث جهت بررسي نتايج تمايل (Kcal mol-1) در نظر گرفته شدند.

در شکل 2 نيز نمايي از نوع پايدارترين حالت برهمکنش بين ليگاند مربوطه و ماکرومولکول قابل مشاهده است. در ترکيب مورد نظر بهترين برهمکنش هاي اين ساختار در شکل 3 نشان داده شده است.

[1] - Denard, Li and Yi

[2] -Texas Southwestern Medical Center (UTSW)

[3] -PDB

شکل 1- قرار گرفتن ليگاند دوکسوروبيسين در جایگاه فعال آنزيم توپوايزومراز II پس از داکینگ با نرم‌افزار AutoDock Vina (نسخه 4.2) شامل پارامترهای داکینگ شامل جعبه داکینگ 60x60x60 Åو شبیه سازی بصری به کمک Discovery Studio

شکل 2- پايدارترين برهمکنش بین ليگاند دوکسوروبيسين و آنزيم توپوايزومراز II با استفاده از نرم‌افزار AutoDock Vina (نسخه 4.2) و پارامترهای داکینگ شامل جعبه داکینگ 60x60x60 Åو تحلیل آن با استفاده از Discovery Studio

شکل3- اسيدهاي آمينه باقي مانده حاصل از برهمکنش بين ليگاند دوکسوروبيسين و آنزيم توپوايزومراز II با استفاده از Discovery Studio

از لحاظ اسيدهاي آمينه باقي‌مانده، تعداد 13 اسيد آمينه در پيوند با داروي مربوطه باقي‌ماندند که عبارتند از:

(gly a:81,phe a:67,gln a:65,pro a:66,phe a:80,ala a:64,gly a:78,gly a:76,gln a:77,asp a:75,arg a:97,tyr a:34,lys a:269)

در شکل 4 نيز ساختار هيدروفوربي اسيدهاي آمينه به بخش آروماتيک ليگاند مربوطه نشان داده شده است. ميزان برهمکنش هاي مربوطه به صورت گراديان رنگي نشان داده شده است.

شکل4- نمايش اثرات هيدروفوربي ليگاند دوکسوروبيسين و اسيدهاي آمينه مربوط به آنزيم توپوايزومراز II با استفاده از Discovery Studio و به کمک ابزار "Hydrophobicity Surface" و تحليل به وسيله تحليل "Molecular Interaction"FTIR

براي بررسي شرايط گرافن و گرافن اکسيد، آناليزهاي مختلفي از جمله FTIR انجام گرديد. مهمترين و شاخص‌ترين پيک‌هاي ظاهر شده در طيف FTIR حامل‌هاي گرافني تهيه شده عبارت بودند از: ارتعاش کششي گروه کربونيل در cm-1 1720، ارتعاش کششي هيدروژن‌هاي حلقه آروماتيک در cm-1 3117 و همچنين ارتعاش کششي پيوندهاي هيدروژني گروه هيدروکسيل در cm-1 3500-2500 (شکل4).

طيف هاي FTIR (a) GO-DOX و DOX (b) در شکل 5 مشاهده مي‌گردد که پيک در ناحيه cm-1 1716 مربوط به ارتعاش کششي گروه کربونيل (C=O) مي باشد.

شکل5- طيف FTIR مربوطه به GO-DOX در محدوده cm⁻¹ 4000 تا 400 و با رزولوشن cm⁻¹4 در مد transmitance

پيک‌هاي مربوط به ارتعاش هاي کششي هيدروژن‌هاي حلقه آروماتيک و همچنين پيوندهاي C=C در گرافن اکسيد نيز به ترتيب در cm-1 3117 و cm-1 1577 ظاهر شدند. پيک پهن ظاهر شده در ناحيه cm-1 3500-2500 نيز مربوط به ارتعاش کششي پيوندهاي هيدروژني OH موجود در سطح گرافن اکسيد است. در طيف گرافن اکسيد احيا شده (rGO) پيک در cm-1 2789 مربوط به ارتعاش کششي پيوندهاي C-H است. پيک در cm-1 1731 مربوط به پيوند C=O در گروه‌هاي کربونيل‌دار مانند کربوکسيليک اسيد است. پيک cm-1 1567 نيز مربوط به گرافن اکسيد احيا نشده مي‌باشد. پيک در cm-1 1200 نيز براي ارتعاش کششي پيوند C-O است (32و33). (شکل6).

