Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Pullulan-gebaseerde nanodeeltjes-HSA-complexvorming en geneesmiddelafgifte beïnvloed door oppervlaktelading

Abstract

De nanomateriaalsamenstelling van nanodeeltjes en hun eiwitadsorptie in het bloed is van groot belang bij het ontwerp van met medicijnen beladen nanodeeltjes. Om de interactie tussen de verschillende oppervlaktecomponenten van nanodeeltjes (NP's) en eiwitten te onderzoeken, hebben we drie soorten pullulan NP-polymeren gesynthetiseerd:cholesterisch hydrofoob (CH) gemodificeerd pullulan (CHP), CH-gemodificeerd geanimeerd pullulan (CHAP) en CH-gemodificeerd gecarboxyleerd pullulan (CHSP). Pullulan NP's werden bereid met de dialysemethode. Dynamische lichtverstrooiing werd gebruikt om de lading en grootte van de drie NP's te bepalen. De grootte van NP's werd veranderd door het aantal ladingsgroepen wanneer polymeren dezelfde mate van cholesterolsubstitutie bevatten. De zeta-potentialen waren respectievelijk +-12,9, -15,4 en -0,698 mV voor CHAP, CHSP en CHP, en de afmetingen waren respectievelijk 116,9, 156,9 en 73,1 nm. Isothermische titratiecalorimetrie werd gebruikt om de thermodynamische veranderingen van NP's met verschillende oppervlakteladingen te bepalen, en het effect van humaan serumalbumine (HSA) op de titratie werd onderzocht. De veranderingen van enthalpie en entropie toonden een interactie aan tussen NP's en HSA; de bindingsconstante (K b ) voor CHSP, CHP en CHAP was 1,41, 27,7 en 412 × 10 4 M −1 , respectievelijk met de positieve lading voor CHAP-HSA, ongeladen voor CHP-HSA en negatieve lading voor CHSP-HSA-complex. Fluorescentie- en circulair dichroïsme-spectroscopie werden gebruikt om de verandering van de eiwitstructuur na de complexering tussen NP's en HSA te bepalen. De NP- en HSA-complexering is een gecompliceerd proces dat bestaat uit reductie van het -helixgehalte van eiwitten en de verlenging van de peptideketen; WKK NP's hadden de grootste reductie in HSA -helixgehalte. De geneesmiddelafgiftesnelheden van alle verbindingen van NP en HSA waren na 48 uur significant lager dan die van vrije en met geneesmiddelen beladen NP's. De hoogste en laagste percentages werden waargenomen in respectievelijk CHSP-HSA en CHP-HSA. De medicijnafgifte werd significant beïnvloed door de adsorptie van HSA op NP's, en de grootte en oppervlaktelading van NP's speelden een belangrijke rol in dit proces.

Achtergrond

Het systeem voor het afleveren van nanodrugs, zoals nanodeeltjes (NP's) geladen met kleine moleculaire antitumormiddelen, heeft aanhoudende en gecontroleerde afgifte-eigenschappen en een gericht effect. Gerichte therapie met NP's is een focus geworden bij de behandeling van tumoren, omdat ze de bijwerkingen van medicijnen aanzienlijk kunnen verminderen en de werkzaamheid van medicijnen kunnen verbeteren [1,2,3].

Geneesmiddelgeladen NP's moeten drie paden passeren om de doellocatie te bereiken, d.w.z. bloedcirculatie, weefsel-naar-cel-route en intracellulaire beweging [4,5,6]. Ze moeten ook de vasculaire barrière overwinnen om het beoogde weefsel te bereiken, en vervolgens de celmembraanbarrière om de beoogde cel te bereiken [7, 8]. Eiwitadsorptie en -uitwisseling zijn betrokken bij de routes van alle NP's. Ten slotte bereiken eiwit-geadsorbeerde NP's de doelcellen en geven ze de medicijnen af ​​[1, 9].

De overvloedige eiwitten zoals humaan serumalbumine (HSA), lipoproteïnen en globuline worden gewoonlijk geadsorbeerd op het oppervlak van met medicijnen beladen NP's, waardoor het in vivo afgiftegedrag en de targetingsites van NP's veranderen [10]. Het aantal en het type geadsorbeerde eiwitten hangen nauw samen met de concentratie van eiwitten in plasma en de affiniteit van NP's [11]. Hoe hoger de plasma-eiwitconcentratie, hoe groter de oppervlakte-adsorptie van het NP [12]. Een eiwit met een hoge affiniteit kan het eiwit met een zwakke affiniteit vervangen [13]. Daarom wordt het oppervlak van de NP bezet door het eiwit met een hoge concentratie en sterke affiniteit, waardoor een nano-eiwitkroon wordt gevormd [14]. Nano-eiwitkronen zijn onmisbaar voor de in vivo functie van NP's [15]. Als het oppervlak bijvoorbeeld is gemodificeerd met polysorbaat, kunnen NP's het medicijn door de bloed-hersenbarrière naar hersenweefsel afleveren [16]; hydrofoob gemodificeerde polysacharide-nanomaterialen kunnen een interactie aangaan met HSA in het lichaam, waardoor de controle over de afgifte van geneesmiddelen wordt verbeterd [17].

De opname van NP's door cellen wordt beïnvloed door een verscheidenheid aan factoren, zoals de fysische en chemische eigenschappen van NP's, de concentratie van nanodrugs, eiwitadsorptie en celadhesie [18]. De soorten en hoeveelheden eiwitadsorptie beïnvloeden de functie van NP's, inclusief controle en targeting van geneesmiddelafgifte. Ook de fysische en chemische eigenschappen van NP's, zoals deeltjesgrootte, lading en hydrofobiciteit van het oppervlak, beïnvloeden de adsorptie van eiwitten [19]. De aard van de NP bepaalt zijn lot tijdens het in vivo proces [20]. Amfifiele macromoleculaire materialen zoals hydrofoob gemodificeerde polysacharidepolymeren kunnen zelf worden geassembleerd tot deeltjes van nanogrootte. De grootte van de NP speelt een belangrijke rol in zijn functies van targeting en controle van de afgifte van geneesmiddelen [21]. De hydrofobe groep in het polymeer is een drijvende kracht voor de vorming van de nucleaire structuur van het NP. Hoe groter de substitutiegraad van de hydrofobe groep, hoe kleiner de NP [22]. Polymeermaterialen met carboxylgroepen, aminogroepen en hun derivaten zijn betrokken bij de zelfassemblage van NP's, dus beïnvloeden ze de grootte van NP's en verschaffen ze oppervlaktelading voor gemakkelijke bevestiging aan het eiwit met tegengestelde lading [23]. NP's met verschillende oppervlakteladingen hebben verschillende mogelijkheden voor eiwitadsorptie en verschillende biologische functies [24]. Daarom moeten we de interactie tussen de verschillende oppervlaktecomponenten van NP's en eiwitten onderzoeken.

