Polimersomy do dostarczania leków
Joe Collins, Ayana Bhaskaran, Luke Andrew Connal
Department of Chemical Engineering,Melbourne School of Engineering The University of Melbourne, Parkville 3010 Victoria, Australia
Material Matters, 2017, 12.2
Wprowadzenie
Rozwój leków ukierunkowanych na konkretne miejsca w ludzkim ciele pozostaje jednym z największych wyzwań w dzisiejszej biomedycynie. Większość obecnie podawanych leków nie ma możliwości celowania w określone tkanki lub komórki. Niespecyficzne działanie leku na zdrowe komórki może prowadzić do poważnych skutków ubocznych, drastycznie obniżając jakość życia pacjenta. Na przykład chemioterapia zazwyczaj prowadzi do poważnych skutków ubocznych, takich jak wypadanie włosów, utrata wyściółki jelit, powstawanie wrzodów, nudności i inne. Specyficzne ukierunkowanie leku może potencjalnie zmniejszyć lub wyeliminować skutki uboczne i pozwolić na zmniejszenie wymaganej dawki, zmniejszając w ten sposób koszty, jednocześnie zwiększając skuteczność terapeutyczną i poprawiając jakość życia. Chociaż nowoczesne metody dostarczania leków poprawiły selektywność, nadal istnieją istotne problemy, takie jak degradacja leku, niska biodostępność i ograniczony czas krążenia. Idealny system dostarczania leków powinien oferować stabilność, ukierunkowanie na określone miejsce w organizmie i kontrolowane uwalnianie po dostarczeniu do miejsca docelowego.
Polimersomy, koloidalne puste kule składające się z wodnego rdzenia otoczonego polimerową dwuwarstwową membraną, są obiecującymi kandydatami do systemów dostarczania leków nowej generacji (Rysunek 1). Inspirowane naturą, polimersomy są syntetycznymi analogami liposomów występujących we wszystkich żywych komórkach. Powstałe w wyniku samoorganizacji cząsteczek amfifilowych, polimersomy są zdolne do transportu cząsteczek hydrofilowych (załadowanych w wodnym rdzeniu polimersomów), cząsteczek hydrofobowych (załadowanych w dwuwarstwowej błonie) lub kombinacji obu - umożliwiając większe działanie terapeutyczne niż pojedynczy lek (Rysunek 1).1 Polimersomy charakteryzują się zwiększoną wytrzymałością, zmniejszoną przepuszczalnością błony,2 i posiadają niewielką lub żadną immunogenność (jeśli są prawidłowo zaprojektowane).3 Te blokowe pęcherzyki kopolimerowe mogą osiągnąć ukierunkowane dostarczanie leków poprzez funkcjonalizację powierzchni ligandami dla określonych receptorów komórkowych (np, białka, węglowodany lub małe cząsteczki). Kontrolowane uwalnianie leku z kapsułek polimerowych można osiągnąć poprzez włączenie chemii reagującej na bodźce. Ze względu na te zalety, polimersomy były szeroko badane w różnych zastosowaniach biomedycznych, takich jak dostarczanie leków,3,4 dostarczanie genów i białek,5 obrazowanie,6 i diagnostyka.7 Ten artykuł skupi się w szczególności na polimersomach do dostarczania leków.
Synteza polimersomów zostanie omówiona, a następnie przegląd funkcjonalizacji powierzchni w celu osiągnięcia ukierunkowania polimersomów i włączenia dynamicznej lub reagującej na bodźce chemii do kontrolowanego uwalniania leków.
Rysunek 1. Schemat podkreślający zalety polimersomów w dostarczaniu leków. Funkcjonalizacja powierzchni polimersomów za pomocą węglowodanów, białek lub małych cząsteczek pozwala na kierowanie polimersomów do określonych miejsc w organizmie (zielona ramka). Stymulujące uwalnianie leku pozwala na kontrolowane dostarczanie leku (niebieska ramka) hydrofilowych cząsteczek leku, załadowanych do rdzenia polimerów (różowa ramka) i hydrofobowych cząsteczek leku, załadowanych do dwuwarstwy błony polimerów (pomarańczowa ramka).
