نانو ذرات پلیمری زیست تخریب پذیر

دسته: مقالات منتشر شده در 29 تیر 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 1240

نانوذرات پلیمری زیست تخریب پذیر – خطر با نفوذ سریع به سد مخاط انسان

پوشش های محافظ مخاطی معمولآ ذرات خارجی از چشم، دستگاه گوارش، مجاری تنفسی، نازوفارنکس و دستگاه تولید مثل زنان را به دام انداخته و از بین می برند؛ بنابراین، دارورسانی کنترل شده در سطوح مخاطی را به شدت محدود می کنند. همچنان اثبات نشده است که سیستم دارورسانی ترکیبی متشکل از پلیمرهای قابل تجزیه بتواند بطور مطلوب به مخاط ویسکوالاستیک بالای انسان مانند مخاط واژینال دهانه رحم بدون تخمک گذاری نفوذ کند. ما نانوذرات متشکل از کوپلیمر زیست تخریب پذیر دی بلاک از پلی (اسید سباسیک) و پلی اتیلن گلیکول (PSA-PEG) تهیه کردیم که هر دو بطور معمول کاربرد انسانی دارند. در مخاط دهانه رحم انسانی رقیق نشدۀ تازه (CVM) که دارای ویسکوزیتۀ فله تقریبآ 1800 برابر بیشتر از آب در برش کم است، نانوذرات PSA-PEG با سرعت متوسط فقط 12 برابر کمتر از ذرات مشابه در آب خالص پخش می شوند. در مقابل، نانوذرات زیست تخریب پذیر با اندازه مشابه متشکل از PSA یا پلی اسید لاکتیک - گلیکولیک اسید (PLGA) در حداقل 3300 برابر کندتر از CVM در آب پخش می شوند. همچنین، PSA-PEG به سرعت در خلط ناشی از ریه بیماران مبتلا به فیبروز سیستیک نفوذ می کنند؛ بیماری که با ترشحات مخاط ویسکوالاستیک بالا شناخته می شود. انتقال سریع نانوذرات در مخاط با تقسیم کارآمد PEG به سطح ذرات در حین فرمولاسیون امکان پذیر است. نانوذرات پلیمری تجزیه پذیر قادر به غلبه بر موانع مخاطی انسان و ایجاد فرصت های قابل توجه برای دارورسانی مداوم با هدف بهبود انتقال دارو و ژن در سطوح مخاطی هستند.

 

دارورسانی به سطوح مخاطی بطور معمول با مکانیسم های پاکسازی مخاط و جذب سیستمیک کارآمد انجام شده و از حضور طولانی مدت دارو بصورت موضعی جلوگیری می کند. کپسوله سازی دارو و ژن در ذرات پلیمری امکان تحویل موضعی و پایدار به بافت های مخاطی را فراهم می کند. با این حال، سطح مجزای بافت مخاط توسط لایه ای از مخاط بسیار چسبناک محافظت می شود که ذرات خارجی را به دام انداخته و به سرعت از بین می برد؛ بنابراین، از دارورسانی مداوم جلوگیری می کند. ضریب نفوذ گزارش شده برای نانوذرات لاتکس در اندازه های 59 - 1000 نانومتر، 0 میکرومتر مکعب بر ثانیه در مخاط دهانه رحم انسان است؛ ذرات به دام افتاده معمولآ در طی چند ثانیه تا چند ساعت براساس یک مکان اتمی از سطح مخاط پاک می شوند. از سطح مخاط بعنوان یک مانع اساسی در درمان انواع بیماری ها نام برده شده است. برای اجتناب از وضوح سریع و دستیابی به دوزهای بالای داروی موضعی که می توانند با گذشت زمان همچنان پایدار بمانند، به سیستم های نانوذرات تجزیه پذیر با قابلیت نفوذ در ترشحات مخاط انسان با ویسکوالاستیک بالا نیاز است. ما اخیرآ کشف کردیه ایم که پوشش متراکم ذرات لاتکس غیرقابل تجزیۀ بیولوژیکی با PEG، یک مولکول آب دوست و بدون بار، میتواند بطور اثربخشی فعل و انفعالات چسب بین نانوذرات و مخاط را به حداقل برساند؛ در نتیجه، به نانوذرات اجازه می دهد تا با حرکت در حفره های بین الیاف های مش موسین به سرعت در مخاط بسیار لزج انسان قرار گیرند. همچنین به این نتیجه رسیدیم که پوشش سطح متراکم بایستی با PEG دارای کم مگاوات انجام شود که یک محافظ مؤثر از هسته آبگریز ذرات را فراهم می کند؛ در حالی که نفوذ یا برهمکنش بین مولکولی بین پلیمرهای PEG و مش موسین را به حداقل می رساند. با این حال، فرمولاسیون های ذرات نافذ مخاطی پلیمری (MPP) (به استثنای ذرات مشاهده شده در مخاط تخمک گذاری با ویسکوزیته کم) با پوشش های PEG مؤثر برای تسهیل در انتقال سریع نانوذرات تاکنون به ذرات لاتکس غیرقابل تجزیه محدود شده است. فرایند آماده سازی مورد نیاز برای دستیابی به پوشش های PEG کاملآ متراکم روی نانوذرات لاتکس، از تراکم بالای گروه های واکنش دهنده روی سطح ذرات لاتکس که در آن مولکول های PEG بصورت کووالانسی به آنها متصل می شوند، بهره می برد.

