Synthesis and functionalization of nanosized metal-organic framework (MOF) for targeted controlled release cancer therapy

Abstract

Cancer therapy requires the use of cytotoxic drugs which results in severe side effects due to its cytotoxicity harming normal body cells being non-targeted to select only cancer cells. Metal-organic frameworks(MOFs) are coordination polymers formed of an inorganic metal ions linked together by organic bridging ligands in three dimensional structure, acting like a single unit with totally different physiochemical properties. By using variety of organic linkers and different synthesis methods, structures with various sizes, compositions, morphologies and chemical properties can be designed with desired properties drug delivery. Their high porosity, high surface area, high pore volume and controllable pore size allow high loading capacity within their pores. Their ease of surface modification enables easy functionalization for use for active targeting. Also their composition and structure can be designed and tailored to have responsive chemical and physical properties so they can be used for stimuli responsive controlled drug release. Their good biocompatibility and good biodegradability makes them perfect candidates for drug delivery. Designing a MOF that is stimuli-responsive to cancer acidic environment results in decomposition of MOF and release of drug in cancer cells in a passive stimuli-responsive targeting technique. Also a drug-loaded MOF functionalized with targeting molecules that specifically binds to overexpressed receptors on cancer cells will be immediately taken selectively inside cancer cells where the drug/diagnostic agent is released by degradation of MOF, in an active targeting strategy. Here we have successfully synthesized a nanosized Co-BDC MOF loaded with the hydrophobic anticancer Quercetin and functionalized it with folic acid to active target cancer cells that have overexpressed folic acid receptors. Characterization with XRD, FTIR and SEM confirmed successful synthesis and functionalization of a nanosized Quercetin-loaded MOF, and the drug release study emphasized the pH-senstivity of our MOF and hence confirmed our MOF's combined passive stimuli-responsive targeting strategy.

Kanser tedavisi, sadece kanser hücrelerine değil sitotoksisitesi nedeniyle normal vücut hücrelerine de zarar veren ciddi yan etkilere neden olan sitotoksik ilaçların kullanımını gerektirir. Metal-organik kafes yapılı bileşikler (MOF'ler), tamamen farklı fizyokimyasal özelliklere sahip üç boyutlu yapıda organik köprü ligandları ile birbirine bağlanan metal iyonlarından oluşan koordinasyon polimerleridir. Çeşitli organik bağlayıcılar ve farklı sentez yöntemleri kullanılarak, çeşitli boyut, bileşim, morfoloji ve kimyasal özelliklere sahip yapılar, istenilen ilaç verme özelliklerine sahip olacak şekilde tasarlanabilir. Yüksek gözeneklilik, yüksek yüzey alanı, yüksek gözenek hacmi ve kontrol edilebilir gözenek boyutu, gözenekleri içinde yüksek ilaç yükleme kapasitesi sağlar. Yüzey modifikasyonlarının kolaylığı, aktif hedeflemede kullanım için kolay fonksiyonelleştirme sağlar. Ayrıca bileşimleri ve yapıları, uyaranlara yanıt veren kontrollü ilaç salımı için kullanılabilecekleri şekilde duyarlı kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip olacak şekilde tasarlanabilirler. Sahip oldukları yüksek biyouyumlulukları ve biyobozunurlukları, onları ilaç dağıtımı için mükemmel adaylar yapar. Asidik ortam uyaranlara duyarlı bir MOF tasarlamak, MOF'nin ayrışmasına ve kanser hücrelerinde pasif uyaranlara yanıt veren hedefleme tekniğinde ilacın salınmasına neden olur. Ayrıca, kanser hücreleri üzerinde aşırı eksprese edilen reseptörlere spesifik olarak bağlanan hedefleme molekülleri ile fonksiyonel hale getirilmiş ilaç yüklü MOF, aktif bir hedefleme stratejisinde, ilaç/tanısal ajan MOF'unbozunmasıyla serbest bırakıldığında kanser hücrelerinin içine seçici olarak alınacaktır. Burada, hidrofobikantikanser Quercetin ile yüklü nano boyutlu Co-BDC MOF'yi sentezledik ve folik asit ile fonksiyonelleştirdik. Nano boyutlu Quercetin yüklü MOF'nin sentezi ve fonksinonelleştirilmesi XRD, FTIR karakterizasyonu ve SEM ile doğrulandı. İlaç salınım çalışmaları, MOF'ımızınpH duyarlılığını ve dolayısıyla MOF'nin birleştirilmiş pasif uyaranlara duyarlı hedefleme stratejisini doğruladı.