HSA is het meest voorkomende eiwit in het bloed. Het is essentieel voor het transport, de distributie en het metabolisme van lichaamsvreemde en lichaamseigen stoffen. Veel medicijnen met kleine moleculen komen het lichaam binnen en vormen HSA-drugadsorbentia in het bloedtransport, wat de farmacologische effecten van medicijnen verandert [25]. Geneesmiddelbeladen NP's worden gecombineerd met HSA nadat ze het lichaam zijn binnengekomen; vanwege de complexe structuur van NP's verschillen de kenmerken van adsorptie van HSA-combinaties met kleine moleculen [26]. Adsorptie van geneesmiddelen met kleine moleculen aan HSA-moleculen is bijvoorbeeld snel; HSA-adsorptie aan NP's is echter traag en complex [27].

WKK-nanodeeltjes als drager van medicijnen waren lange tijd bestudeerd, waaruit uitstekende nanomaterialen voor medicijnafgifte waren gebleken [28, 29]. In een eerder experiment bestudeerden we de interactie tussen HSA en pullulan NP's met verschillende graden van cholesterolsubstitutie, cholesterisch hydrofoob (CH) gemodificeerd pullulan (CHP), en vonden voornamelijk twee processen:HSA hechtte snel aan het NP-oppervlak en werd vervolgens langzaam ingebracht in de hydrofobe kern van NP's [30]. Hydrofobe interacties speelden een belangrijke rol bij de vorming van CHP-HSA-complexen [31]. De hydrofobiciteit en schil-kernstructuur van de deeltjes waren voornamelijk verantwoordelijk voor de veranderingen in albumineconformatie tijdens de NP- en HSA-interactie [30].

In deze studie hebben we drie NP's vervaardigd, CHP, CH-gemodificeerde geanimeerde pullulan (CHAP) en CH-gemodificeerde gecarboxyleerde pullulan (CHSP). Hun structuur en eigenschappen werden gekarakteriseerd met Fourier-transform infrarood (FTIR) en NMR, en hun afmetingen en potentialen werden bepaald door dynamische lichtverstrooiing (DLS). Isotherme titratiecalorimetrie (ITC) en fluorescentiespectroscopie werden gebruikt om de interactiekenmerken van de NP-HSA-complexen en de effecten van de drie soorten NP's op de HSA-structuur te onderzoeken. We onthullen de effecten op medicijnafgifte met de eigenschappen van de NP-HSA-complexen, wat van vitaal belang is voor de toekomstige toepassing van het medicijnafgiftesysteem.

Methoden

Materialen

HSA werd gekocht bij Sigma Aldrich (St. Louis, MO, VS). N ,N -Imidazol was afkomstig uit de biotechnologie van de voorraadoplossing in Shanghai (Shanghai). Ethyleendiamine, barnsteenzuuranhydride werd geleverd door Tianjin Star Chemical Reagent (Tianjin). Alle andere chemische reagentia waren van analytische kwaliteit en waren van Changsha Huicheng Co. (Changsha, China).

Synthese van CHP, CHSP en CHAP

Synthese van WKK

Cholesterolsuccinaat (CHS) werd gesynthetiseerd zoals eerder beschreven [32]. Een hoeveelheid van 2 g pullulanpolysacharide werd opgelost in 10 ml gedehydrateerde dimethylsulfoxide (DMSO)-oplossing. Vervolgens werden 1,06 g CHS, 0,505 g EDC-HCl en 0,268 g DMAP opgelost in een geschikte hoeveelheid DMSO-oplossing. De bovenstaande twee groepen reagentia werden gemengd en gedurende 1 uur bij kamertemperatuur geactiveerd en vervolgens 48 uur in een verwarmd oliebad bij 50°C geïncubeerd. Nadat de reactie was gestopt en afgekoeld tot kamertemperatuur, werd een geschikte hoeveelheid watervrije ethanol toegevoegd en de witte vaste stof werd neergeslagen door roeren en verkregen door herhaalde afzuigfiltratie. De producten werden gewassen met een geschikte hoeveelheid watervrije ethanol, ethylether en tetrahydrofuran en vervolgens gedroogd in een straaldroger bij 50 °C om een ​​witte vaste stof te worden (Fig. 1).

Synthese van CHP-, CHSP- en CHAP-polymeren

Synthese van CHAP

Een hoeveelheid van 1,80 g WKK en 1,00 g N ,N -diimidazool werden opgelost in 100 ml DMSO. Na 4 uur verwarmen en roeren in een oliebad van 50°C werd 3,60 g ethyleendiamine toegevoegd, gevolgd door verder verwarmen en 24 uur roeren. Toen de reactievloeistof was afgekoeld tot kamertemperatuur, werd deze gedurende 1 dag gedialyseerd in een dialysezak met 4000 onderscheppingen met dubbel gedestilleerd water en vervolgens gevriesdroogd om een ​​lichtgele vaste stof te verkrijgen die het product was van hydrofoob gemodificeerd geanimeerd pullulan.