Proces wytwarzania: Projektowanie, synteza i kapsułkowanie leków
Rozwój technik kontrolowanej polimeryzacji rodnikowej (CRP), takich jak polimeryzacja z udziałem nitroksydów (NMP), odwracalna polimeryzacja z przeniesieniem łańcucha addycji i fragmentacji (RAFT) oraz polimeryzacja rodnikowa z przeniesieniem atomu (ATRP), umożliwił syntezę dobrze zdefiniowanych, amfifilowych polimerów (na przykład PS-b-PAA, rysunek 2A). Dzięki CRP można syntetyzować polimery o precyzyjnej masie cząsteczkowej, niskiej dyspersji (Đ) i określonej architekturze. Przykłady obejmują kopolimery blokowe (BCP), kopolimery trójblokowe i polimery szczepione. Szeroki zakres polimerów amfifilowych został z powodzeniem zsyntetyzowany za pomocą CRP i wykazano, że samoorganizują się w interesujące struktury, takie jak kule/micelle, cylindry i polimersomy.8
Rysunek 2. Reprezentatywna synteza BCP poprzez polimeryzację RAFT i samoorganizację BCP w polimersomy, a także stabilizację polimersomów poprzez sieciowanie. A) Hydrofobowy blok polistyrenu (PS) jest wytwarzany przez polimeryzację RAFT. Z tego powstaje hydrofilowy blok polimeru poli(kwasu akrylowego) (PAA). Samoorganizacja PS-b-PAA BCP daje kapsułki polimerowe. B) Sieciowanie może być wykorzystane do zwiększenia stabilności polimersomów reprezentowanych tutaj przez tworzenie amidów między łańcuchami poli(kwasu akrylowego).
Samoorganizacja BCP w roztworze jest regulowana przez parametr upakowania (p). Parametr upakowania może być wykorzystany do wskazania, jaka struktura zostanie utworzona po samoorganizacji, biorąc pod uwagę objętość łańcucha hydrofobowego (v), powierzchnię międzyfazową na cząsteczkę (a) i długość łańcucha hydrofobowego (l) (Równanie 1). Różne struktury mieszczą się pomiędzy różnymi wartościami p ; jeśli p<1/3 utworzą się struktury sferyczne, pomiędzy 1/3<p<1/2 utworzą się cylindry, a 1/2<p<1 utworzą się polimersomy.
Równanie 1. Parametr upakowania amfifilowych BCP.
Synteza polimersomów zwykle polega na powolnym dodawaniu wybranego rozpuszczalnika do rozpuszczonego roztworu zawierającego amfifil. Wraz ze zmianą właściwości rozpuszczalnika, amfifile samoorganizują się, aby zminimalizować niepożądane interakcje rozpuszczalnik-polimer. Opracowano szereg technik przygotowania i charakterystyki polimersomów.8
Ponieważ tylko siły niekowalencyjne regulują montaż i stabilność polimersomów, te struktury supramolekularne są z natury niestabilne, co jest wzmacniane po wprowadzeniu do obszarów masywnego rozcieńczenia, takich jak strumień krwi. Stabilność polimersomów można zwiększyć poprzez kowalencyjne sieciowanie hydrofobowego rdzenia, hydrofilowej powłoki lub interfejsu rdzeń-powłoka. Sieciowanie zostało opisane przy użyciu różnych chemikaliów, w tym amidu, disiarczku, promieniowania UV i sprzęgania karbodiimidowego. Te i inne sposoby sieciowania polimersomów zostały omówione wcześniej.3,4