با این حال، ذرات زیست تخریب پذیر معمولآ چگالی بالایی از گروه های واکنشی موجود بر روی سطح خود ندارند. ذرات لاتکس نیز همچنین شامل اختلاط شدید در محلول های آبی برای مدت زمان طولانی (4 ساعت) هستند که در طی آن، حذف قابل توجهی از دارو و تخریب پلیمر ممکن است رخ دهد و کاربرد محدودی در سیستم زیست تخریب پذیر دارد. مشخص نبود که آیا ذرات زیست تخریب پذیر با تراکم PEG کافی برای نفوذ سریع ترشحات مخاطی انسانی با ویسکوالاستیک و چسبندگی بالا با کمک روش های متداول کپسوله سازی قابل دستیابی هستند؟ در این کار فرض کردیم که یک کوپلیمر دی بلوک زیست تخریب پذیر با قطعات بلوک آبگریز (PSA) و آبدوست (PEG) به سطح ذرات اجازه می دهد تا تقسیم بندی مناسب PEG به یک پوشش مخاطی بی اثر از هسته PSA آبگریزرا فراهم کند و از این طریق، نانوذرات PSA-PEG نیز به سرعت در ترشحات مخاط انسان نفوذ می کنند.

 

نتیجه گیری

براساس شکل زیر، ما کوپلیمرهای دو بلوکی PSA-PEG (18 کیلودالتون) را ازطریق پلی کونداسیون مذاب اسید سبکیک (SA) و پیش پلیمرهای متوکسی - PEGسنتز کردیم.

 

شکل 1: انتقال پلی (اسید سبکیک)- کو- پلی (اتیلن گلیکول) (PSA-PEG) و نانوذرات پلی (اسید سبکیک) (SA) در مخاط سرکوواژینال انسانی

 Transport of polysebacic acid-co-polyethylene glycol PSA-PEG

 

براساس مشاهدات قبلی مان از 5 کیلودالتون PEG استفاده کردیم که پوشش غیرچسبنده بر روی ذرات لاتکس غیرقابل تجزیه ایجاد می کند؛ در حالی که پوشش های 10 کیلودالتون به چسبندگی مخاطی در ذرات قوی منجر می شوند. همچنین ادغام PEG در ستون فقرات پلیمری توسط ¹HNMR با PSA-PEG را تأیید کردیم که نشان دهندۀ قله های قوی در 3.65، 2.18، 1.48 و 1.24 در ترکیب با کروماتوگرافی نفوذ ژل بدون اوح مربوط به PEG آزاد است. براساس جدول زیر، با استفاده از این پلیمرها، نانوذرات با قطر هیدرودینامیکی متوسط 173 نانومتر را با کمک روش انتشار حلال معمولی با فاز پیوسته آب فرموله کردیم.