طيف FTIR نمونه‌هاي DOX، DOX-GO و DOX-rGO در شکل 7 مشاهده مي‌شود. پيک‌هاي شاخص در طيف FTIR نمونه DOX-rGO شامل پيک‌هاي مربوط به C=O (cm-1 1604)، C=C آروماتيک (cm-1 1420) و –NH2 (cm-1 3420) بودند (34).

$C:\Users\radsystem\Desktop\FTIR GO.tif$

شکل6- مقايسه طيف FTIR گرافن اکسيد(GO)، گرافن اکسيد احيا شده(RGO) در محدوده cm⁻¹ 4000 تا 400 و با رزولوشن cm⁻¹4 در مد transmittance

$C:\Users\radsystem\Desktop\FTIR GO 3.tif$

شکل7- مقايسه طيف FTIR نمونههاي DOX، DOX-GO و DOX-rGO در محدوده cm⁻¹ 4000 تا 400 و با رزولوشن cm⁻¹4 در مد transmitance

SEM

تصاوير FESEM دو نمونه GO و rGO در شکل 8 مشاهده مي‌گردد.

تصاوير SEM مربوطه به نمونه‌هاي GO و rGO بارگذاري شده با DOX نيز در شکل 9 قابل مشاهده هستند.

در تصاوير SEM و FESEM مربوطه، داروي تثبيت شده بر گرافن اکسايد داراي ساختار تقريبا لايه‌اي و ناهمگن مي باشد. نانوذرات GO به صورت ورقه‌هاي نازک و پراکنده با لبه‌هاي تا حدودي تيز و ناهموار ديده مي شوند که دليل آن هم اين است که وجود گروه‌هاي اکسيژن (مانند هيدروکسيل و کربونيل) باعث مي‌شوند که سطح GO نسبتاً زبر و ناهموار باشد. از آن سو، پس از فرآيند احيا، ساختار rGO به صورت ورقه‌هاي يکنواخت‌تر و صاف‌تر ديده مي‌شوند. از دلايلي که rGO با لبه‌هاي نرم‌تر و کمتر ناهموار ظاهر مي شود اين است که کاهش گروه‌هاي اکسيژن در rGO منجر به افزايش يکنواختي و کاهش زبري سطح مي‌شود. در مورد ويژگي تراکم و توزيع قبل از فرآيند احيا، ساختار مورد نظر داراي توزيع غير يکنواخت و پراکنده بوده و در مورد شرايط پس از احيا داراي توزيع يکنواخت و کمتر پراکنده است. از لحاظ اندازه ذرات نيز در GO شاهد ذرات کوچکتر و متغيرتر هستيم و در مورد rGO بزرگتر و يکنواخت‌تر است. در اينجا فرآيند احيا ممکن است منجر به ادغام ورقه‌ها شود و بزرگتر و يکنواخت‌تر شدن گردد.

XRD

الگوي پراش اشعه ايکس (XRD) دو نمونه GO و rGO نيز در شکل 10-الف نشان داده شده است. الگوي XRD دوکسوروبيسين، DOX-GO و DOX-rGO در شکل 10-ب به شکل مقايسه اي آورده شده است. - طبق طيف XRD، در ترکيبGO شاهد پيک قوي در حدود 12 درجه هستيم که مربوط به فاصله بين لايه‌اي (d-spacing) و نشان‌دهنده ساختار لايه‌اي و وجود گروه‌هاي اکسيژن در سطح GO مي باشد. در طيف XRD مربوط به rGO نيز شاهد پيک در حدود ۲۶-۲۷ درجه هستيم که نشان‌دهنده کاهش فاصله بين لايه‌اي (d-spacing) مي باشد اين تغيير به دليل حذف گروه‌هاي اکسيژن و افزايش يکنواختي ساختار است.