Synthese van CHSP

Een hoeveelheid van 1,80 g CHP werd opgelost in 100 ml gedehydrateerd DMSO, vervolgens werden 0,5 g barnsteenzuuranhydride en 0,05 g 4-dimethylaminopyridine (DMAP) opgelost in 10 ml DMSO geactiveerd gedurende 1 uur; na 20 uur verwarmen en roeren in een oliebad van 50°C werd de reactie gestopt. Toen de reactievloeistof tot kamertemperatuur was afgekoeld, werd deze in een geschikte hoeveelheid watervrije ethanol geplaatst en geroerd om een ​​witte vaste stof neer te slaan. De witte vaste stof werd verschillende keren gewassen met een geschikte hoeveelheid watervrije ethanol, diethylether en tetrahydrofuran en gedroogd in een straaldroger bij 50°C. Het verkregen product was hydrofoob gemodificeerd gecarboxyleerd pullulan-polysaccharide.

FTIR- en NMR-spectroscopie

De FTIR-spectra voor CHP, CHSP en CHAP werden verkregen als KBr-pellets voor FTIR-spectroscopie (Nicolet NEXUS 470-ESP, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, VS). De chemische structuren van CHP, CHSP en CHAP werden bevestigd door 500 MHz 1 H-NMR, met DMSO-d6 als oplosmiddel. De mate van substitutie van cholesterol in CHP-polymeren werd bepaald door de alfa-1,4 en alfa-1,6 glycosidebinding en het methyleenpiekoppervlak.

Voorbereiding en karakterisering van NP's

CHP, CHSP en CHAP NP's werden bereid met de dialysemethode [33]. In het kort werden CHP, CHSP en CHAP opgelost in 10 ml DMSO. Om NP's te vormen, werd de mengseloplossing 24 uur in een dialysezak geïnjecteerd om de DMSO te elimineren. De oplossing van CHP-, CHSP- en CHAP-NP's werd gescreend met een membraanfilter (poriegrootte 0.45 m, Millipore, Boston, MA, VS) om de grotere geaggregeerde CHP-, CHSP- en CHAP-NP's te verwijderen. De grootteverdeling en zeta-potentiaal van de verkregen deeltjes werden bepaald door DLS (Zetasizer 3000 HS, Malvern Instruments, Malvern, VK) bij 11,4 V/cm, 13,0 mA.

ITC

Een bepaalde concentratie HSA-oplossing werd op de CHP-, CHSP- en CHAP NP-oplossingen gedruppeld en de verandering in warmte werd gemeten door ITC (VP-ITC, Microcal, Northampton, MA, VS). Een hoeveelheid van 0,9 mM HSA werd geïnjecteerd in 0,01 mM CHP-, CHSP- en CHAP NP-titratiecellen om 20 keer te titreren. De eerste druppel was 2 L en de reactietijd was 180 s; de resterende druppels waren 10 L per druppel en de reactietijd was 210 s en de temperatuur werd ingesteld op 25 ° C. De thermodynamische parameters en verbindingscurven werden verkregen met 28 keer titratie.

Fluorescentiespectroscopie

HSA en CHP NP's werden gemengd in een molecuulverhouding van HSA tot CHP van 3,6:1 om CHP-HSA-, CHSP-HSA- en CHAP-HSA-mengsels te bereiden. De verkregen mengsels werden in EP-buizen van 2 ml geplaatst en 24 uur bij 20 rpm bij 25°C geschud. Fluorescentiespectra en fluorescentie-intensiteit (FI) van vrij HSA en de NP-gebonden HSA werden geregistreerd door fluorescentiespectrofotometrie (Shimadzu RF-4500, Japan). De tryptofaanchromofoor in het HSA-molecuul werd geëxciteerd bij 280 nm en emissiespectra werden geregistreerd bij 290 tot 450 nm. Excitatie- en emissiespleetbreedtes waren 5 en 12 nm.

Zeven NP-oplossingen in verschillende concentraties werden gemengd met HSA-oplossing. De gemengde oplossingen werden overgebracht naar EP-buizen van 2 ml voor een reactie van 9 uur. De verkregen monsters werden verzameld om fluorescentiespectra te meten bij een golflengte van 290-450 nm. De fluorescentiespectra van zuivere HSA-oplossing werden gebruikt als referentie om bindingsconstanten te bepalen volgens Stern-Volmer-analyse. Fluorescentie-uitdovingsgegevens werden geanalyseerd met behulp van de verbeterde Stern-Volmer-vergelijking [34]:

$$ {F}_0/\left({F}_0-F\right)=1/{f}_{\mathrm{a}}+1/\left({f}_{\mathrm{a}} {K}_{\mathrm{q}}\left[Q\right]\right) $$

waar K q is de uitdovingsconstante van Stern-Volmer, F 0 en F zijn fluorescentie-intensiteiten bij 342 nm in afwezigheid en aanwezigheid van quencher, en [Q ] is de concentratie van quencher.

Circulaire dichroïsmeanalyse

CHP-HSA-complexen werden op twee verschillende manieren bereid. De eerste (complex I) werd bereid door HSA- en CHP-oplossingen eenvoudig te mengen. De tweede (complex II) werd bewaard in EP-buisjes van 2 ml, die 12 uur bij 25°C in een schudtafel met 20 rpm werden geplaatst. Circulair dichroïsme (CD) spectra voor gratis HSA en NP's toegevoegd aan eiwit werden geregistreerd bij een golflengte van 200-250 nm met behulp van een CD-spectrometer (JASCO J-810, Japan) bij 37 ° C met een cuvettecel van 0, 1 cm. De concentratie van HSA was 1,0 mg/ml in alle monsters. Het relatieve -helixgehalte in HSA werd als volgt berekend [35]:

$$ \left[{\theta}_{208}\right]=\frac{\theta M}{10 CL{N}_{\mathrm{r}}} $$

waar θ 208 is de gemiddelde ellipticiteit van het residu (deg cm −2 dmol −1 ) bij 208 nm, θ is de ellipticiteit, M is het molecuulgewicht van HSA, C is de concentratie van HSA (mg/ml), L is de lengte van de kuvettencel (cm), en N r is het aantal aminozuren in het HSA-molecuul.

