Pembentukan Kompleks Nanopartikel-HSA Berbasis Pullulan dan Pelepasan Obat yang Dipengaruhi oleh Muatan Permukaan
Abstrak
Komposisi nanomaterial dari nanopartikel dan adsorpsi proteinnya dalam darah sangat penting dalam desain nanopartikel yang mengandung obat. Untuk mengeksplorasi interaksi antara komponen permukaan nanopartikel (NP) dan protein yang berbeda, kami mensintesis tiga jenis polimer NP pullulan:pullulan termodifikasi kolesterik (CH), pullulan termodifikasi (CHP), pullulan animasi termodifikasi CH (CHAP), dan termodifikasi CH karboksilasi pullulan (CHSP). Pullulan NP dibuat dengan metode dialisis. Hamburan cahaya dinamis digunakan untuk menentukan muatan dan ukuran ketiga NP. Ukuran NP diubah oleh jumlah gugus muatan ketika polimer mengandung tingkat substitusi kolesterol yang sama. Potensi zeta masing-masing adalah + 12.9, 15.4, dan 0.698 mV untuk CHAP, CHSP, dan CHP, dan dimensinya masing-masing adalah 116.9, 156.9, dan 73,1 nm. Kalorimetri titrasi isotermal digunakan untuk menentukan perubahan termodinamika NP dengan muatan permukaan yang berbeda, dan pengaruh albumin serum manusia (HSA) pada titrasi diselidiki. Perubahan entalpi dan entropi menunjukkan interaksi antara NP dan HSA; konstanta pengikatan (Kb ) untuk CHSP, CHP, dan CHAP adalah 1,41, 27,7, dan 412 × 10
4
M
−1
, masing-masing, dengan muatan positif untuk CHAP-HSA, tidak bermuatan untuk CHP-HSA, dan muatan negatif untuk kompleks CHSP-HSA. Fluoresensi dan spektroskopi dichroism melingkar digunakan untuk menentukan perubahan struktur protein setelah kompleksasi antara NP dan HSA. Kompleksasi NP dan HSA adalah proses rumit yang terdiri dari pengurangan kandungan -heliks protein dan perpanjangan rantai peptida; NP CHP memiliki pengurangan terbesar dalam konten heliks HSA. Laju pelepasan obat dari semua senyawa NP dan HSA secara signifikan lebih rendah daripada obat bebas dan NP yang mengandung obat setelah 48 jam. Tingkat tertinggi dan terendah diamati di CHSP-HSA dan CHP-HSA, masing-masing. Pelepasan obat secara signifikan dipengaruhi oleh adsorpsi HSA pada NP, dan ukuran serta muatan permukaan NP memainkan peran penting dalam proses ini.
Latar Belakang
Sistem penghantaran obat nano, seperti nanopartikel (NP) yang sarat dengan obat antitumor molekul kecil, telah mempertahankan dan mengendalikan sifat pelepasan obat serta efek penargetan. Terapi bertarget dengan NP telah menjadi fokus dalam pengobatan tumor, karena mereka dapat secara signifikan mengurangi efek samping obat dan meningkatkan kemanjuran obat [1,2,3].
NP yang mengandung obat harus melewati tiga jalur untuk mencapai situs target, yaitu sirkulasi darah, jalur jaringan ke sel, dan pergerakan intraseluler [4,5,6]. Mereka juga perlu mengatasi penghalang vaskular untuk mencapai jaringan yang ditargetkan, kemudian penghalang membran sel untuk mencapai sel yang ditargetkan [7, 8]. Adsorpsi dan pertukaran protein terlibat dalam semua jalur NP. Akhirnya, NP yang diserap protein mencapai sel target dan melepaskan obat [1, 9].