Polimersomy cieszą się dużym zainteresowaniem w zastosowaniach związanych z dostarczaniem leków ze względu na wysoką zdolność do ładowania leków i zdolność do przenoszenia zarówno hydrofilowych, jak i hydrofobowych cząsteczek. Cząsteczki hydrofobowe integrują się z niewodną dwuwarstwą błony, a cząsteczki hydrofilowe są wychwytywane wewnątrz wodnego rdzenia. Szeroki zakres cząsteczek hydrofobowych i hydrofilowych został z powodzeniem załadowany do polimersomów.3,4 Konkretne przykłady obejmują białka błonowe, leki hydrofobowe (np. paklitaksel), cząsteczki hydrofobowe (np. kamptotecyna, produkt nr, kamptotecyna, produkt nr C9911) i leki hydrofilowe (np. chlorowodorek doksorubicyny [DOX HCl], produkt nr D1515). Zdolność do jednoczesnego ładowania zarówno hydrofobowych, jak i hydrofilowych cząsteczek do polimersomów często skutkuje znacznie większym efektem terapeutycznym niż pojedynczy lek. W raporcie Thambi i wsp. opisano syntezę polimersomu reagującego na redoks, składającego się z kopolimeru trójblokowego PEG-b-PLys-SS-PCL, który został z powodzeniem załadowany DOX HCl (w rdzeniu wodnym) i kamptotecyną (w dwuwarstwie błony). Wyższą cytotoksyczność odnotowano, gdy zastosowano polimersom z podwójnym ładunkiem leku w porównaniu do pojedynczego podania samego leku.1
Ogólnie rzecz biorąc, uwalnianie leku z polimersomów zachodzi poprzez bierną dyfuzję, napędzaną gradientami stężeń. Szybkość dyfuzji może być regulowana poprzez modyfikację grubości błony dwuwarstwowej, sieciowanie kowalencyjne i kontrolę nad składem amfifilowym. W celu przezwyciężenia problemów związanych z niespecyficznym uwalnianiem leków, opracowano wiele polimersomów reagujących na bodźce, aby osiągnąć kontrolowane dostarczanie leków do miejsc docelowych.
Funkcjonalizacja dla ukierunkowanego dostarczania leków
Polimersomy do ukierunkowanego dostarczania leków posiadają powierzchnie sfunkcjonalizowane specyficznymi grupami docelowymi i/lub ligandami. Szereg cząsteczek zostało zbadanych jako ligandy celujące (Tabela 1).
Koniugację cząsteczek celujących na powierzchni polimersomów można osiągnąć na dwa sposoby. W pierwszej metodzie, ligand celujący jest sprzężony z grupami aktywnymi znajdującymi się na powierzchni polimeromu po jego utworzeniu (Rysunek 3A). Alternatywnie, ligand celujący jest sprzężony z polimerem amfifilowym przed utworzeniem polimersomu. Sfunkcjonalizowany polimer jest następnie łączony w ostateczną strukturę polimeromu z ligandem celującym na jego powierzchni (Rysunek 3B). Oba podejścia są wykonalne dla małych cząsteczek i peptydów; jednak większe cząsteczki, takie jak polisacharydy i białka, muszą być włączone po utworzeniu polimersomu, ponieważ mogą one zakłócać samoorganizację cząsteczek kopolimeru w polimersomy.
Rysunek 3. Strategie włączania grup docelowych do powierzchni polimerów. A) Grupy docelowe mogą być dodawane do grup reaktywnych znajdujących się na powierzchni polimerów po ich utworzeniu. Proces ten został tutaj zilustrowany poprzez sprzężenie alkilofunkcjonalizowanej grupy docelowej z grupami azydkowymi znajdującymi się na powierzchni polimeromu. B) Alternatywnie, grupa docelowa może być sprzężona z polimerem amfifilowym przed utworzeniem polimersomu. Funkcjonalny polimer jest następnie samoorganizowany w końcową strukturę polimersomu, która wyświetla grupy docelowe na swojej powierzchni. Proces ten został tutaj zilustrowany poprzez sprzężenie cząsteczki cukru z kopolimerem blokowym, który jest następnie samoorganizowany w polimersom z grupami cukrowymi na jego powierzchni.