Drugsafgifte in vitro

Met mitoxantron (MTO) beladen NP's werden bereid door middel van een dialysemethode [36]. De standaardcurve voor mitoxantron werd verkregen door UV-spectrofotometrie. Geneesmiddelbelading en inkapselingsefficiëntie werden berekend zoals beschreven [33]. MTO-afgifte werd in vitro bestudeerd door dialyse in met fosfaat gebufferde zoutoplossing. In het kort, de oplossing van met MTO beladen NP's (2 mg / ml) werd in visking-dialyseslangen geplaatst en tegen de afgiftemedia bij 37 ° C in een luchtbadschudder bij 50 rpm gedialyseerd. Op vooraf bepaalde tijdstippen werd het afgiftemedium verzameld en werd het verse afgiftemedium toegevoegd. De vrijgekomen hoeveelheid MTO werd bepaald met UV-spectrofotometrie (UV-384 plus, Molecular Devices, VS) bij 608 nm. Het geaccumuleerde afgiftepercentage (Q %) werd berekend zoals eerder beschreven [37]. Een bepaalde hoeveelheid HSA-oplossing (0,1 mg/ml) werd aan de dialysebuis toegevoegd om de geneesmiddelafgifte van drie soorten NP's te bepalen.

Resultaten

Karakterisatie van CHP-, CHSP- en CHAP-polymeren

FTIR-spectra

Figuur 2 toont de FTIR-spectra voor CHP, CHSP en CHAP. De gegevens voor WKK-spectra waren 1731 cm −1 (–C=O uitrekkende vibratiepiek) en 1161 cm −1 (–C=O rektrillingspiek). Dit resultaat demonstreert de vorming van esterbindingen op pullulan, wat aangeeft dat de CHP met succes is gesynthetiseerd.

FTIR-spectra van CHP (a), CHAP (b) en CHSP (c)

In vergelijking met CHP-spectra waren de gegevens voor CHAP-spectra 1648 cm −1 (–C=O trillingsabsorptiepiek), 1734 cm −1 (–C=O trillingsabsorptiepiek), 1539 cm −1 (–N–H buigtrillingspiek) en 3742 cm −1 (–NH2 uitrekkende trillingspiek). Volgens deze karakteristieke pieken waren er amidebindingen op CHP en werd CHAP met succes gesynthetiseerd door de veresteringsreactie.

In vergelijking met WKK-spectra waren de gegevens voor CHSP-spectra 1710 cm −1 (–C=O uitrekkende vibratiepiek), 1158 cm −1 (–C=O uitrekkende vibratiepiek), 1560 cm −1 (dubbele –C=O koppelingstrillingspiek), en 1421 cm −1 (–O–H buigtrillingspiek). Hieruit blijkt dat er carboxylgroepen op WKK waren en dat een deel daarvan zouten werden.

1 H NMR

Afbeelding 3 toont de 1 H NMR-spectra voor CHP, CHSP en CHAP. Een totaal van 0 tot 2,40 ppm behoorde tot het waterstofsignaal van cholesterol, wat de succesvolle synthese van CHP aantoonde. De karakteristieke pieken van DMSO-d6 en methyleen (–CH2 CH2 –) toonden signalen van respectievelijk 2,49 en 2,53 ppm. In vergelijking met CHP vertoonde CHAP signalen bij 8-9 ppm, die tot de aminogroep behoorden en bewees dat ethyleendiamine op CHP was geënt. De substitutiegraad van cholesterol per 100 glucose-eenheden in WKK kan worden berekend door de verhouding van methyleenprotonen tot suikerprotonen met de volgende vergelijking [38]:

$$ \mathrm{DS}=\frac{A_{\partial 2.53}}{4\left({A}_{\partial 4.74}+{A}_{\partial 5.01}\right)} $$

1 HNMR-spectra voor CHP (a), CHSP (b) en CHAP (c) NP's

waar A δ2.53 is het spectrumgebied onder de karakteristieke absorptiepiek van methyleen (waterstof), en A δ4.74 en A δ5.01 zijn het spectrumgebied onder de karakteristieke absorptiepieken voor respectievelijk alfa-1,6- en alfa-1,4-glycosidebindingen.

Van de 1 H NMR-spectra in CHP, de substitutiegraad van cholesterolsuccinaat (CHS) was 4,50%. Voor CHSP NP's zijn de methyleengroepen (–CH2 CH2 –) omvatte twee aspecten:barnsteenzuuranhydride en CHS. De substitutiegraad was 12,34% voor methyleengroepen (–CH2 CH2 –) en 7,84% voor carboxylgroepen. Voor CHAP NP's zijn de methyleengroepen (–CH2 CH2 –) omvatte twee aspecten:ethyleendiamine en CHS. De substitutiegraad was 18,6% voor methyleengroepen (–CH2 CH2 –) en 14,1% voor de aminogroepen.

Eigenschappen van CHP, CHSP en CHAP NP's

Amfifiele polymeren kunnen door dialyse zelf worden geassembleerd om kern-schil NP's te vormen met een hydrofiele schil en hydrofobe kern, die kunnen worden geladen met geneesmiddelen tegen kanker om met medicijnen geladen NP's te vormen. De NP-eigenschappen zoals oppervlaktelading en grootte speelden een vitale invloed op de werkzaamheid van de behandeling als drager van geneesmiddelen [39, 40]. De grootteverdeling en het zeta-potentieel van CHP-, CHSP- en CHAP-NP's gemeten door DLS worden weergegeven in Fig. 4. De gemiddelde grootte van NP's was respectievelijk 73,1, 116,9 en 156,9 nm voor CHP, CHAP en CHSP. De zeta-potentiaal was respectievelijk -0,698, +-12,9 en -15,4 mV (tabel 1).

Zeta-potentieel (a ) en maatverdeling (b ) van WKK NP's ( ), CHAP NP's ( ), en CHSP-NP's ( )

Voor pullulan NP's met dezelfde hydrofobe groep was de grootte groter voor negatief geladen CHSP en positief geladen CHAP dan neutrale CHP NP's. De geladen groep interfereert dus met het zelfassemblagegedrag van NP's en vormt grotere NP's met een losse structuur in een waterige oplossing. De zeta-potentialen van CHP NP's, CHAP en CHSP NP's waren respectievelijk -0,698 mV, +-12,9 mV en -15,4 mV. De amino- en carboxylgroepen in het polymeer zouden dus NP's met verschillende oppervlakteladingen kunnen creëren en zo de oppervlakte-eigenschappen kunnen veranderen.