در تصاوير XRD داروي تثبيت شده بر بسترهاي مربوطه مشاهده مي شود که الگوي پراش داروي تثبيت شده بر بستر GO پيچيده‌تر و متنوع‌تر مي باشد که نشان‌دهنده وجود نواقص و ساختارهاي مختلف در آن است حال آنکه در الگوي پراش rGO شاهد طيفي ساده‌تر و يکنواخت‌تر هستيم که نشان‌دهنده ساختار بلوري بهبود يافته و کاهش نواقص است.

$D:\کاری\پروژه های ادِکس\خانم زهری\مهر ماه\داده ها\FESEM\GO\4.jpg$		$D:\کاری\پروژه های ادِکس\خانم زهری\مهر ماه\داده ها\FESEM\GO\3.jpg$
الف		الف
$D:\کاری\پروژه های ادِکس\خانم زهری\مهر ماه\داده ها\FESEM\rGO\1.jpg$		$D:\کاری\پروژه های ادِکس\خانم زهری\مهر ماه\داده ها\FESEM\rGO\5.jpg$
ب		ب

شکل 8- تصاوير SEM (الف) گرافن اکسيد و (ب) گرافن اکسيد احيا شده در ولتاژ شتاب‌دهنده 15 کيلوولت و با رزولوشن 10 ميکرومتر و 500 نانومتر

$D:\کاری\پروژه های ادِکس\خانم زهری\مهر ماه\داده ها\FESEM\DOX.GO\2.jpg$		$D:\کاری\پروژه های ادِکس\خانم زهری\مهر ماه\داده ها\FESEM\DOX.GO\4.jpg$
الف		الف
$D:\کاری\پروژه های ادِکس\خانم زهری\مهر ماه\داده ها\FESEM\DOX.rGO\2.jpg$		$D:\کاری\پروژه های ادِکس\خانم زهری\مهر ماه\داده ها\FESEM\DOX.rGO\4.jpg$
ب		ب

شکل9- تصاوير SEM (الف) DOX-GO و (ب) DOX-rGO در ولتاژ شتاب‌دهنده 15 کيلوولت و با رزولوشن 1 و 5 ميکرومتر

$C:\Users\radsystem\Desktop\FTIR GO1.tif$ $C:\Users\radsystem\Desktop\FTIR GO.tif$

الف) ب)

شکل 10- الف) الگوي مقايسه اي پراش اشعه ايکس (XRD) GO و rGO و ب) دوکسوروبيسين ثبيت شده DOX-GO و DOX-rGO با ولتاژ 40 کيلو ولت و جريان 30 ميلي آمپر با دقت 5 درجه و دامنه 10 تا 80 درحه

با توجه به تأثيرات اثبات شده داروي دوکسوروبيسين، نياز به تحقيقات گسترده بر روي ارتقا عملکرد اين دارو و تبديل آن به نانو دارو وجود دارد (35). .طبق تحقيقات داوري دوکسوروبيسين با اتصال به دي‌ان‌اي و مهار ساخت نوکلئيک اسيد، از طريق ايجاد اختلال در ساختار مولکولي و ايجاد ممانعت فضايي، عمل کند (36).

سيستم‌هاي رهايش دارو انواع مختلفي دارند، و يکي از جديدترين و پيشرفته‌ترين انواع سيستم‌هاي رهايش دارو، سيستم‌هايي هستند که از حامل‌هاي نانوساختار در طراحي استفاده شده‌اند. جهت تعيين نوع اثر بخشي داروي دوکسوروبيسين از مطالعات شبيه سازي در فاز In-Silico استفاده گرديد.