Podjęto kilka prób koniugacji ligandów na wstępnie uformowanych polimersomach za pomocą chemii typu click.20,21 Ze względu na ich wysoką wydajność i ortogonalność, reakcje typu click są skuteczną metodą osiągnięcia wysokiego stopnia funkcjonalizacji powierzchni. Na przykład, van Hest i współpracownicy zsyntetyzowali polimersomy składające się z funkcjonalizowanego azydkiem amfifilowego kopolimeru polistyrenublok i poli(kwasu akrylowego) (PS-b-PAA-N3).20 Reakcja azydku-alkilu katalizowana miedzią (CuAAC) została następnie wykorzystana do związania alkilowej fluorescencyjnej sondy dansylowej i/lub biotyny na powierzchni polimersomu, umożliwiając skuteczną funkcjonalizację powierzchni.20 Martin i in. również wykorzystali reakcję CuAAC do koniugacji alkilofunkcyjnych dendrytycznych i niedendrytycznych pochodnych mannozy na polimeromach składających się z azydkowo-funkcyjnego poli(butadieno-blokowego tlenku etylenu-N3) BCP.21 Pochodne dendrytyczne wykazywały dwukrotnie wyższe powinowactwo wiązania do konkanawaliny A niż pochodne niedendrytyczne.21
Jak wspomniano wcześniej, docelowe ligandy mogą być szczepione na końcu amfifilowego BCP przed utworzeniem polimersomu. Ponieważ stosunek funkcjonalnych do niefunkcjonalnych BCP może być kontrolowany, gęstość powierzchniowa ligandu celującego w końcowym zespole polimersomu może być również łatwo regulowana. Jest to przewaga nad funkcjonalizacją po utworzeniu polimerów, w której kontrola nad stopniem funkcjonalizacji powierzchni jest znacznie bardziej ograniczona. Wykorzystując strategię funkcjonalizacji prepolimerów, Kim i wsp. z powodzeniem udało się ukierunkować bakterie E. coli za pomocą funkcjonalizowanego mannozą kopolimeru tetra(p-fenylenu)-blok-PEG. Stwierdzono, że samoorganizujące się polimersomy wykazują 800-krotny wzrost powinowactwa wiązania do E. coli pili w porównaniu do niefunkcjonalizowanych polimersomów.22
Podjęto znaczne wysiłki w celu poprawy siły działania chemioterapii poprzez ukierunkowanie aktywnego leku na miejsce guza. Polimersomy zostały z powodzeniem wykorzystane do celowania w różne miejsca w organizmie, takie jak ośrodkowy układ nerwowy (OUN), mózg, ślimak i makrofagi (Rysunek 4).8 Niektóre receptory na powierzchni komórek ulegają nadmiernej ekspresji w ludzkich liniach komórek nowotworowych, w tym w komórkach raka piersi, prostaty, jelita grubego i płuc.3,8 Można to wykorzystać do celowania w polimersomy poprzez koniugację specyficznych ligandów wiążących na powierzchni polimersomu. Alternatywnie, wiele nowotworów wykazuje nadekspresję pewnych enzymów. Staranne zaprojektowanie kopolimerów blokowych, w których bloki polimerowe są połączone za pomocą grup rozszczepialnych przez enzymy, umożliwia specyficzne uwalnianie leku po wejściu polimersomu do komórki docelowej. Jung i wsp. opracowali biodegradowalne polimersomy z kopolimerów diblokowych metoksy-poli(glikolu etylenowego) i poli(d,l-laktydu), z łączącą sekwencją peptydową Gly-Phe-Leu-Gly-Phe (GFLGF), która jest rozszczepialna przez enzymy lizosomalne obecne w komórkach nowotworowych.14 Endocytoza, w której pośredniczy przeciwciało, a następnie rozszczepienie sekwencji peptydowej w powstałym polimerze (mPEG-GFLGF-PDLLA), prowadzi do rozpuszczenia polimersomu i jednoczesnego uwalniania leku.
Rysunek 4. Sfunkcjonalizowane polimersomy są wykorzystywane do zastosowań diagnostycznych i terapeutycznych. Ukierunkowane dostarczanie leków do różnych narządów jest głównym przedmiotem badań nad chorobami neurodegeneracyjnymi, leczeniem raka, niedosłuchem odbiorczym, infekcjami i stanami zapalnymi wykrytymi odpowiednio w OUN, mózgu, komórkach nowotworowych, ślimaku i makrofagach.