Thermodynamische analyse

De thermodynamische analyse werd uitgevoerd met behulp van ITC met HSA-titratie naar CHP-, CHSP- en CHAP NP-oplossingen. Als HSA-titratie naar pullulan NP-oplossing met verschillende ladingen, hebben we de veranderingen van warmte bepaald, de verbindingseigenschappen van drie soorten materialen, verbinding en verbindingsaantal moleculen aangepast. Het oorspronkelijke spectrum van de isotherme titratiethermometer weerspiegelt de verandering in warmte. De opwaartse piek geeft een warmte-afgevende reactie aan, en de neerwaartse piek geeft een warmte-absorberende reactie aan [41, 42]. Wanneer CHP-, CHAP- en CHSP-NP's werden getitreerd met HSA, nam de vrijgekomen warmte van de combinatie in de loop van de tijd geleidelijk af (Fig. 5). In totaal werden 26 druppels HSA-oplossing getitreerd in CHP NP-oplossing, en de pieken van het spectrum waren naar boven gericht, wat de exotherme aard van de reactie aangeeft. Hetzelfde fenomeen werd waargenomen wanneer de HSA-oplossing werd getitreerd in de CHSP NP-oplossing. Toen de HSA-oplossing echter werd getitreerd in de CHAP NP-oplossing, waren de pieken van het spectrum voor de eerste vier druppels omhoog, terwijl vanaf de vijfde druppel de pieken naar beneden gingen, wat wijst op een endotherme reactie. De HSA-absorptie van CHP en CHSP NP's was exotherm, dus de reactie was spontaan. De HSA-absorptie van CHAP NP's was gedeeltelijk endotherm en gedeeltelijk exotherm, wat mogelijk verband houdt met de positieve lading van CHAP.

Isotherme titratiecalorimetriegegevens voor HSA-titratie in a CHP, b CHSP, en c CHAP NP's bij 25 °C. De NP-concentratie in de cel (250 L) was 12 M en de eiwitconcentratie in de spuit was 230 M. Bovenste grafieken tonen onbewerkte gegevens en onderste grafieken tonen geïntegreerde heats

De enthalpiewaarde weerspiegelt de warmte die vrijkomt door de combinatie van HSA en NP's. De enthalpieveranderingen van CHP, CHSP en CHAP NP's door HSA waren respectievelijk 42,827, 80,3712 en 22,3951 KJ/mol (Tabel 2). Gecombineerd met de enthalpieverandering, de exotherme reactie, de chemische structuur van de amfifiele NP's en de negatieve lading van HSA, kan de hydrofobe interactie voornamelijk de HSA-interactie met CHP en CHSP NP's aansturen. Merk op dat in de HSA-titratie van CHAP de hitte een negatieve waarde bevatte. HSA-moleculen bevatten een hydrofobe pocket die kan worden gecombineerd met het hydrofobe centrum van de NP [43], dus de interactie die wordt veroorzaakt door de eerste vier druppels HSA en CHAP wordt voornamelijk aangedreven door hydrofobe krachten. Hoewel HSA negatief geladen is en CHAP positief geladen is, is er vanaf de vijfde druppel ook een ladingskracht tussen HSA en CHAP vanwege de endotherme aard van de reactie.

De waarde van entropieverandering kan de moeilijkheid van de reactie tussen HSA en NP's weerspiegelen. De entropieën van HSA en CHP, CHSP en CHAP NP's waren respectievelijk 0,251, 2,775 en 0,201 KJ/mol K (Tabel 2), dus CHP en CHAP NP's zijn gemakkelijker te binden aan HSA, terwijl CHSP NP's moeilijker te binden zijn. binden aan HSA.

De dekking van HSA en CHP, CHSP en CHAP NP's was respectievelijk 1,17, 0,404 en 0,845. De concentratie van NP's wordt berekend op basis van de concentratie van het polymeer in plaats van het aantal deeltjes. We weten niet hoeveel afzonderlijke polymeerdeeltjes een enkele NP bevatten, dus we kunnen niet precies bepalen hoeveel van elke NP door HSA wordt geadsorbeerd, maar op basis van de dekkingswaarde kunnen we concluderen dat WKK-NP's de hoogste adsorptie van HSA hebben.

In eerdere experimenten hebben we aangetoond dat de affiniteitswaarde, K A , weerspiegelt de sterkte van de bindende kracht tussen NP's en HSA [32]. Hoe sterker de hydrofobiciteit van WKK NP's, hoe sterker de affiniteit [44]. De bindingsconstante van HSA en CHP was 27,7 × 10 4 M −1 , die van HSA en CHSP was 1,41 × 10 4 M −1 , en die van HSA en CHAP was 412 × 10 4 M −1 . Dus de combinatie van HSA en positief geladen CHAP was het sterkst, gevolgd door neutraal geladen CHP en negatief geladen CHSP. De sterkste combinatie van HSA en CHAP kan worden toegeschreven aan de hydrofobe kracht, een wederzijdse aantrekking van de ladingskracht en waarschijnlijk een wederzijds uitsluitende lading tussen HSA en CHSP.

Fluorescentiespectroscopie

Met fluorescentiespectra hebben we de interactie tussen HSA en de drie NP's met verschillende oppervlakteladingen bestudeerd. HSA bevat 585 aminozuurresiduen, met slechts één Trp-residu op 214 (Trp214), en het fluorescentiespectrum ervan domineert in het UV-gebied. Wanneer andere moleculen een interactie aangaan met HSA, kan het fluorescentiespectrum van Trp veranderen, afhankelijk van de interactie tussen HSA en andere moleculen. Wanneer de drie NP's werden gemengd met HSA, onderging de maximale emissiepiek van het HSA-fluorescentiespectrum geen chemische verschuiving; alleen de intensiteit was tot op zekere hoogte verzwakt (figuur 6A). De maximale emissiepiek van HSA werd waargenomen wanneer HSA werd gecombineerd met CHAP NP's.