شبيه‌سازي مولکولي روشي است که براي درک نوع برهمکنش بين مولکول مورد نظر و ماکرومولکول‌هايي مانند آنزيم‌ها استفاده مي‌شود. از آنجا که هر دو روش محاسباتي و تجربي نقشي اساسي در توسعه داروها ايفا مي‌کنند، داکينگ مولکولي به ابزاري جديد براي توسعه مطالعات زيست شناختي مولکولي تبديل شده است. فاکتور تمايل (آفينيتي) حاکي از قدرت برهمکنش هاي ليگاند‌هاي مولکولي در جايگاه اتصال مربوطه به ماکرومولکول مورد نظر از طريق پيوندهاي مختلف شيميايي واندر والس، هيدروژني و يوني است. از بين ۵۰ کلاستر در نظر گرفته براي ترکيب، کلاستر 40 ام، داراي بهترين حالت انرژي به ميزان 9/2- بود. همچنين مقدار انرژي درون مولکولي ، انرژي الکتروستاتيک، انرژي دروني کلي و انرژي آزاد پيچشي مربوط به آن در دماي ۲۹۸.۱۵ کلوين به ترتيب kcal/mol18/6- ، kcal/mol 91/0-، kcal/mol 14/4 -و kcal/mol 28/3 بودند. پيوندهاي واندروالس، هيدروژني، هيدروژن-کربن، آلکيلي و - π آلکيلي بهترين برهمکنش را نشان دادند (37).

در ترکيب مورد نظر، ساختار دو بعدي بدست آمده نشان مي‌دهد که بهترين برهمکنش ها در نتيجه پيوندهاي وان دروالس، هيدروژني، هيدروژن-کربن، آلکيلي و پاي آلکيلي مي باشد (شکل 3و4).

ساختار هيدروفوربي اندازه گيري شده تمايل بيشتر اسيد آمينه تريپتوفان 34 (TYR34) به بخش غيرآروماتيک و آلانين 64 (ALA64) و فنيل آلانين 80 (PHE80) به بخش آروماتيک ليگاند مربوطه را نشان داد که دليل اين مورد مي تواند خواص آنيزوتروپي بخش آروماتيکي ليگاند مربوطه و واکنش آن با اسيدهاي آمينه با قطبيت متناسب با اين بخش باشد (38).

در بررسي هاي مربوطه به FTIR حضور ارتعاش کششي گروه کربونيل در cm-1 1720، ارتعاش کششي هيدروژن‌هاي حلقه آروماتيک در cm-1 3117 و همچنين ارتعاش کششي پيوندهاي هيدروژني گروه هيدروکسيل در cm-1 3500-2500 در طيف FTIR نشان از موفقيت در تهيه گرافن اکسيد و گرافن اکسيد احيا شده داشت. همانطور که در شکل 5 مشاهده مي گردد پيک‌هاي مربوط به ارتعاش کششي هيدروژن‌هاي حلقه آروماتيک و همچنين پيوندهاي C=C در گرافن اکسيد به خوبي بيانگر ساختار گرافن اکسيد با خلوص بالا بودند. پس از بارگذاري دارو بر روي حامل، شاهد بروز بيشتر ارتعاش کششي هيدروژنهاي گروه آمين آليفاتيکي نوع اول در موقعيت پيک‌هاي FTIR بوديم . در مورد ظهور اين پيک در ناحيه 3400 که يک پيک پهن مي باشد مي توان گفت که پيک مربوطه يک پيک کششي و متوسط از نظر شدت مي باشد (شبيه پيکهاي هيدروکسيلي) که اين شدت و مکان قرار گيري تحت شرايط خالص و تثبيت شده در دو حالت احيا شده و غير احيا شده اندکي متفاوت مي باشد. بيشتر بودن شدت اين پيک در حالت گرافن اکسايد غير احيا شده مي تواند به دليل آزادي عمل بيشتر هيدروژنهاي مربوطه در فرم غير احيا شده نسبت به فرم احيا شده باشد. همچنين فعال تر شدن اين هيدرژونها در اثر برهمکنش با بستر گرافن اکسايد نسبت به داروي خالص نيز مي تواند عاملي براي بيشتر بودن شدت پيک مربوطه باشد. بنابراين افزايش شدت پيک مربوط به گروه آميني (cm-1 3385) در دوکسوروبيسين پس از بارگذاري آن بر روي حامل شاهدي ديگر بر تشکيل برهمکنش‌هاي مناسب بين دارو و حامل در مرحله بارگذاري دارو مي باشد. ارتعاش کششي گروه کربونيل نيز افزايش اندکي را در پيک در ناحيه cm-1 1608 داشت که اين مورد نيز نشانگر برهمکنش بين گروه‌هاي عاملي موجود در دوکسوروبيسين با گرافن اکسيد بود.

