4. Nanożele i mikrożele polimerowe
4.3. Modyfikacja nanożeli materiałem biologicznym
Aby poszerzy właściwości nanożeli często można zastosować różnego typu modyfikacje. Szczególnie popularne jest łączenie nanomateriałów z cząstkami biologicznie czynnymi, które poprawiają ich biodostępność i zmniejszają cytotoksyczność ustrojową.
Projektuje się nośniki skoniugowane z różnego typu ligandami powinowactwa, przeciwciałami, aptamerami lub innymi cząsteczkami o swoistości rozpoznawania molekularnego. Dzięki temu możliwe jest skierowanie nośnika leku w miejsce konkretnych tkanek wytwarzających markery chorobowe i tam uwolnienie substancji czynnej [203].
Biokoniugaty nanożeli to systemy o złożonej i zorganizowanej strukturze, których projektowanie wymaga wielu działań na poziomie molekularnym. Muszą spełniać szereg wymagań takich jak: jednolita wielkość i skład, biozgodność a przede wszystkim możliwość kontroli zmian ich właściwości w warunkach fizjologicznych. Przygotowanie tego typu systemów wymaga użycia ostatnich osiągnięć chemii polimerów w tym szerokiego wachlarza syntez i metod polimeryzacji oraz chemii koniugacji i aktywacji. Modyfikacje materiałem biologicznym mogą zachodzić na drodze trzech mechanizmów:
modyfikacji typu fizycznego – przy wykorzystaniu oddziaływań niekowalencyjnych takich jak: oddziaływania hydrofobowe, wiązania wodorowe, odziaływania elektrostatyczne oraz absorbcja na powierzchni struktury nanożelu,
modyfikacji typu chemicznego (strukturalnych) - przy wykorzystaniu wiązań kowalencyjnych pomiędzy modyfikatorem, a siecią polimerową nanożelu,
samoorganizacji materiału biologicznego na powierzchni nanożelu.
Modyfikacje z wytworzeniem wiązań kowalencyjnych można prowadzić bezpośrednio podczas syntezy nanożelu jak i również po syntezie i odczyszczeniu gotowych nanożeli. Aby wprowadzić substancje biologiczne do sieci nanohydrożelu wykorzystuje się różnego typu grupy funkcyjne. Są to między innymi: grupy akrylowe, karboksylowe czy aminowe. Często
52
stosowaną metodą biokonjugacji nanożeli na bazie N-izopropyloakryloamidu i jego kopolimerów jest kowalencyjne włączenie cząstek biologicznych (enzymów, białek, oligonukleotydów) wcześniej zmodyfikowanych grupami akrylowymi [204,205].
Innego typu modyfikacje nanożeli polegają na kowalencyjnym wprowadzaniu leków do ich sieci. Zsyntezowano między innymi usieciowane nanożele na bazie glikolu etylenowego i kwasu metakrylowego z kowalencyjnie włączonym lekiem przeciwnowotworowym cis - platyną. Lek był włączony do sieci za pomocą grup karboksylowych. Badania nad tego typu nośnikami leków wykazały dużą skuteczność przeciwnowotworową wyrażaną poprzez cytotoksyczność na modelu mysim. Nanożele te charakteryzowały się przedłużonym czasem krążenia we krwi oraz zwiększoną akumulacją w okolicy miejsc nowotworowo zmienionych [206].
W literaturze opisano również kowalencyjne włączanie białek do nanożeli. Grupa badawcza Matsumoto opracowała usieciowane nanożele na bazie metaakrylanu eteru glikolu etylenowego w koniugacie z albuminą surowicy bydlęcej (BSA). Tego typu nanosystem może być wykorzystywany jako skuteczna platforma do dostarczania leków o charakterze lipofilowym. Cząsteczki lipofilowych leków mogą być wiązane zarówno wewnątrz i jak i na zewnątrz białek włączonych do sieci nanohydrożelu. Tego typu układ zapewnia ochronę dla substancji czynnej jak i również dostarczenie i efektywne uwolnienie w miejscu docelowym [207].
Często do akumulacji leków bądź innych substancji czynnych stosowane są wiązania niekowalencyjne, które są ściśle związane ze strukturą i właściwościami danego typu nanożelu.
Do fizycznej akumulacji leków wewnątrz nanożeli stosowany jest szereg technik takich jak:
dializa, nanoprecypitacja, odparowanie rozpuszczalnika czy wymiana rozpuszczalnika.
Wydajność kapsułkowania leku jest różna dla każdego nanosystemu i zależy od rodzaju oddziaływań pomiędzy polimerową matrycą i wprowadzoną substancją aktywną. Ważne jest odpowiednie dobranie nośnika do leku, aby odziaływania pomiędzy matrycą i lekiem były jak największe. Stosowane są odziaływania elektrostatyczne polegające na przyciąganiu się różnoimiennych ładunków nanożelu i zakumulowanego leku jak i również odziaływania hydrofobowe związane z charakterem chemicznym wprowadzanej substancji.