A Fluorescentiespectra voor HSA (1,5 × 10 − 5 mol/L) zonder (a) en met (b) CHSP, (c) CHP en (d) CHAP NP's met dezelfde concentratie (4,2 × 10 − 6 mol/l). B HSA-emissie-intensiteit met CHSP, CHP en CHAP NP's bij 343 nm in de tijd

Experimenteel onderzoek toonde aan dat het combineren van HSA en pullulan NP's een complex proces vertoonde [45]. We voegden de drie NP's toe aan de HSA-oplossing en ontdekten dat de fluorescentie-intensiteit van de drie NP-HSA-complexen geleidelijk afnam (figuur 6B). Het evenwicht werd bereikt voor HSA-CHSP bij 556,3 nm na 12 uur, voor CHP-HSA bij 534,3 nm na 10 uur en voor CHAP-HSA bij 512,3 nm na 8 uur. De vereiste tijd wanneer de fluorescentie-intensiteit van verschillende NP-HSA-complexen in evenwicht is, is gerelateerd aan de lading die door de NP wordt gedragen. De langste tijd die nodig was om evenwicht te bereiken werd waargenomen op negatief geladen CHSP-HSA, gevolgd door ongeladen CHP-HSA.

De snelle vermindering van de initiële fluorescentie-intensiteit van de drie NP-HSA-complexen (getoond in Fig. 6A) is te wijten aan de snelle adsorptie van NP's en HSA. De daaropvolgende fluorescentie-intensiteit vertoont een langzame afname tot de constante status omdat de interactie van NP's met HSA een langzaam proces van combinatie is. De constante fluorescentie-intensiteit weerspiegelt de verzadigingsstatus van de complexering. De interactie tussen de drie verschillend geladen NP's en HSA onderging een vroeg snel recombinatieproces en een later langzaam recombinatieproces. De combinatie van negatief geladen HSA met negatief geladen CHSP vergde een langere tijd om complexe verzadiging te bereiken in vergelijking met ongeladen CHP. Negatief geladen HSA gecombineerd met positief geladen CHAP vergde de kortste tijd om complexe verzadiging te bereiken.

Figuur 7A-C toont de spectra van HSA gecombineerd met verschillende concentraties CHSP, CHP en CHAP NP's om NP-HSA-complexen te vormen. Met toenemende concentratie van NP's nam de maximale absorptiepiek van het NP-HSA-complex af, wat een omgekeerde correlatie vertoont.

Fluorescentiespectra van HSA (1,5 × 10 − 5 mol/L) met CHSP (A ), WKK (B ), en CHAP (C ) bij verschillende concentraties (a) 0, (b) 2.07 × 10 −7 , (c) 3.31 × 10 −7 , (d) 4.14 × 10 −7 , (e) 8,28 × 10 −7 , (f) 20,7 × 10 −7 , (g) 33.1 × 10 −7 , en (h) 41,4 × 10 −7 mol/L. D Percelen (n = 7) voor F 0 /(F 0 − F) vs 1/[Q ], V is de concentratie van CHSP (–◆–), CHP (–■–) en CHAP (–▲–), respectievelijk

De positief geladen CHAP-HSA vertoonde de kortste tijd om evenwicht te bereiken.

We gebruikten een aangepaste Stern-Volmer-vergelijking om de fluorescentie-uitdovingsgegevens te analyseren:

$$ {F}_0/\left({F}_0-F\right)=1/{f}_{\mathrm{a}}+1/\left({f}_{\mathrm{a}} {K}_{\mathrm{q}}\left[Q\right]\right) $$

waar f een is de contactfractie van de fluorescerende stof met de quencher, K q is de uitdovingsconstante van Stern-Volmer, F 0 is de fluorescentie-intensiteit bij 342 nm zonder de quencher, F is de fluorescentie-intensiteit bij 342 nm met de quencher, en [Q ] is de concentratie van quencher.

Van de functionele afbeelding van F 0 /(F 0 − F ) paar 1/[Q ], we can obtain the values of f een and K q from the slope and the intercept (Fig. 7D). Assuming that the observed fluorescence intensity changes mainly due to the interaction between NPs and HSA, the quenching constant can be seen as a binding constant for the formation of complexes. The binding constants for HSA and CHSP, CHP, and CHAP molecules were 2.02, 2.99, 4.72 × 10 5 M −1 , respectievelijk. In the previous study, we discussed the interaction between HSA and CHP NPs with different hydrophobicity substitutions [30]. The hydrophobic interaction between HSA molecules and CHP cholesterol played an important role in the formation of CHP–HSA. The greater the hydrophobic substitution of CHP, the greater the binding constant of CHP and HSA.

In the present study, we found that the value of the binding constant (K b ) is related to the electrical properties of the NP. A surface with a positive charge, such as CHAP, has the largest K b , and a surface without a charge, such as CHP, has the second largest K b . The K b for CHSP, with a negative charge, was the lowest. Therefore, in addition to the hydrophobic interaction between NPs and HSA, the electrostatic interaction between them also plays an essential part in the formation of NP–HSA complexes.

In addition, the f een values for CHSP, CHP, and CHAP NPs were 0.269, 0.288, 0.38, respectively, so part of the Trp residue was involved in this reaction. Furthermore, the amount of HSA was too much at a given NP/HSA concentration, so free HSA molecules presented in the reaction system.

CD Spectrum Analysis

Figure 8A shows the CD spectra (a) free HSA, (b) CHSP–HSA, (c) CHAP–HSA, and (d) CHP–HSA in solution at 25 °C. The samples were complex I. There are two negative bands at 208 and 222 nm of the UV region in HSA spectra, which are the characteristic peaks of the α -helical structure. The α -helical content of free HSA was 55%. At the beginning of the complex, with the recombination of HSA and CHSP, CHAP, and CHP NPs, the α -helical content of HSA was reduced to 52.0%, 48.57%, and 48.0%, respectively.