در طيف DOX-GO، جايبجايي بسيار اندکي در مکان ارتعاش کششي گروه کربونيل در cm-1 1608 مشاهده گرديد که اين جابجايي اندک به سمت عدد موج پايين تر (طول مرج بالاتر) بيانگر برهمکنش DOX با گرافن اکسيد در هر دو فرم و تشکيل کمپلکس هاي مربوطه است. از عواملي که باعث اين شيفت مي گردند مي تواند حمله جفت الکترونهاي تنهاي اتم هاي اکسيژن در گرافن اکسايد به بنيان کربونيل هاي مولکول هاي دوکسوروبيسين باشد. وقتي يک گروه کربونيل (C=O) به وسيله جفت الکترون‌هاي تنهاي يک اتم (مانند اتم اکسيژن در يک مولکول) مورد حمله قرار مي گيرد و به شکل پيوند اتري (C-O-C) در مي‌آيد، تغييراتي در ساختار و ويژگي‌هاي پيوندي رخ مي‌دهد که مي‌تواند بر موقعيت پيک‌هاي طيف FTIR تأثير بگذارد. پيوند کربونيل يک پيوند دوگانه قوي است و انرژي بالايي دارد. وقتي اين پيوند به پيوند اتري تبديل مي‌شود، انرژي پيوند کاهش مي‌يابد زيرا پيوند اتري پيوندي تک است و معمولاً انرژي کمتري نسبت به پيوند دوگانه دارد. با کاهش انرژي پيوند، ارتعاشات مربوط به پيوند اتري در طول موج‌هاي بالاتر قرار مي‌گيرند. بنابراين همان طور که مشاهده مي شود در طيف مربوطه، پيک مربوط به گروه کربونيل به صورت خفيفي به سمت طول موج‌هاي بيشتر شيفت مي‌کند. اين موضوع نشان مي‌دهد که دوکسوروبيسين به خوبي بر روي گرافن اکسيد بارگذاري شده است. پيک قوي ظاهر شده در cm-1 1420 که مربوط به حلقه‌هاي آروماتيک بود نيز تحت تأثير برهمکنش‌هاي بين DOX و GO به شکل بسيار خفيف به سمت طول موج هاي بالاتر جابجا گرديد که مي تواند ناشي از کمتر شدن اثر آنيزوتروپي حلقه هاي آروماتيک به دليل دخالت گرافن اکسايد باشد. افزايش شدت پيک cm-1 3385 که مربوط به گروه‌هاي آميني موجود در DOX بود نيز شاهدي ديگر بر بارگذاري موفق DOX بر روي GO بود. از عوامل افزايش شدت پيک مربوط به گروه آميني پس از بارگذاري دارو بر روي GO و rGO مي تواند تاثير اتمهاي اکسيژن ترکيبات گرافني از طريق القاي فضايي بر اسکلت دوکسوروبيسين باشد (شکل 7).

تصاوير SEM گرافن اکسيد و گرافن اکسيد احيا شده همخواني خوبي با موارد مشابه گزارش شده توسط آقاي لاي و همکارانش داشتند و مورفولوژي ورقه‌اي يا لايه‌اي با مساحت سطح بالا در آنها کاملاً محسوس بود (39).