 

جدول 1: خواص فیزیکوشیمیایی نانوذرات و نفوذپذیری آنها در مخاط سرویکوواژینال انسانی (Dm) درمقایسه با آب (Dw)

 Physicochemical properties of nanoparticles and their diffusivity in human

 

همچنین براساس این جدول، ذرات تولید شده با PSA-PEG، PSA و PLGA همگی دارای اندازه باریکی هستند؛ همانطور که با اندازه گیری پراکندگی ذرات و میکروسکوپ الکترونی روبشی تأیید شده است. این پاراتیون در حین فرمول بندی ذرات از یک پوشش متراکم PEG به سمت فاز پیوسته و بنابراین سطح ذرات PSA-PEG ازطریق میکروسکوپ فلورسانس به اثبات رسیدند. اندازه گیری پتانسیلζ  نشان داد که یک بار سطحی تقریبآ خنثی برای نانوذرات PSA-PEG و یک بار سطحی کاملآ منفی برای نانوذرات ساخته شده از PSA یا PLGA بعنوان شواهد دیگری از پوشش PEG سطح متراکم نانوذرات PSA-PEG محسوب می شوند. بار سطحی در نانوذرات PSA-PEG-1±5 میلی ولت در محدوده پتانسیل ζ بودند که قبلآ برای محافظت مؤثر از ذرات لاتکس غیرقابل تجزیه و حرکت سریع آنها در مخاط انسان بسیار ضروری بود. ما در ادامه با استفاده از ردیابی ذرات چندگانه با وضوح بالا، میزان انتقال در مخاط نانوذرات متشکل از PSA-PEG را درمقایسه با ترکیبات متشکل از پلیمرهای تجزیه پذیر طبیعی PSA و PLGA را مورد بررسی قرار دادیم. علاوه براین، از مخاط سرویکوواژینال تازه، رقیق نشده و بدون دستکاری انسانی استفاده کردیم که از زنان اهداء کنندگان با فلور واژینال سالم بدست آمده بود. نانوذرات PSA و PLGA به شدت در CVM بی حرکت شدند؛ همانطور که توسط اثرات محدود شدۀ زمان غیر براونی از مسیرهای مشابه در ذرات معمولی مشهود است. در مقابل، نانوذرات متشکل از کوپلیمرهای دوقطبی PSA-PEG تراجکتوری های مشابه براونی را نشان دادند که در طی فیلم های 20 ثانیه ای فاصله های بسیار بیشتری از قطر آنها را در CVM کاوش می کند. همچنین نرخ انتقال فرمولاسیون درات مختلف در مخاط را باتوجه به زمان و براساس مقیاس هندسی آنها- میانگین جابجایی (MSD) به کمیّت برآورد کردیم.

 

در مقیاس زمانی 1 ثانیه، <MSD> از ذرات PSA-PEG دقیقآ 400 برابر بیشتر از ذرات PSA، 230 برابر بیشتر از ذرات PLGA و 220 برابر بیشتر از ذرات لاتکس بود. متوسط انتشار مؤثر برای ذرات PSA-PEG در مخاط فقط 12 برابر کندتر از ذرات مشابه در آب خالص بود؛ که نشان می دهد ذرات زیست تخریب پذیر PSA-PEG در بازده مشابه به CVM نفوذ کردند، همانطور که ما قبلآ برای ذرات لاتکس با پوشش PEG غیرقابل تجزیه بیان کردیم. ما قبلآ مشاهده کردیم که ذرات لاتکس 200 نانومتری که به شدت در مخاط مانع می شوند، دارای ارزش 0.36 هستند؛ درحالی که ذرات لاتکس 200 نانومتری با پوشش PEG که به سرعت منتشر می شوند، دارای ارزش 0.81 هستند. میانگین ذرات PSA-PEG و PSA به ترتیب 0.08 و 0.92 بود که نشان می دهد ذرات PSA قویآ در CVM به دام افتاده بودند؛ در حالی که نانوذرات PSA-PEG تقریبآ بدون مانع ازطریق شبکه مش متراکم CVM پخش می شدند. به این معنا است که نانوذرات PSA-PEG ابتدا کشش چسبناک مایع میان بافتی با ویسکوزیته کم را بین عناصر مش مخاط تجربه می کنند و بنابراین می توانند به سرعت در ترشح مخاط نفوذ کنند. از آنجا که CVM ازلحاظ بیوشیمیایی و رئولوژیکی شبیه به اکثر ترشحات مخاطی انسان است (به استثنای مخاط تخمک گذاری دهانه رحم و فیلم پارگی مخاط چشمی که هرکدام رقیق تر از ترشحات معمولی هستند)، انتظار داریم نانوذرات PSA-PEG نیز به راحتی در لایه های مخاطی در اکثر اندام های مخاطی نفوذ کنند. برای اطمینان از انتقال سریع مشاهده شده در این نانوذرات زیست تخریب پذیر، ما توانستیم ناهماهنگی در نرخ انتقال ذرات را با بررسی میزان نفوذپذیری ذرات در مقیاس زمانی 1 ثانیه ای ارزیابی کنیم. سریع ترین ذرۀ PSA-PEG با 70 درصد انتقال سریع و یکنواخت همراه با نفوذپذیری مؤثر تقریبآ 3 برابر کندتر از آب و مقدار 0.94 را از خود نشان می دهد. در مقابل، سریع ترین ذرۀ PSA با 70 درصد دارای نفوذپذیری مؤثر تقریبآ 7000 برابر کندتر از آب با مقدار 0.083 است.