A CD spectra for (a) free HSA, (b) CHSP–HSA, (c) CHAP–HSA, and (d) CHP–HSA in solution at 25 °C. The samples were complex I. B CD spectra for (a) free HSA, (b) CHSP–HSA, (c) CHAP–HSA, and (d) CHP–HSA in solution at 25 °C. The samples were complex II. C Ellipticity at 208 nm for HSA interacting with CHSP (–▲–), CHAP (–●–) and CHP (–■–) over time

Figure 8C shows that the ellipticity changes of the three samples at 208 nm over time. The ellipticity of HSA combined with CHAP and CHP NPs increased from 0 to 12 h and leveled off at 12 h, but that of HSA with CHSP NPs increased faster, i.e., the ellipticity increased from 0 to 9 h and leveled off at 9 h. Therefore, the ellipticity of the three samples gradually increased over time and the α-helical content gradually decreased; when the ellipticity maintained constant, the recombination of the sample and HSA was completed.

Figure 8C illustrates that the fastest surface absorption rate was presented on the combination of CHSP and HSA. The size, charge, and hydrophobicity of NPs can influence the migration rate of HSA to the center of NPs. The surface of CHP is not charged, the surface of CHSP is negatively charged, and the surface of CHAP is positively charged. Owing to the presence of the negative-charge mutual exclusion between CHSP and HSA, the resistance of HSA migrating to the CHSP NP center becomes larger. The traction of NPs on HSA is driven by the hydrophobic interaction forces. The traction of the three NPs on HSA is identical, so the lowest velocity of HSA migrating to the center of NPs was observed on the combination of HSA and CHSP NPs. Because the particle size is in the order of CHSP> CHAP> CHP, the particle density displays a reverse order, i.e., CHSP

The ITC results show that the amount of HSA migrating toward the center of CHSP NPs is the smallest but with the fastest speed compared with other types of NPs. Table 3 shows that the α-helix content of HSA migrating toward the center of CHP NPs was the lowest. The more the secondary structure of HSA was damaged, the faster the HSA migrated toward the center. The fastest speed was observed on HSA migrating to the center of CHSP NPs (Fig. 8C).

Figure 8B shows CD spectra for (a) free HSA, (b) CHSP–HSA, (c) CHAP–HSA, and (d) CHP–HSA in solution at 25 °C. The samples were complex II. After the complexation is completed, the α -helical content of HSA recombined with CHSP, CHAP, and CHP was reduced to 46.27%, 44.55%, and 42.91%, respectively (Table 3). With the increase in interaction time, the secondary structure of HSA was changed and the α -helical content was reduced during the process of complexation with NPs.

Drug Release

We measured the drug release rate of MTO with the three kinds of drug-loaded NPs and drug-loaded NP–HSA complexes. The drug release for free MTO was about 99.8% at 4 h (Fig. 9). The release rate in 48 h for CHP, CHAP, and CHSP NPs was 53.68%, 58.54%, and 63.24%, respectively. The drug release from all NPs was fast in the first 8 h, which was a burst release process, and the drug release remained stable after 12 h, which was a sustained release process. In vitro drug release from NPs is not affected by gastrointestinal pH and enzymes, and the dissolution of nanomaterials results in little drug release. The release is mainly determined by dissolution and diffusion [46]. The 48-h drug release rate was in the order of CHSP> CHAP> CHP, corresponding to the size of NPs. The fastest release rate was found on CHSP, which was negatively charged with the largest size. The second fast drug release rate was found on which was positively charged with the size smaller than CHSP. CHP was electrically neutral, and its drug release rate was minimal. Hence, the polymer surface groups involved in the formation of NPs affect the size of NPs and ultimately the drug release of NPs.

Mitoxantrone (MTO) release of pullulan NPs in phosphate-buffered saline (PBS) at 37 °C in vitro (□:free mitoxantrone, ○:CHP, △:CHAP, ▽:CHSP, ◁:CHAP–HSA,◇:CHP–HSA, ▷:CHSP–HSA)

The drug release rate from the combinations of HSA and CHAP, CHP, and CHSP in 48 h was 32.45%, 33.86%, and 35.76%, respectively. After the combination of NPs and HSA, the drug release in 48 h was significantly decreased as compared with HSA-free NPs, which was mainly attributed to the resistive effect and adsorption effect of HSA. At 48 h, the drug release of the compounds was in the order of CHSP–HSA> CHP–HSA> CHAP–HSA, while the drug release of HSA-free NPs was in the order of CHSP> CHAP> CHP. Although NP–HSA compounds showed significantly slow drug release, the total release of CHP-HSA decreased by 21.23% in 48 h, whereas the total release of CHAP-HSA decreased by 25.68% and that of CHSP-HSA by 28.48%. The drug release of the NPs is related to the size of the NPs and the polymer hydrophobic groups on NP surface. The adsorption of HSA can lead to significant slowdown in drug release, which is related to the hydrophobicity of NPs and also to the surface charge of NPs [46]. The adsorption of HSA is closely related to the size of the NPs and the degree of substitution of the hydrophobic groups of the polymer during the self-assembly process. Nevertheless, the drug release of the NPs is ultimately determined by the properties of the NP itself.

Discussion

As shown in Fig. 10, the formation of the NP–HSA complex is driven by a hydrophobic force between cholesterol groups of the particle core and the aromatic amino acid of the hydrophobic domain of HSA. After mixing, HSA interacts with the surface cholesterol unit and is rapidly adsorbed to the NP surface. Then, the adsorbed HSA on the NP surface is processed because of the hydrophobic forces derived from the cholesteric unit in the particle core. When overcoming the steric hindrance of polysaccharide chains in the NP shell, the adsorbed HSA gradually migrates to the core. After the hydrophobic interaction and resistance of the hydrophilic polysaccharide chain are balanced, the HSA molecule enters the particle core to become hydrophobically bound to cholesterol groups to form the NP–HSA complex.