Po skierowaniu polimersomów do określonych miejsc, kapsułkowany lek musi zostać uwolniony, aby osiągnąć efekt terapeutyczny.
Responsywne uwalnianie leków
Poprzez włączenie różnych dynamicznych lub responsywnych substancji chemicznych do polimerowych bloków budulcowych, polimersomy mogą być zaprojektowane tak, aby uwalniać swój ładunek po zastosowaniu różnorodnych bodźców. Zdolność do wyzwalania uwalniania leku w miejscach docelowych pozwala na lepszą aktywność leku i minimalizację niepożądanych skutków ubocznych. Ogólnie rzecz biorąc, stymulujące uwalnianie leku z polimerów jest osiągane poprzez trzy mechanizmy: rozszczepienie grupy reagującej na bodziec łączącej bloki polimerowe (Rysunek 5, kolor czerwony), degradację wiązań międzycząsteczkowych pomiędzy jednostkami monomeru w bloku polimerowym (Rysunek 5, kolor niebieski) lub poprzez zmianę elektrostatyczną w jednym z bloków polimerowych skutkującą przejściem ze stanu hydrofobowego do hydrofilowego (Rysunek 5, kolor zielony). Wszystkie trzy mechanizmy prowadzą do rozpuszczenia lub degradacji polimerosomu i uwolnienia zamkniętego w nim ładunku.
Rysunek 5. Degradacja/rozpad polimersomów poprzez rozszczepienie bloku polimerowego (czerwony), degradację polimeru (niebieski) lub poprzez zmianę elektrostatyczną (zielony).
Zgłoszono wiele przykładów bodźców w celu osiągnięcia uwalniania leku z polimersomów, takich jak pH, redoks, reakcja z reaktywnymi formami tlenu lub glukozą, lub poprzez zastosowanie zewnętrznych bodźców, takich jak pole magnetyczne, ultradźwięki lub światło. Kilka ostatnich kompleksowych przeglądów opisało syntezę i zastosowania polimerów reagujących na bodźce.3,4 Trzy najczęściej badane bodźce to pH, potencjał redoks i światło. Dwa z nich opierają się na naturalnie występujących gradientach fizjologicznych (pH i potencjał redoks), podczas gdy drugi opiera się na zastosowaniu bodźca zewnętrznego (światło).
Rozwój polimersomów reagujących na pH spotkał się z dużym zainteresowaniem ze względu na naturalnie występujące gradienty pH w organizmie. Fizjologiczne pH jest zrównoważone wokół pH 7,4, z niższymi środowiskami pH występującymi w tkankach zapalnych i nowotworowych (pH 6,5-7,2) oraz wewnątrz lizosomów i endosomów (pH 4,5-5,5). Zapewnia to łatwe środki do osiągnięcia degradacji polimerów i uwalniania leków poprzez włączenie wrażliwych na pH lub jonizowalnych wiązań do polimeru amfifilowego.
Kopolimery blokowe z blokiem hydrofobowym składającym się z degradowalnego hydrolitycznie poliestru, takiego jak poli(kwas mlekowy) (PLA) lub poli(ε-kaprolakton) (PCL), były jednymi z najwcześniej opracowanych polimerów wrażliwych na pH.23 Rozpuszczanie polimersomu (i uwalnianie leku) uzyskuje się poprzez hydrolizę wiązań estrowych łączących bloki polimerowe. Wykazano, że polimersomy PEG-b-PCL i PEGb-PLA, obciążone DOX lub paklitakselem, lokalizują się w tkance guza u myszy i uwalniają zamknięty ładunek po wejściu do kwaśnego środowiska guza, zatrzymując wzrost guza i powodując jego kurczenie się.24
Alternatywna metoda stymulowanego pH dostarczania leków z pęcherzyków polimerowych obejmuje łączenie bloków polimerowych za pomocą wiązania wrażliwego na pH, takiego jak imina, hydrazon lub acetal.4 Po ekspozycji na warunki kwaśne, połączenie między blokiem hydrofilowym i hydrofobowym ulega degradacji, co prowadzi do rozpadu polimeromu i uwolnienia zamkniętego ładunku.