W literaturze można znaleźć wiele przykładów fizycznej akumulacji leków do nanożeli.
Odziaływania hydrofobowe zostały wykorzystane do fizycznej akumulacji insuliny do nanożelu na bazie pullanu i cholesterolu. Po akumulacji otrzymano stabilny koloid o średnicy cząstek między 20-30 nm. Tego typu nośnik chronił lek przed degradacją enzymatyczną [208].
Odziaływania hydrofobowe zostały wykorzystane również do akumulacji siRNA wewnątrz
53
nanożeli opartych na kwasie hialuronowym (HA). Terapeutyczne RNA zostało zakumulowane podczas procesu polimeryzacji emulsyjnej dzięki obecności hydrofobowych łańcuchów w sieci nanożeli. Jednak tego typu fizyczne wiązanie cząsteczek RNA okazało się mało wydajne.
Stopień obciążenia nanożelu substancją bioaktywną wynosił zaledwie 10% [209].
Odziaływania elektrostatyczne zostały wykorzystane między innymi do sprzęgania nanożeli z cząsteczkami kwasów nukleinowych. Zsyntezowane zostały nanożele na bazie poli (metaakrylanu glicydylu) zmodyfikowanego etylenodiaminą. W celu zwiększenia transfekcji pDNA i siRNA wprowadzono dodatkowo naturalny przeciwutleniacz kwas liponowy i sieciowano nanożel za pomocą redukujących wiązań disiarczkowych. Zsyntezowane nanożele skupiały na sobie ładunek dodatni, co umożliwiło elektrostatyczną akumulację kwasów nukleinowych posiadających ładunek ujemny. Wykazano zwiększoną akumulację materiału genetycznego wewnątrz nanożeli zmodyfikowanych etylenodiaminą w stosunku do tych niezmodyfikowanych. Nanożele dostarczały siRNA z wysoką wydajnością do komórek wątroby i wykazały proliferację obecnych tam komórek nowotworowych. Praca ta wykazała, że redukujące nanocząstki kationowe zawierające kwas liponowy są wysoce konkurencyjne do wysoko wydajnych układów dostarczania kwasów nukleinowych [210].
Ostatnim typem modyfikacji nanożeli materiałem biologicznym jest samoorganizacja.
Polega ona na samoistnym układaniu się nanocząstek opartych na polielektrolitach z przeciwnie naładowanymi biocząsteczkami. Samoorganizacja jest procesem, w którym składniki biologiczne organizują się poprzez dyfuzję w strukturze polimerowej i tworzą stabilne agregaty.
Interakcje pomiędzy matrycą a cząsteczkami biologicznymi są słabe, jednak, ze wzglądu na dużą ich liczbę, mają wpływ na właściwości strukturalne i konformacyjne otrzymanego biokonjugatu [211]. Przykładem tego typu procesu może być nanokompozytowy materiał zbudowany z hydrofilowych sieci polimerów niejonowych i kationowych. Nanożele te składały się z poli(tlenku etylenu) i poli(etylenoiminy) z anionowym środkiem powierzchniowo czynnym. Tego typu nanosystemy posłużyły do samoorganizacji, wewnątrz ich struktury, trudno rozpuszczalnych cząsteczek kwasu reinowego (RA) i indometacyny. Unieruchomienie w nich cząsteczek biologicznych było możliwe dzięki oddziaływaniom elektrostatycznym pomiędzy ujemnie naładowanymi cząsteczkami amfifilowymi kwasu a polikationowymi łańcuchami nanożelu jak i odziaływaniom hydrofobowym cząsteczek leku przyłączonego do niepolarnych kompleksów wewnątrz sieci. Tego typu samoorganizujące się materiały łączą ze sobą właściwości nanocząstek jak i kompleksów polimerowo-surfaktantowych. Wykazują one alternatywę dla miceli polimerowych szeroko stosowanych w biomedycynie do dostarczania leków o charakterze amfifilowym [212].
54
Innego typu przykładem samoorganizacji może być samoistne tworzenie się nanożeli z kwasu hialuronowego sprzężonych z hydrofobowym lekiem przeciwbakteryjnym tetradecyloaminą. Ze względu na amfifilowy charakter kwasu zaobserwowano samoistne tworzenie się koniugatów kwasu i leku w fazie wodnej. Średni rozmiar nanocząstek ulegał zmniejszeniu wraz ze wzrostem ilości tertradecyloaminy, co wskazywało, że większa ilość ugrupowań hydrofobowych w koniugacie umożliwia tworzenie wewnętrznych hydrofobowych rdzeni. Tego typu koniugaty mogą tworzyć się w warunkach dużego rozcieńczenia, zachowując swoją strukturę micelarną. Ma to duże znaczenie w wykorzystaniu ich jako nośników leków, które zanim osiągną miejsce docelowe ulegają silnemu rozcieńczeniu w płynach ustrojowych [213].