برای بررسی دلایل مکانیکی که تفاوت در انتقال بین PSA-PEG و PSA را محاسبه می کنند، ما ذرات را به سه حالت انتقال غیرهمپوشانی: بی حرکت (I)، مانع (H) و انتشار (D) با استفاده از روش مونت کارلو براساس ضریب انتشار مؤثر وابسته به مقیاس زمانی ارائه دادیم. در ادامه، نرخ هایی را که در آن ذرات PSA-PEG و PSA تجزیه پذیر می توانند با نفوذ در قانون دوم فیک در میزان انتشار اندازه گیری شده به لایه ژل مخاطی نفوذ کنند ارزیابی کردیم. در ریه، تخمین ضخامت ژل مخاط مجرا از 7 میکرومیل در مجاری هوایی عمیق تا 55 میکرومیل در نایژه ها وجود دارد. با فرض ضخامت لایه مخاط 30 میل و تخمین میزان انتشار ذرات اندازه گیری شده، ما مقدار ذرات PSA-PEG و PSA را که با گذشت زمان قادر به عبور از لایه مخاطی هستند (بعنوان کسری از دوز اصلی) پیش بینی کردیم. با انجام این تجزیه و تحلیل دقیق، به این نتیجه رسیدیم که بیش از 35 درصد از نانوذرات PSA-PEG قادر به عبور از یک لایه مخاط 30 میکرومیل در طی 10 دقیقه هستند. در غیاب PEG ذرات متشکل از PSA به لایه مخاط با ضخامت 30 میکرومیل با بازده بسیار کم (0.6 درصد بعد از 4 ساعت) نفوذ می کنند. انتظار می رود نانوذرات PSA (همچنین نانوذرات PLGA) با پاک شدن مخاط از سطح مخاط حذف شوند که بطور معمول به ترتیب چند ثانیه در سطح چشم و چند دقیقه تا چند ساعت در ریه ها، دستگاه گوارش (GI) و واژن رخ می دهد. همچنین انتظار می رود که افزایش ضخامت لایه های مخاطی در دستگاه گوارش (ضخامت تقریبآ 50 - 500 میکرومتر) و دستگان تناسلی زنان درمقایسه با ریه ها، در کسر نفوذپذیری نانوذرات متشکل از PSA-PEG و یا موارد متشکل از PSA یا PLGA دارای اختلاف هستند. علاوه براین، قابلیت زیست تخریب پذیری ذرات PSA-PEG را برای نفوذ در مواد تازه و رقیق نشده از بیماران مبتلا به فیبروز سیستیک (CF) آزمایش کردیم که دارای ویسکوزیته فلۀ تقریبآ 10⁴ تا 10⁵ برابر بیشتر از آب تحت برش کم (در مقایسه با 10³ برابر مخاط از داوطلبان سالم) است.