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]:
$$ \mathrm{DS}=\frac{A_{\partial 2.53}}{4\left({A}_{\partial 4.74}+{A}_{\partial 5.01}\right)} $$Nanomaterialen
- Complexe spannings- en stroomberekeningen
- Nanovezels en filamenten voor verbeterde medicijnafgifte
- Biocompatibele FePO4-nanodeeltjes:medicijnafgifte, RNA-stabilisatie en functionele activiteit
- Afstemming van oppervlaktechemie van polyetheretherketon door gouden coating en plasmabehandeling
- Vorming en lichtgevende eigenschappen van Al2O3:SiOC-nanocomposieten op basis van aluminiumoxide-nanodeeltjes gemodificeerd door fenyltrimethoxysilaan
- De oppervlaktemorfologieën en eigenschappen van ZnO-films afstemmen door het ontwerp van grensvlakken
- Elektrospinnen op isolerende ondergronden door de bevochtiging en vochtigheid van het oppervlak te regelen
- De koppelingseffecten van oppervlakteplasmonpolaritons en magnetische dipoolresonanties in metamaterialen
- 5-aminolevulinezuur-squaleen nanoassemblages voor tumorfotodetectie en therapie:in vitro studies
- Invloed van elastische stijfheid en oppervlakteadhesie op het stuiteren van nanodeeltjes
- Afhankelijkheid van de toxiciteit van nanodeeltjes van hun fysische en chemische eigenschappen