Adsorption of HSA to NPs

For CHAP and CHSP NPs, the recombination of HSA is a complex process also subjected to the charge interaction with HSA under the traction of the hydrophobic driving force. The binding constants of the three kinds of NPs with the same hydrophobic substitution and different surface charge were in the order of CHAP> CHP> CHSP. The electrical properties also play a major part in the formation of NP–HSA. In this process, the formation of the CHSP–HSA complex was blocked by the structure of the NP shell and the repulsive force between the negative charges, which led to their loose connection. During the rapid adsorption and slow recombination, the degree of spiraling of HSA is lower for CHSP NPs than CHP NPs and CHAP NPs. Therefore, the surface charge of NPs not only changes the nature of the particles themselves but also affects the protein complex.

In the current study, we investigated the effect of NP surface charge on the interaction between NPs and proteins (Fig. 10). Three different charges of pullulan NPs with HSA adsorption still showed rapid adsorption and slow recombination. The number of HSA molecules with positively charged CHAP complex was the most, including rapid adsorption of NP–HSA by hydrophobic forces, HSA molecule migration to the center, and the HSA molecules adsorbed on the surface of NPs by charge action. CHP- and CHSP-adsorbed HSA molecules were mainly distributed in the hydrophobic center of NPs, with CHSP adsorbing fewer HSA molecules. The adsorbed number of HSA molecules is related to the hydrophobicity of NPs. The greater the degree of substitution of hydrophobicity, the more HSA is adsorbed [41]. The cholesterol substitutions of the three NPs were the same, and the number of HSA molecules adsorbed by positively charged NPs was the highest, so the adsorption of NPs and HSA was related to the hydrophobicity and surface charge of the NPs.

The surface adsorption capacity between NPs and HSA is also related to the hydrophobicity and charge of NPs. The binding force between HSA and NPs is determined by the hydrophobicity, surface charge, size, and structure of NPs. The α-helicity was decreased most at the beginning of adsorption and the complete CHP–HSA complex. CHP NP has the smallest size and highest density. The CHP NPs migrated toward the center by the hydrophobic traction; the sugar chain of the CHP NP shell was larger to inhibit the migration toward the center. The extension of the peptide chain of HSA is larger, with the α -helix decreased the most. Although CHAP NPs have hydrophobic and charge forces, they possess relatively large size, loose structure, small resistance in the periphery, small extension of the peptide chain, and small content of the α -helix. Some HSAs remained on the surface of NPs through the charge force of adsorbing, and the α -helical content is also smaller in this part of the HSA. The α -helix content of CHAP decreased less than that of CHP, mainly due to the peptide chain extension-induced central pulling force which led to α-helix content decline. During the process of the CHSP and HSA complexation, the role of the central pulling force has a reverse direction of the charge force, thereby resulting in weakening the center of the migration force. CHSP NPs are larger than CHAP NPs, and the structure of CHAP NPs is loose. Because the adsorbed number of HSA on CHAP is higher than that on CHSP, the decrease of α -helicity in CHSP is less than that in CHAP NPs. Therefore, the interaction between NPs and HSA and the decrease in α -helicity are all related to the size, density, hydrophobicity of substitution, surface charge of the NPs, and number of HSA connections.

After the NPs enter into the blood, protein adsorption affects the functions of NPs, such as the slow and controlled drug release, the travel from the blood circulation passing through the vascular barrier, targeting tissue, and entering cells. NPs interact with the HSA in the body and affect the in vivo behavior of NPs. The number of adsorbed proteins is closely related to the properties of the NPs. HSA adsorbs NPs, which affects the distribution in organs and removal of NPs, thereby altering the concentration of the drug in the body and the efficacy of the drug.

Finally, the properties of NPs, such as size, hydrophobicity, and surface charge, affect the drug release of NPs in vivo. We can design specific materials to perform specific functions with specific protein adsorption.

Conclusions

In this study, three kinds of nano-drug carriers were constructed, CHP, CHSP, and CHAP. The size, charge, drug loading properties of NPs, interaction between NPs and HSA, and drug release were all closely related to charge amount and charge type of nanomaterials. With the same degree of substitution of hydrophobicity, CHAP NPs with larger amino substitutions were the largest, CHSP NPs the second largest, and CHP NPs the smallest. The size and surface charge of the NPs were essential to the coverage of HSA, the binding constant, and the slow drug release. The positively charged CHAP binding constant was the strongest, showing the fastest drug release, and CHP NPs had the highest coverage. The combination of HSA further retarded the drug release of NPs. CHAP NPs adsorbed HSA had the slowest drug release rate.

Afkortingen

CH:

Cholesteric hydrophobically

CHAP:

CH-modified animated pullulan

CHP:

Cholesteric hydrophobically (CH) modified pullulan

CHSP:

CH-modified carboxylated pullulan

DMSO:

Dehydrated dimethyl sulfoxide

HSA:

Human serum albumin

K b :

The binding constant

MTO:

Mitoxantrone

NP:

Nanoparticle


Nanomaterialen

  1. Complexe spannings- en stroomberekeningen
  2. Nanovezels en filamenten voor verbeterde medicijnafgifte
  3. Biocompatibele FePO4-nanodeeltjes:medicijnafgifte, RNA-stabilisatie en functionele activiteit
  4. Afstemming van oppervlaktechemie van polyetheretherketon door gouden coating en plasmabehandeling
  5. Vorming en lichtgevende eigenschappen van Al2O3:SiOC-nanocomposieten op basis van aluminiumoxide-nanodeeltjes gemodificeerd door fenyltrimethoxysilaan
  6. De oppervlaktemorfologieën en eigenschappen van ZnO-films afstemmen door het ontwerp van grensvlakken
  7. Elektrospinnen op isolerende ondergronden door de bevochtiging en vochtigheid van het oppervlak te regelen
  8. De koppelingseffecten van oppervlakteplasmonpolaritons en magnetische dipoolresonanties in metamaterialen
  9. 5-aminolevulinezuur-squaleen nanoassemblages voor tumorfotodetectie en therapie:in vitro studies
  10. Invloed van elastische stijfheid en oppervlakteadhesie op het stuiteren van nanodeeltjes
  11. Afhankelijkheid van de toxiciteit van nanodeeltjes van hun fysische en chemische eigenschappen