Nanocomposites of MoS2 and anticancer thioderivatives of purine nucleobases: Insight into molecular interactions noticeable for drug delivery applications
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0043373Ключові слова:
MoS2 nanocomposites with anticancer drugs, 6-thiopurine, 2-thioadenine, intermolecular interactions, LDI mass spectrometry, DFT modeling, drug delivery systemsАнотація
Двовимірні наноматеріали, зокрема нанолисти MoS2, знаходяться у фокусі сучасних наукових досліджень у галузях, пов’язаних з нанотехнологіями, завдяки значному потенціалу цих матеріалів для застосування в біосенсориці, доставці ліків та біокаталізі. Унікальні фізико-хімічні властивості та біосумісність роблять MoS2 перспективною платформою для доставки протипухлинних ліків та фототермічної терапії раку. Серед фізичних методів, що активно використовуються для характеристики наноматеріалів, сучасні методи масспектрометрії, зокрема метод лазерної десорбції/іонізації (LDI), демонструють високу ефективність та інформативність. У дослідженні вивчаються міжмолекулярні взаємодії між компонентами нанокомпозитів наночастинок MoS2 з протипухлинними тіопохідними пуринових азотних основ нуклеїнових кислот, 6-тіопурином (TP) та 2-тіоаденіном (TA), з використанням LDI масспектрометрії та теоретичного квантово-хімічного моделювання. Ці взаємодії важливі для властивостей нанокомпозитів, які пов’язані з доставкою ліків. Результати мас-спектрометричного дослідження нанокомпозитів за допомогою LDI показують, що певна частина молекул досліджуваних препаратів зберігають свою молекулярну цілісність у нанокомпозиті, що є необхідною умовою для терапевтичної ефективності протипухлинних наносистем, що вивчаються в цій роботі. Водночас детальний аналіз LDI мас-спектрів, отриманих у дослідженні, дозволяє визначити, що частина молекул TP та TA зазнають хімічних перетворень, включно з окисненням, у присутності каталітично активних частинок MoS2. Для визначення структурних конфігурацій та енергій зв’язку нанокомплексів MoS2 з молекулами досліджуваних протиракових препаратів використовується ab initio DFT (M06-2X) моделювання. Результати розрахунків показують, що молекули TA та TP можуть утворювати стабільні стекінг комплекси з поверхнею нанолистів MoS2, а також ковалентні комплекси з краями нанолистів. Наше дослідження показує, що зазначені хімічні перетворення протипухлинних тіопохідних пуринових азотних основ, індуковані MoS2, можуть впливати на терапевтичну активність препаратів, що мають сірку в своєму складі. Цей ефект може бути важливим для майбутнього біомедичного застосування нанокомпозитів MoS2 з TP та TA.
Посилання
S. Ghosh and J.-Y. Lai, “An insight into the dual role of MoS2-based nanocarriers in anticancer drug delivery and therapy,” Acta Biomater. 179, 36 (2024).https://doi.org/10.1016/j.actbio.2024.03.019
K. Zhang, Y. Zhuang, W. Zhang, Y. Guo, and X. Liu, “Functionalized MoS2-nanoparticles for transdermal drug delivery of atenolol,” Drug Deliv. 27, 909 (2020).https://doi.org/10.1080/10717544.2020.1778815
J. Xue, H. Liu, S. Chen et al, “Mass spectrometry imaging of the in situ drug release from nanocarriers,” Sci. Adv. 4, eaat9039 (2018).https://doi.org/10.1126/sciadv.aat9039
X. Zhang, Z. Lai, C. Tan, and H. Zhang, “Solution-processed two-dimensional MoS2 nanosheets: Preparation, hybridization, and applications,” Angew. Chem. Int. Ed. 55, 8816 (2016).https://doi.org/10.1002/anie.201509933
T. Liu, C. Wang, X. Gu, H. Gong, L. Cheng, X. Shi, L. Feng, B. Sun, and Z. Liu, “Drug delivery with PEGylated MoS2 nano-sheets for combined photothermal and chemotherapy of cancer,” Adv. Mater. 26, 3433 (2014).https://doi.org/10.1002/adma.201305256
W. Yin, L. Yan, J. Yu, G. Tian, L. Zhou, X. Zheng, X. Zhang, Y. Yong, J. Li, and Z. Gu, “High-throughput synthesis of single-layer MoS2 nanosheets as a near-infrared photothermal-triggered drug delivery for effective cancer therapy,” ACS Nano 8, 6922 (2014).https://doi.org/10.1021/nn501647j
X. Li, J. Shan, W. Zhang, S. Su, L. Yuwen, and L. Wang, “Recent advances in synthesis and biomedical applications of two-dimensional transition metal dichalcogenide nanosheets,” Small 13, 1602660 (2017).https://doi.org/10.1002/smll.201602660
H. Chen, T. Liu, Z. Su, L. Shang, and G. Wei, “2D transition metal dichalcogenide nanosheets for photo/thermo-based tumor imaging and therapy,” Nanoscale Horiz. 3, 74 (2018).https://doi.org/10.1039/C7NH00158D
O. A. Boryak, M. V. Kosevich, V. A. Pashynska, P. O. Kuzema, and V. A. Karachevtsev, “On laser desorption/ionization mass spectrometry of molybdenum disulfide 2D nanomaterial,” Chem. Phys. Technol. Surf. 16, 178 (2025).https://doi.org/10.15407/hftp16.02.178
M. V. Kosevich, V. A. Pashynska, V. S. Shelkovsky, O. A. Boryak, P. O. Kuzema, and V. A. Karachevtsev, “On laser desorption/ionization mass spectrometric probing of nanocomposites of MoS2 with sulfur-containing organic compounds,” J. Mass Spectrom. 60, e5191 (2025).https://doi.org/10.1002/jms.5191
National Cancer Institute of the USA. An official website of the United States government.