Protein berlimpah seperti human serum albumin (HSA), lipoprotein, dan globulin biasanya teradsorpsi pada permukaan drug-loaded NPs, sehingga mengubah perilaku pelepasan in vivo dan situs penargetan NPs [10]. Jumlah dan jenis protein yang teradsorpsi berhubungan erat dengan konsentrasi protein dalam plasma dan afinitas NP [11]. Semakin besar konsentrasi protein plasma, semakin besar adsorpsi permukaan NP [12]. Protein dengan afinitas tinggi dapat menggantikan protein dengan afinitas lemah [13]. Oleh karena itu, permukaan NP ditempati oleh protein dengan konsentrasi tinggi dan afinitas yang kuat, membentuk mahkota protein nano [14]. Mahkota protein nano sangat diperlukan untuk fungsi in vivo NP [15]. Misalnya, jika permukaan dimodifikasi dengan polisorbat, NP dapat mengantarkan obat melalui sawar darah otak ke jaringan otak [16]; nanomaterial polisakarida termodifikasi hidrofobik dapat berinteraksi dengan HSA dalam tubuh, sehingga meningkatkan kontrol pelepasan obat [17].
Penyerapan NP oleh sel dipengaruhi oleh berbagai faktor seperti sifat fisik dan kimia NP, konsentrasi obat nano, adsorpsi protein, dan adhesi sel [18]. Jenis dan jumlah adsorpsi protein mempengaruhi fungsi NP, termasuk kontrol pelepasan obat dan penargetan. Selain itu, sifat fisik dan kimia NP, seperti ukuran partikel, muatan, dan hidrofobisitas permukaan, mempengaruhi adsorpsi protein [19]. Sifat NP menentukan nasibnya selama proses in vivo [20]. Bahan makromolekul amfifilik seperti polimer polisakarida yang dimodifikasi secara hidrofobik dapat dirakit sendiri menjadi partikel berukuran nano. Ukuran NP memainkan peran penting dalam fungsi penargetan dan kontrol pelepasan obat [21]. Gugus hidrofobik dalam polimer merupakan pendorong pembentukan struktur inti NP. Semakin besar derajat substitusi gugus hidrofobik maka NP semakin kecil [22]. Bahan polimer dengan gugus karboksil, gugus amino, dan turunannya terlibat dalam self-assembly NP, sehingga mempengaruhi ukuran NP dan memberikan muatan permukaan agar mudah melekat pada protein dengan muatan berlawanan [23]. NP dengan muatan permukaan yang berbeda memiliki kemampuan yang berbeda untuk adsorpsi protein dan fungsi biologis yang berbeda [24]. Oleh karena itu, kita perlu mengeksplorasi interaksi antara komponen permukaan yang berbeda dari NP dan protein.
HSA adalah protein yang paling melimpah dalam darah. Hal ini penting untuk transportasi, distribusi, dan metabolisme zat asing dan endogen. Banyak obat bermolekul kecil masuk ke dalam tubuh dan membentuk adsorben obat HSA dalam transportasi darah, yang mengubah efek farmakologis obat [25]. NP yang mengandung obat digabungkan dengan HSA setelah memasuki tubuh; karena struktur kompleks NP, karakteristik adsorpsi berbeda dari kombinasi HSA molekul kecil [26]. Misalnya, adsorpsi obat bermolekul kecil ke molekul HSA berlangsung cepat; namun, adsorpsi HSA ke NP lambat dan kompleks [27].
Nanopartikel CHP sebagai pembawa obat telah dipelajari sejak lama, yang telah menunjukkan nanomaterial yang sangat baik untuk penghantaran obat [28, 29]. Dalam percobaan sebelumnya, kami mempelajari interaksi antara HSA dan NP pullulan dengan derajat substitusi kolesterol yang berbeda, pullulan termodifikasi hidrofobik (CH) cholesteric (CH), dan menemukan terutama dua proses:HSA dengan cepat menempel pada permukaan NP dan kemudian perlahan-lahan dimasukkan ke dalam inti hidrofobik NP [30]. Interaksi hidrofobik memainkan peran utama dalam pembentukan kompleks CHP-HSA [31]. Hidrofobisitas dan struktur cangkang-inti partikel terutama bertanggung jawab atas perubahan konformasi albumin selama interaksi NP dan HSA [30].
