A novel perspective of drug delivery in biological cells: Encapsulating group 2 metal ions in semiconducting hybrid group 14 oxides through ion-replacement technique

Una nueva perspectiva para la administración de fármacos en células biológicas: Encapsulación de iones metálicos del grupo 2 en óxidos híbridos semiconductores del grupo 14 mediante la técnica de sustitución iónica.

Background: Recently, group IV oxide has emerged as drug delivery systems. Therefore, in this article, it has been evaluated the promising alternative alkaline earth metals of beryllium-ion, magnesium-ion, calcium-ion delivery. This paper reports the presence of human cells of an additional ouabain-insensitive transport pathway for Mg²⁺–Be²⁺ and Mg²⁺–Ca²⁺ and ions cotransport. Methodology: A vast study on ion delivery by [SiGe]O₂ or [SiSn]O₂ complex was probed using computational  approaches due to density state analysis of charge density differences (CDD), total density of state (TDOS), localized orbital locator (LOL) through formation of [Si(Mg²⁺Be²⁺)Ge]O₂, [Si(Mg²⁺Be²⁺)Sn]O₂, [Si(Mg²⁺Ca²⁺)Ge]O₂ and [Si(Mg²⁺Ca²⁺)Sn]O₂ heteroclusters using density functional theory (DFT) method. Results and Discussion: Higher Ge/Sn to Si content can increase cell capacity through Mg⁺Be⁺ [SiO–GeO], Mg²⁺Be²⁺ [SiO–SnO], Mg²⁺Ca²⁺ [SiO–GeO] and Mg²⁺Ca²⁺ [SiO–SnO] nanoclusters for ion adsorption process and might improve the rate performances by enhancing electrical conductivity. Besides, [SiGe]O₂ or [SiSn]O₂ anode material may advance cycling consistency by excluding electrode decline and augments the capacity owing to higher surface capacitive impacts. The fluctuation in charge density values demonstrates that the electronic densities were mainly located in the boundary of adsorbate/adsorbent atoms during the adsorption status. Among these, beryllium-ion, magnesium-ion, calcium-ion transfer seems to show the most promise in terms of initial capacity. The nanoclusters of [SiGe]O₂ and [SiSn]O₂ coordinated by X²⁺ (X=Be, Ca) cation have E_s values that are largely independent of pH as their ligands are always negatively charged within the normal physiological pH range. The measurements provide a way of at least estimating the redox potential of  [SiGe]O₂ or [SiSn]O₂ cluster and hence provide some insights into the encapsulation of X²⁺ cation (X=Be, Ca) through substitution with Mg²⁺cation.  Conclusions: This ion transport can create and maintain an electrochemical gradient, which is crucial for various cellular processes, including cell volume regulation, electrical excitability, and secondary active transport. Current study wants to discover deeper into several aspects of this molecular entity, such as describing its structure and mode of operation in atomic detail, understanding its molecular and functional diversity.

Antecedentes: Recientemente, los óxidos del grupo IV han surgido como sistemas de administración de fármacos. Por lo tanto, en este artículo se evalúan los prometedores metales alcalinotérreos alternativos para la administración de iones de berilio, magnesio y calcio. Este trabajo informa sobre la presencia en células humanas de una vía de transporte adicional, insensible a la ouabaína, para el cotransporte de iones Mg²⁺–Be²⁺ y Mg²⁺–Ca²⁺. Metodología: Se realizó un estudio exhaustivo sobre la entrega de iones mediante el complejo [SiGe]O₂ o [SiSn]O₂ utilizando enfoques computacionales debido al análisis del estado de densidad de las diferencias de densidad de carga (CDD), la densidad total de estados (TDOS), el localizador orbital localizado (LOL) a través de la formación de heterocúmulos [Si(Mg²⁺Be²⁺)Ge]O₂, [Si(Mg²⁺Be²⁺)Sn]O₂, [Si(Mg²⁺Ca²⁺)Ge]O₂ y [Si(Mg²⁺Ca²⁺)Sn]O₂ utilizando el método de la teoría funcional de la densidad (DFT). Resultados y discusión: Un mayor contenido de Ge/Sn a Si puede aumentar la capacidad de la celda a través de nanocúmulos de Mg⁺Be⁺ [SiO–GeO], Mg²⁺Be²⁺ [SiO–SnO], Mg²⁺Ca²⁺ [SiO–GeO] y Mg²⁺Ca²⁺ [SiO–SnO] para el proceso de adsorción de iones y podría mejorar el rendimiento de la tasa al aumentar la conductividad eléctrica. Además, el material de ánodo [SiGe]O₂ o [SiSn]O₂ puede mejorar la consistencia del ciclo al excluir el deterioro del electrodo y aumenta la capacidad debido a mayores impactos capacitivos de superficie. La fluctuación en los valores de densidad de carga demuestra que las densidades electrónicas se ubicaron principalmente en el límite de los átomos adsorbato/adsorbente durante el estado de adsorción. Entre estos, la transferencia de iones de berilio, iones de magnesio e iones de calcio parece mostrar el más prometedor en términos de capacidad inicial. Los nanoclústeres de [SiGe]O₂ y [SiSn]O₂ coordinados por el catión X²⁺ (X=Be, Ca) presentan valores de Es prácticamente independientes del pH, ya que sus ligandos se mantienen siempre con carga negativa dentro del rango de pH fisiológico normal. Estas mediciones permiten estimar el potencial redox del clúster [SiGe]O₂ o [SiSn]O₂ y, por lo tanto, aportan información sobre la encapsulación del catión X²⁺ (X=Be, Ca) mediante la sustitución por el catión Mg²⁺. Conclusiones: Este transporte iónico puede crear y mantener un gradiente electroquímico, crucial para diversos procesos celulares, como la regulación del volumen celular, la excitabilidad eléctrica y el transporte activo secundario. El presente estudio busca profundizar en varios aspectos de esta entidad molecular, como la descripción de su estructura y modo de operación a nivel atómico, y la comprensión de su diversidad molecular y funcional.