ساختار لايه‌اي FESEM دو ترکيب GO و rGO ، شاخص‌ترين ويژگي مربوطه بود که در شکل (8) کاملاً محسوس مي باشد. پس از بارگذاري دارو بر روي حامل، تغيير اندکي در مورفولوژي گرافن اکسيد و گرافن اکسيد احيا شده مشاهده شد، البته همچنان ساختار لايه‌اي آن‌ها حفظ گرديد که قابل مشاهده است. طبق تصاوير SEM، نمونه‌هاي GO و rGO بارگذاري شده با DOX در ظاهر تغيير کمي در مورفولوژي گرافن اکسيد و rGO پس از بارگذاري نشان دادند که برخي از اين تفاوت ها از اين قرار بودند : در تصاوير SEM و FESEM مربوطه، گرافن اکسايد داراي ساختار حدودا لايه‌اي و ناهمگن بود. همچنين ورقه‌هاي نازک و پراکنده با لبه‌هاي تيز و ناهموار نانوذرات GO ممکن است به دليل وجود گروه‌هاي اکسيژن (مانند هيدروکسيل و کربونيل) باشد که باعث که باعث اين سطح نسبتاً ناهموار گرديده است. پس از فرآيند احيا نيز، ساختار rGO به صورت ورقه‌هاي يکنواخت‌تر و صاف‌تر ديده شد که کاهش گروه‌هاي اکسيژن درrGO مي تواند منجر به افزايش يکنواختي و کاهش زبري سطح شده باشد (شکل 9) .

الگوي پراش اشعه ايکس گرافن اکسيد پيک قوي را در ˚6/11 = 2θ از خود نشان مي‌دهد که مربوط به پراکنش از صفحه بلوري مکعبي مرکز دار (001) بود و با نتايج گزارش توسط وانگ و همکارانش مطابقت داشت (40).

پس از احيا گرافن اکسيد، الگوي XRD تغيير کرده و پيک جديدي در ˚4/25 = 2θ مشاهده گرديد که مربوط به صفحه (002) مي باشد. بنابراين الگوي پيک‌هاي XRD مربوط به حامل و داروي دوکسوروبيسين تاثيرات اين نشست را نشان داد (شکل10).

در الگوي پراش اشعه ايکس (XRD) دو نمونه GO و rGO در شکل 10 پيک XRD ويژه گرافن اکسيد که مربوط به پراکنش صفحه (001) بود و در مقدار ˚6/11 = 2θ با فاصله بين لايه‌اي 8/0 نانومتر مشابه با مقدار گزارش شده توسط جبار و همکاران (2016) مشاهده مي‌شود، پس از احيا گرافن اکسيد، ناپديد شده و پيک جديدي (002) در ˚4/25 =2θ مشاهده گرديد که مقدار فاصله بين لايه‌هاي بلوري آن 4/0 نانومتر بوده و در آرايش خوبي از فاصله بين لايه‌اي گرافن قرار گرفته است (41).

دوکسوروبيسين در مقادير 2θ برابر با 59/10، 7/14، 1/21، 13/30، 88/43 و 1/54 بود که مربوط به ساختار بلورين آن مي‌باشد. XRD دو نمونه DOX-GO و DOX-rGO نيز حاوي الگوهاي هر دو ترکيب DOX و GO و بيانگر بارگذاري موفقيت‌آميز دوکسوروبيسين بر روي گرافن اکسيد و گرافن اکسيد احيا شده بودند (42). در کاري مشابه که توسط ژانگ و همکارنش صورت پذيرفته بود و در آن به بررسي بارگذاري دوکسوروبيسين بر روي گرافن اکسيد و رفتار رهايش آن پرداخت بودند نيز نتايج XRD نشان داد که دوکسوروبيسين پس از بارگذاري موفقيت‌آميز بر روي GO داراي الگوهاي XRD مشابهي با الگوهاي ذکر شده در اين تحقيق در ۲θ مي باشد (شکل 10)(42). همچنين در سال 2019 نيز موهان و همکارنش به نتايجي مشابه دست يافتند(43). اين تحقيقات توسط محمد زاده و همکاران نيز تاييد شده است (44). در ساير مقالات هم به سنتز ترکيبات چارچوب آلي فلزي که در زمينه انتقال دارو کاربرد دارد نيز پرداخته شده است (45و46).