Dalam penelitian ini, kami memproduksi tiga NP, CHP, pullulan animasi termodifikasi CH (CHAP), dan pullulan karboksilasi termodifikasi CH (CHSP). Struktur dan sifat mereka dicirikan dengan Fourier-transform infrared (FTIR) dan NMR, dan ukuran serta potensinya ditentukan oleh hamburan cahaya dinamis (DLS). Kalorimetri titrasi isotermal (ITC) dan spektroskopi fluoresensi digunakan untuk menyelidiki karakteristik interaksi kompleks NP-HSA dan efek dari tiga jenis NP pada struktur HSA. Kami mengungkapkan efek pada pelepasan obat dengan sifat kompleks NP-HSA, yang sangat penting untuk aplikasi sistem penghantaran obat di masa depan.
Metode
Materi
HSA dibeli dari Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA). T ,T -Imidazol berasal dari bioteknologi larutan stok Shanghai (Shanghai). Ethylenediamine, succinic anhydride disediakan oleh Tianjin Star Chemical Reagent (Tianjin). Semua reagen kimia lainnya memiliki tingkat analitik dan berasal dari Changsha Huicheng Co. (Changsha, Cina).
Sintesis CHP, CHSP, dan CHAP
Sintesis CHP
Kolesterol suksinat (CHS) disintesis seperti yang dijelaskan sebelumnya [32]. Sebanyak 2 g pullulan polisakarida dilarutkan dalam 10 mL larutan dimetil sulfoksida (DMSO) dehidrasi. Kemudian, 1,06 g CHS, 0,505 g EDC•HCl, dan 0,268 g DMAP dilarutkan dalam larutan DMSO dalam jumlah yang sesuai. Kedua kelompok reagen di atas dicampur dan diaktifkan pada suhu kamar selama 1 jam kemudian diinkubasi dalam penangas minyak yang dipanaskan pada suhu 50 °C selama 48 jam. Setelah reaksi dihentikan dan didinginkan sampai suhu kamar, etanol anhidrat dalam jumlah yang sesuai ditambahkan dan padatan putih diendapkan dengan pengadukan dan diperoleh dengan penyaringan hisap berulang. Produk dicuci dengan etanol anhidrat, etil eter, dan tetrahidrofuran dalam jumlah yang sesuai kemudian dikeringkan dalam blast dryer pada suhu 50 °C hingga menjadi padatan putih (Gbr. 1).
Sintesis polimer CHP, CHSP, dan CHAP
Sintesis CHAP
Jumlah 1,80 g CHP dan 1,00 g N ,T -diimidazol dilarutkan dalam 100 mL DMSO. Setelah dipanaskan dan diaduk dalam penangas minyak 50 °C selama 4 jam, ditambahkan 3,60 g etilendiamin diikuti dengan pemanasan dan pengadukan lebih lanjut selama 24 jam. Ketika cairan reaksi didinginkan hingga suhu kamar, didialisis dalam 4000-interception dialysis bag dengan air suling ganda selama 1 hari kemudian diliofilisasi untuk mendapatkan padatan kuning muda yang merupakan produk pullulan animasi termodifikasi hidrofobik.
Sintesis CHSP
Sejumlah 1,80 g CHP dilarutkan dalam 100 mL DMSO dehidrasi, kemudian 0,5 g suksinat anhidrida dan 0,05 g 4-dimethylaminopyridine (DMAP) dilarutkan dalam 10 mL DMSO yang diaktifkan selama 1 jam; setelah dipanaskan dan diaduk dalam penangas minyak 50 °C selama 20 jam, reaksi dihentikan. Ketika cairan reaksi didinginkan sampai suhu kamar, itu ditempatkan dalam etanol anhidrat dalam jumlah yang sesuai dan diaduk untuk mengendapkan padatan putih. Padatan putih dicuci beberapa kali dengan etanol anhidrat, dietil eter, dan tetrahidrofuran dalam jumlah yang sesuai dan dikeringkan dalam pengering ledakan pada 50 °C. Produk yang diperoleh adalah polisakarida pullulan terkarboksilasi yang dimodifikasi secara hidrofobik.
Spektroskopi FTIR dan NMR
Spektrum FTIR untuk CHP, CHSP, dan CHAP diperoleh sebagai pelet KBr untuk spektroskopi FTIR (Nicolet NEXUS 470-ESP, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA). Struktur kimia CHP, CHSP, dan CHAP dikonfirmasi oleh 500 MHz
1
H-NMR, dengan DMSO-d6 sebagai pelarut. Derajat substitusi kolesterol pada polimer CHP ditentukan oleh ikatan glikosidik alfa-1,4 dan alfa-1,6 serta luas puncak metilen.