Regenerację polimeromu wyzwalaną przez pH można również uzyskać poprzez włączenie grupy jonizowalnej do jednego z bloków polimeru. Przykłady obejmują syntezę zwitterionowego kopolimeru blokowego poli(2-(metakryloiloksy)etylofosforylocholiny)-b-poli(metakrylanu 2-(diizopropyloamino)etylu) (PMPC-b-PDPA) przygotowanego przez Armesa i współpracowników.25 Polimer PMPC-b-PDPA został zaprojektowany tak, aby był stabilny w fizjologicznym pH, ale degradowalny w warunkach kwaśnych. Degradację osiągnięto poprzez protonowanie trzeciorzędowych grup aminowych PDPA, które przed protonowaniem są hydrofobowe, ale stają się hydrofilowe po protonowaniu, co powoduje rozpuszczanie polimersomu. Ze względu na kwaśne pKa aminy (6,4) w PDPA, polimersomy są stabilne w krwiobiegu przy fizjologicznym pH (7,4), ale ulegają degradacji w kwaśnych warunkach występujących w lizosomach i endosomach.
Polimery aktywne redoks są wszechstronną platformą do ukierunkowanego dostarczania leków, ponieważ potencjały redoks różnią się znacznie między tkanką normalną i nowotworową, środowiskiem wewnątrzkomórkowym i pozakomórkowym, a nawet między różnymi organellami komórkowymi. Glutation (GSH), ważny komórkowy czynnik redukujący, jest często wykorzystywany do wyzwalania redukcji wrażliwych wiązań w celu demontażu polimerów. Stężenia GSH są zazwyczaj bardzo niskie w osoczu i normalnej tkance (2-20 μM), ale znacznie wyższe w cytozolu, jądrach i tkance nowotworowej (2-20 mM), tworząc wysoki wewnątrzkomórkowy gradient redoks. Wiązania disiarczkowe (-S-S-) są podatne na redukcję przez GSH, tworząc dwie grupy tiolowe (-SH). Zostało to wykorzystane do docelowego dostarczania leków poprzez włączenie wiązań dwusiarczkowych do polimerowego szkieletu polimerów, na przykład w syntezie kopolimeru trójblokowego PEG-MA-b-PCL-S-S-PCL-b-PEG-MA26 lub jako chemiczny środek sieciujący, jak w przypadku polimersomu PEG-b-PLys-b-PCL.27 Redukcja GSH i późniejsze rozszczepienie dwusiarczku prowadzi do demontażu polimersomu i uwolnienia zamkniętego ładunku.
Światło jest atrakcyjnym sposobem wyzwalania uwalniania leku, ponieważ pozwala na wysoki stopień kontroli czasowej i przestrzennej oraz wykorzystuje nieinwazyjną metodę. Wykorzystanie światła do wyzwalania uwalniania leku z polimersomów jest zwykle osiągane albo poprzez zmianę strukturalną w polimersomie, albo poprzez degradację polimeru w wyniku napromieniowania światłem. Do polimersomów wprowadzono różne grupy wrażliwe na światło, takie jak spiropiran, 2-nitrofenyloalanina i o-nitrobenzyl; zostały one wcześniej omówione przez Hu i wsp.sup>4
Wnioski
Unikalne właściwości polimersomów sprawiają, że są one wysoce obiecującymi materiałami do dostarczania leków. Podsumowaliśmy rozważania dotyczące projektowania i wytwarzania polimersomów, podkreślając procedury enkapsulacji leków. Zdolność do funkcjonalizacji powierzchni polimersomów w celu aktywnego ukierunkowania i kontrolowanego uwalniania leków pokazuje moc tych wszechstronnych nanomateriałów.
Referencje
Zaloguj się lub utwórz konto, aby kontynuować.
Nie masz konta użytkownika?