M. Pourmadadi, A. R. Ghohrodi, Z. Savari, E. Talebi, I. Ahamdi, A. Rahdar, and S. Pandey, “Enhancing cancer therapy: The potential of mercaptopurine-based nanomaterials for targeted drug delivery,” Next Nanothenol. 2, 100018 (2023).https://doi.org/10.1016/j.nxnano.2023.100018
Y. Zhao, Q. Liao, K. Xi, and D. Xu, “MoS2-assisted LDI mass spectrometry for the detection of small molecules and quantitative analysis of sulfonamides in serum.” J. Am. Soc. Mass Spectrom. 32, 2463 (2021).https://doi.org/10.1021/jasms.1c00182
Y. K. Kim, L. S. Wang, R. Landis, C. S. Kim, R. W. Vachet, and V. M. Rotello, “A layer-by-layer assembled MoS2 thin film as an efficient platform for laser desorption/ionization mass spectrometry analysis of small molecules.” Nanoscale 9, 10854 (2017).https://doi.org/10.1039/C7NR02949G
X. Yu, C. Xu, J. Sun et al, “Recent developments in two-dimensional molybdenum disulfide-based multimodal cancer theranostics.” J. Nanobiotechnol. 22, 515 (2024).https://doi.org/10.1186/s12951-024-02785-x
V. Pashynska, S. Stepanian, Á. Gömöry, L. Drahos, and L. Adamowicz, “Noncovalent complexes of dimethyl sulfoxide with anticancer thioderivatives of purine nucleobases: Insights into drug delivery mechanisms,” J. Mol. Struct. 1340, 142556 (2025).
S. F. Boys, and F. Bernardi, “Calculation of small molecular interactions by differences of separate total energies – some procedures with reduced errors,” Mol. Phys. 19, 553 (1970).https://doi.org/10.1080/00268977000101561
M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, X. Li, M. Caricato, A. V. Marenich, J. Bloino, B. G. Janesko, R. Gomperts, B. Mennucci, H. P. Hratchian, J. V. Ortiz, A. F. Izmaylov, J. L. Sonnenberg, D. Williams-Young, F. Ding, F. Lipparini, F. Egidi, J. Goings, B. Peng, A. Petrone, T. Henderson, D. Ranasinghe, V. G. Zakrzewski, J. Gao, N. Rega, G. Zheng, W. Liang, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, K. Throssell, J. A. Montgomery, Jr., J. E. Peralta, F. Ogliaro, M. J. Bearpark, J. J. Heyd, E. N. Brothers, K. N. Kudin, V. N. Staroverov, T. A. Keith, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. P. Rendell, J. C. Burant, S. S. Iyengar, J. Tomasi, M. Cossi, J. M. Millam, M. Klene, C. Adamo, R. Cammi, J. W. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, O. Farkas, J. B. Foresman, and D. J. Fox, Gaussian 16, Revision B.01 (Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2016).
N. T. N. Hang, N. T. Si, M. T. Nguyen et al, “Adsorption/desorption behaviors and SERS chemical enhancement of 6-mercaptopurine on a nanostructured gold surface: The Au20 cluster model,” Molecules 26, 5422 (2021).https://doi.org/10.3390/molecules26175422
A. A. Fernández-Ramos, C. Marchetti-Laurent, V. Poindessous, S. Antonio, P. Laurent-Puig, S. Bortoli, M. A. Loriot, and N. Pallet, “6-mercaptopurine promotes energetic failure in proliferating T cells,” Oncotarget. 8, 43048 (2017).https://doi.org/10.18632/oncotarget.17889
J. Panetta, W. Evans, and M. Cheok, “Mechanistic mathematical modelling of mercaptopurine effects on cell cycle of human acute lymphoblastic leukaemia cells,” Br. J. Cancer 94, 93 (2006).https://doi.org/10.1038/sj.bjc.6602893