نتيجه گيري

بر اساس نتايج بدست آمده از داده هاي دستگاهي و با بررسي خواص مختلف تحليلي طيف هاي FT-IR، طيف‌هاي SEM و الگوي پراش اشعه ايکس ترکيب مورد نظر تغيير ماهيت و اثر بخشي بستر گرافني داروي دوکسوروبيسين اثبات گرديد. تغيير در نوع اثر بخشي دارو بر اثر دخالت اکسيژهاي بستر گرافني با تغيير و شيفت پيکهاي FTIR علي الخصوص جابجايي پيکهاي کربونيلي و الکني مربوط به حلقه‌هاي آروماتيک به سمت اعداد موجي پايين تر و بروز بيشتر ارتعاش کششي هيدروژنهاي گروه آمين آليفاتيکي نوع اول در موقعيت پيک‌هاي FTIR به دليل آزادي عمل بيشتر هيدروژنهاي مربوطه در فرم غير احيا شده و فعال تر شدن اين هيدرژونها مشاهده گرديد. همچنين تغيير در مورفولوژي طيف هاي SEM ترکيب مورد نظر، پس از تثبيت بر روي سطوح گرافني از لحاظ ساختار لايه اي ويژه که حاصل از دخالت اکسيژن هاي گرافن در اين ويژگي در هر دو فرم احيا شده و غير احيا شده بود نشان دهنده تغيير در اثر بخشي دارو داشتند که اين مورد براي فرم احيا شده يکنواخت تر بود و نشان از کاهش گروه‌هاي اکسيژن در rGO داشت. همچنين پيک قوي در موقعيت 12 درجه در طيف XRD نيز که مربوط به فاصله بين لايه‌اي (d-spacing) بود تاييد ديگري بر ساختار لايه‌اي نشات گرفته از اثر بخشي گروه‌هاي اکسيژن در سطح GO بر روي بخش هاي ساختاري داروي مربوطه داشت.

اين مطالعه از جمله اولين مطالعاتي بود که در قالب تحقيقي بين‌رشته‌اي با انجام داکينگ مولکولي و ارزيابي نتاج مربوطه در تعامل بين دوکسوروبيسين و گرافن اکسايد نشان دهنده پتانسيل بالاي درماني داروي تثبيت شده بر بستر گرافني جهت درمان سرطان باشئ و بينشي جديد را در مورد استفاده بالقوه از اين ترکيب دارويي فراهم ‌کند و با استفاده از نرم‌افزارهاي شبيه‌سازي مولکولي براي بررسي عملکرد سامانه دارورساني، امکان تحليل دقيق‌تري از رفتار نانوذرات و دارو در شرايط مختلف را فراهم مي‌کند که اين امر مي‌تواند به بهبود طراحي و توسعه سيستم‌هاي دارورساني کمک کند. از مزاياي اين تحقيق اين بود که به بررسي ترکيب خاصي از نانوذرات گرافن اکسيد و داروي دوکسوروبيسين پرداخت که در تحقيقات قبلي به‌طور خاص مورد بررسي قرار نگرفته بود. با توجه به گزارشات موجود و حاصل از اين تحقيق و اهميت بالاي زيست‌سازگاري حامل‌هاي دارويي، ترکيب گرافن اکسايد و داروي دوکسوروبيسين مي‌تواند به عنوان کانديدي مناسب جهت بهبود بيشتر بيماران سرطاني و کنترل بيماري در بدن آن‌ها استفاده گردد. در اين راستا، داده هاي ما نشان داد که در بررسي خواص مربوطه بر روي آنزيم توپوايزومراز ۲ که از طريق مهار اين آنزيم، اين دارو اگر به صورت تثبيت شده مورد استفاده قرار گيرد مي‌تواند با بهبود عملکردي خود باعث کنترل بيشتر سلول‌هاي سرطاني گردد چنانچه نوآوري در دارورساني، کاهش عوارض جانبي و شبيه‌سازي و بهينه‌سازي