Persiapan dan Karakterisasi NP
NP CHP, CHSP, dan CHAP disiapkan dengan metode dialisis [33]. Secara singkat, CHP, CHSP, dan CHAP dilarutkan dalam 10 mL DMSO. Untuk membentuk NP, larutan campuran disuntikkan dalam kantong dialisis selama 24 jam untuk menghilangkan DMSO. Solusi NP CHP, CHSP, dan CHAP disaring dengan filter membran (ukuran pori 0,45 m, Millipore, Boston, MA, USA) untuk menghilangkan NP CHP, CHSP, dan CHAP agregat yang lebih besar. Distribusi ukuran dan potensi zeta dari partikel yang diperoleh ditentukan oleh DLS (Zetasizer 3000 HS, Malvern Instruments, Malvern, UK) pada 11,4 V/cm, 13,0 mA.
ITC
Konsentrasi tertentu larutan HSA diteteskan ke dalam larutan CHP, CHSP, dan CHAP NP, dan perubahan panas diukur dengan ITC (VP-ITC, Microcal, Northampton, MA, USA). Sejumlah 0,9 mM HSA disuntikkan ke dalam 0,01 mM sel titrasi CHP, CHSP, dan CHAP NP, untuk titrasi sebanyak 20 kali. Tetesan pertama adalah 2 L, dan waktu reaksi adalah 180 detik; tetes yang tersisa adalah 10 L per tetes dan waktu reaksi adalah 210 detik, dan suhu diatur pada 25 °C. Parameter termodinamika dan kurva koneksi diperoleh dengan 28 kali titrasi.
Spektroskopi Fluoresensi
NP HSA dan CHP dicampur pada rasio molekul HSA terhadap CHP 3,6:1 untuk menyiapkan campuran CHP-HSA, CHSP-HSA, dan CHAP-HSA. Campuran yang diperoleh ditempatkan dalam tabung EP 2 mL dan dikocok pada 20 rpm pada 25 ° C selama 24 jam. Spektrum fluoresensi dan intensitas fluoresensi (FI) dari HSA bebas dan HSA terikat-NP dicatat oleh spektrofotometri fluoresensi (Shimadzu RF-4500, Jepang). Kromofor triptofan dalam molekul HSA tereksitasi pada 280 nm, dan spektrum emisi tercatat pada 290 hingga 450 nm. Lebar celah eksitasi dan emisi adalah 5 dan 12 nm.
Tujuh larutan NP pada konsentrasi yang berbeda dicampur dengan larutan HSA. Larutan campuran dipindahkan ke tabung EP 2 mL untuk reaksi 9 jam. Sampel yang diperoleh dikumpulkan untuk mengukur spektrum fluoresensi pada panjang gelombang 290-450 nm. Spektrum fluoresensi larutan HSA murni digunakan sebagai referensi untuk menentukan konstanta pengikatan menurut analisis Stern–Volmer. Data pendinginan fluoresensi dianalisis dengan menggunakan persamaan Stern–Volmer yang ditingkatkan [34]:
dimana Kq adalah konstanta pendinginan Stern–Volmer, F0 dan F adalah intensitas fluoresensi pada 342 nm tanpa kehadiran dan kehadiran quencher, dan [Q ] adalah konsentrasi quencher.
Analisis Dikroisme Melingkar
Kompleks CHP-HSA disiapkan melalui dua cara berbeda. Yang pertama (kompleks I) disiapkan hanya dengan mencampurkan larutan HSA dan CHP. Yang kedua (kompleks II) disimpan dalam tabung EP 2-mL, yang diatur dalam meja pengocok dengan 20 rpm selama 12 jam pada 25 °C. Spektrum dikroisme melingkar (CD) untuk HSA dan NP bebas yang ditambahkan ke protein direkam pada panjang gelombang 200–250 nm dengan menggunakan spektrometer CD (JASCO J-810, Jepang) pada suhu 37 °C dengan sel kuvet 0,1 cm. Konsentrasi HSA adalah 1,0 mg/mL di semua sampel. Konten -helix relatif di HSA dihitung sebagai berikut [35]:
dimana θ208 adalah eliptisitas residu rata-rata (deg cm
−2
dmol
−1
) pada 208 nm, θ adalah elips, M adalah berat molekul HSA, C adalah konsentrasi HSA (mg/mL), L adalah panjang sel kuvet (cm), dan Nr adalah jumlah asam amino dalam molekul HSA.