Contexto: Recentemente, os óxidos do grupo IV têm se destacado como sistemas de administração de fármacos. Portanto, neste artigo, avaliamos o potencial promissor dos metais alcalino-terrosos como alternativa para a administração de íons de berílio, magnésio e cálcio. Este trabalho relata a presença, em células humanas, de uma via de transporte adicional, insensível à ouabaína, para o cotransporte de íons Mg²⁺–Be²⁺ e Mg²⁺–Ca²⁺. Metodologia: Um amplo estudo sobre a entrega de íons pelo complexo [SiGe]O₂ ou [SiSn]O₂ foi investigado usando abordagens computacionais devido à análise do estado de densidade das diferenças de densidade de carga (CDD), densidade total de estados (TDOS), localizador orbital localizado (LOL) através da formação de heteroclusters [Si(Mg²⁺Be²⁺)Ge]O₂, [Si(Mg²⁺Be²⁺)Sn]O₂, [Si(Mg²⁺Ca²⁺)Ge]O₂ e [Si(Mg²⁺Ca²⁺)Sn]O₂usando o método da teoria do funcional da densidade (DFT). Resultados e Discussão: Um maior teor de Ge/Sn em relação ao Si pode aumentar a capacidade da célula por meio de nanocúmulos de Mg⁺Be⁺ [SiO–GeO], Mg²⁺Be²⁺ [SiO–SnO], Mg²⁺Ca²⁺ [SiO–GeO] e Mg²⁺Ca²⁺ [SiO–SnO] para o processo de adsorção de íons e pode melhorar o desempenho em altas taxas de carga/descarga, aumentando a condutividade elétrica. Além disso, o material anódico [SiGe]O₂ ou [SiSn]O₂ pode promover maior consistência de ciclagem, eliminando a degradação do eletrodo e aumentando a capacidade devido aos maiores impactos capacitivos superficiais. A flutuação nos valores de densidade de carga demonstra que as densidades eletrônicas estavam localizadas principalmente na interface entre os átomos do adsorvato e do adsorvente durante o processo de adsorção. Dentre esses, a transferência de íons de berílio, magnésio e cálcio parece ser a mais promissora em termos de capacidade inicial. Os nanocúmulos de [SiGe]O₂ e [SiSn]O₂ coordenados pelo cátion X²⁺ (X = Be, Ca) apresentam valores de Es que são amplamente independentes do pH, uma vez que seus ligantes estão sempre carregados negativamente dentro da faixa de pH fisiológico normal. As medições fornecem uma maneira de, pelo menos, estimar o potencial redox do cúmulo [SiGe]O₂ ou [SiSn]O₂ e, portanto, oferecem algumas informações sobre o encapsulamento do cátion X²⁺ (X = Be, Ca) por meio da substituição pelo cátion Mg²⁺. Conclusões: Esse transporte iônico pode criar e manter um gradiente eletroquímico, que é crucial para vários processos celulares, incluindo a regulação do volume celular, a excitabilidade elétrica e o transporte ativo secundário. O presente estudo busca explorar mais profundamente diversos aspectos dessa entidade molecular, como descrever sua estrutura e modo de operação em detalhes atômicos, e compreender sua diversidade molecular e funcional.