Melepas Obat In Vitro
Mitoxantrone (MTO)-loaded NPs disiapkan dengan metode dialisis [36]. Kurva standar untuk mitoxantrone diperoleh dengan spektrofotometri UV. Pemuatan obat dan efisiensi enkapsulasi dihitung seperti yang dijelaskan [33]. Pelepasan MTO dipelajari secara in vitro dengan dialisis dalam fosfat buffered saline. Secara singkat, larutan NP bermuatan MTO (2 mg/mL) ditempatkan ke dalam tabung dialisis visking dan didialisis terhadap media pelepas pada 37 ° C dalam pengocok air-bath pada 50 rpm. Pada waktu yang telah ditentukan, media rilis dikumpulkan dan media rilis baru ditambahkan. Jumlah MTO yang dilepaskan ditentukan dengan spektrofotometri UV (UV-384 plus, Molecular Devices, USA) pada 608 nm. Akumulasi persentase rilis (Q %) dihitung seperti yang dijelaskan sebelumnya [37]. Sejumlah larutan HSA (0,1 mg/mL) ditambahkan ke tabung dialisis untuk menentukan pelepasan obat dari tiga jenis NP.
Hasil
Karakterisasi Polimer CHP, CHSP, dan CHAP
Spektrum FTIR
Gambar 2 menunjukkan spektrum FTIR untuk CHP, CHSP, dan CHAP. Data untuk spektrum CHP adalah 1731 cm
−1
(–C=O puncak getaran peregangan) dan 1161 cm
−1
(–C=O puncak getaran regangan). Hasil ini menunjukkan terbentuknya ikatan ester pada pullulan yang menunjukkan bahwa CHP telah berhasil disintesis.
Spektrum FTIR CHP (a), CHAP (b), dan CHSP (c)
Dibandingkan dengan spektrum CHP, data untuk spektrum CHAP adalah 1648 cm
−1
(–C=O puncak penyerapan getaran), 1734 cm
−1
(–C=O puncak penyerapan getaran), 1539 cm
−1
(–N–H puncak getaran lentur), dan 3742 cm
−1
(–NH2 peregangan puncak getaran). Berdasarkan karakteristik puncak tersebut, terdapat ikatan amida pada CHP, dan CHAP berhasil disintesis melalui reaksi esterifikasi.
Dibandingkan dengan spektrum CHP, data untuk spektrum CHSP adalah 1710 cm
−1
(–C=O puncak getaran peregangan), 1158 cm
−1
(–C=O puncak getaran peregangan), 1560 cm
−1
(puncak getaran kopling ganda –C=O), dan 1421 cm
−1
(–O–H puncak getaran lentur). Hal ini menunjukkan adanya gugus karboksil pada CHP dan sebagian menjadi garam.
1
HNMR
Gambar 3 menunjukkan
1
Spektrum H NMR untuk CHP, CHSP, dan CHAP. Sebanyak 0 sampai 2,40 ppm milik sinyal hidrogen kolesterol, yang menunjukkan keberhasilan sintesis CHP. Puncak karakteristik DMSO-d6 dan metilen (–CH2 CH2 –) menunjukkan sinyal masing-masing pada 2,49 dan 2,53 ppm. Dibandingkan dengan CHP, CHAP menunjukkan sinyal pada 8-9 ppm, yang termasuk dalam gugus amino dan membuktikan bahwa etilendiamin dicangkokkan ke CHP. Derajat substitusi kolesterol per 100 unit glukosa dalam CHP dapat dihitung dengan perbandingan proton metilen terhadap proton gula dengan persamaan berikut [38]: