11.2.2 Nanogeler baseret på Dextran og Dextriner
Dextran, der er resultatet af mange glukosemolekyler og kæder af varierende længde, og dextriner, kulhydrater med lav molekylvægt fremstillet ved hydrolyse af stivelse eller glykogen, er begge egnede til fremstilling af nanogeler på grund af deres struktur (fig. 11.3).
Figur 11.3. Struktur af dextran (A) og dextriner (B).
Interessen for materialer med let indstillelige siRNA-frigivelsesegenskaber og optimeret siRNA-gen-silenceringseffekt med hensyn til størrelse og varighed har tidligere været genstand for undersøgelser (Raemdonck et al., 2008). I denne sammenhæng blev kationiske bionedbrydelige dextran-mikrogels syntetiseret, hvor siRNA’et blev indlæst efter gel-dannelsen af netværket gennem elektrostatiske interaktioner. Den tidskontrollerede frigivelse af siRNA blev opnået ved at variere den oprindelige netværkstæthed af mikrogels. For at opnå tidskontrolleret siRNA-levering i et intracellulært miljø rapporterede den samme forskergruppe om siRNA-belastede kationiske mikrogeler baseret på kationiske dextran hydroxyethylmethacrylat (dex-HEMA)-strukturer og syntetiserede kationiske bionedbrydelige dextran-nanogeler og evaluerede evnen til at kompleksere og efterfølgende frigive det indespærrede siRNA (Raemdonck et al, 2009).
Makrogellerne blev fremstillet af dex-HEMA copolymeriseret med kationiske methacrylatmonomerer, hvor HEMA var koblet til dextranryggen gennem en carbonatester, hvilket gjorde det muligt for det kationiske hydrogelnetværk at bionedbrydes gennem hydrolyse under fysiologiske forhold. De positivt ladede dextran-nanogeler blev syntetiseret ved hjælp af en miniemulsionspolymeriseringsmetode, der blev anvendt på dex-HEMA eller dextranmethacrylat i tilstedeværelse af en kendt mængde af den kationiske methacrylatmonomer og Irgacure-fotoinitiatoren. Dextranfasen blev emulgeret i mineralolie ved sonisk behandling og tværbundet ved UV-stråling. De syntetiserede nanogeler viste en nedbrydningskinetik, som let kan tilpasses, og de kunne indfange siRNA med en høj belastningskapacitet baseret på elektrostatiske interaktioner. Store mængder siRNA-belastede nanogeler blev internaliseret af HuH-7 humane hepatomceller uden væsentlig cytotoksicitet.
Og selv om dex-HEMA-nanogellerne er blevet rapporteret som egnede bærere til in vitro siRNA-levering og ideelt dimensioneret til intravenøs levering til tumorer, blev det konkluderet, at de har utilstrækkelige blodcirkulationstider til at muliggøre tilstrækkelig ekstravasation og akkumulering i tumorvæv. Der blev således foreslået en PEGyleringsproces af disse nanogeler for at forbedre deres cirkulationstid og minimere deres aggregering ved intravenøs injektion. Som følge heraf foreslog forskerne en ny type nanogel og forskellige metoder til PEGylering af dextran-nanogels (Naeye et al., 2010).
Det blev påvist, at kovalent PEGylering af de siRNA-belastede nanogels ved hjælp af N-hydroxysuccinimidylpolyethylenglycol (PEG) var overlegen i forhold til til tilsætning af både PEG og PEG-grafted poly-l-glutaminsyre. In vitro-undersøgelsen afslørede, at PEG-belagte nanogeler virker effektivt på HuH-7 humane hepatomceller og A431 humane epithelkarcinomceller.
Efter disse undersøgelser vedrørende dextran-nanogeler, der anvendes som nanotransportersystemer til at levere siRNA in vitro, blev det i en anden undersøgelse ved hjælp af flere avancerede metoder evalueret, at siRNA-belagte dextran-nanogeler er hæmokompatible (Naeye et al, 2011).
Der blev således anvendt aggregometri- og flowcytometrimetoder til at påvise interaktionerne mellem nanogeler og blodceller under forhold, der nøje ligner in vivo-situationen. Det blev konkluderet, at PEGylering af de siRNA-belastede dextran-nanogeler sandsynligvis er den sikreste formulering til in vivo siRNA-levering; de påvirkede ikke deres interaktioner med celler væsentligt, men det er nødvendigt at forhindre deres aggregering i menneskeligt plasma.
Opmærksomheden omkring polymere nanogeler blev udvidet især på grund af deres anvendelser inden for lægemiddellevering eller biomedicinsk diagnostik. Mens de kemisk kovalent tværbundne og de fysisk ikke-kovalent tværbundne nanogeler anses for at være de mest almindelige fremstillingsmetoder, giver supramolekylær tværbinding unik bekvemmelighed og fleksibilitet. Forskerne udpegede en ny supramolekylær nanogel med sur pH-responsiv adfærd baseret på benzimidazol podet på dextran (Dex-g-BM) og tværbundet til thiol-b-cyclodextrin (b-CD-SH) via en oxidativ hydrosulfidgruppe (Chen et al, 2014).
De nye supramolekylære nanogeler har særlig supramolekylær pH-følsomhed under sure forhold (pH<6, inden for området for maligne celleendosomer) og reduceret følsomhed som reaktion på biologisk relevante stimuli, egenskaber af stor interesse inden for kræftkemoterapeutika, da denne nye supramolekylære nanogel kan anvendes som et intracellulært lægemiddelformidlingssystem.
En ny forbindelse med curcumin (CCM)-baseret bionedbrydelige NP’er fremstillet gennem selvmontering af amfifilt dextran med CCM-konjugater blev opnået ved direkte dispersion af polymerer i vand (Nagahama et al, 2015). De nye dextran-CCM-konjugat NP’er præsenterer et højt CCM-belastningsindhold og høj vandopløselighed. Med hensyn til deres anvendelighed var det muligt at levere dextran-CCM NP’erne til HeLa-celler, og de udviste stærk fluorescens, der var tilgængelig gennem live-celle billeddannelse, selv om NP’erne ikke blev leveret til normale celler.
Nye ovalbumin-dextran nanogeler fremstillet via Maillard-reaktionen efterfulgt af en varmegeleringsproces, præsenterede også potentiale til at forbedre curcumin biotilgængelighed, som blev yderligere undersøgt i en in vitro mave-tarmkanal (Feng et al, 2016).
Ovalbumin-dextran-nanogelerne blev fremstillet ved kovalent binding af dextran til ovalbumin ved Maillard-reaktionen, og konjugaterne blev derefter opvarmet ved ovalbumins isoelektriske punkt for at give stabile nanogeler med en sfærisk struktur. Curcumin blev yderligere indlæst i nanogeler ved en pH-drevet metode, idet inkorporeringen påvirkede nanogels randmorfologi.
Dextrin, som blev oxideret med natriumperiodat og tværbundet yderligere med adipinsyredihydrazid, blev anvendt til fremstilling af fuldt resorbable hydrogeler uden brug af kemiske initiatorer (Molinos et al, 2012).
Hydrogelsene udviste gode mekaniske egenskaber og biokompatibilitet, hvilket blev bevist ved proliferation af musembryofibroblaster 3T3, der blev dyrket oven på gelen. De dextrinoxiderede hydrogeler blev også anvendt til inkorporering af dextrin-nanogeler, lastet med interleukin-10 (IL-10) og insulin. De nye bionedbrydelige systemer med 3D-netværk og kontinuerlig porøs struktur udgjorde et sofistikeret system til kontrolleret frigivelse af proteiner. Forbindelsernes egenskaber anbefaler dem også som injicerbare bærere af bioaktive molekyler.
Der er forsket i fremstillingen af nanogeler baseret på dextrin tværbundet med glyoxal (Manchun et al., 2014). Nanogellerne, der blev fremstillet i emulsion ved at krydsbinde dextrin med glyoxal for at skabe en syre-labil binding, viste en let negativ overfladeladning og pH-responsiv adfærd. Disse pH-responsive nanogeler (DNG’er) var også i stand til at udløse en langsom intracellulær frigivelse af DOX ved pH 7,4, som øgedes med faldende pH (pH 5>6,8). Cytotoksiciteten afslørede reducerede bivirkninger til ikke-tumorceller, såsom kardiomyocytter og stamceller.
Den videre undersøgelse af de samme forfattere havde henblik på forbedring af dextrin-krydsbindingsprocessen ved hjælp af formaldehyd (Manchun et al., 2015).
Disse nye pH-responsive nanogeler var effektive som matricer for DOX (anthracyclin-klasse) og yderligere anvendelser i behandling af kolorektal cancer. Lægemiddelfrigivelsen var langsom ved neutral pH, men steg betydeligt i surt medium. Desuden var cytotoksiciteten af nanogellerne med formaldehyd-crosslinker (FDNG’er) lavere end dem med glyoxal eller endog end lægemidlet alene. Disse FDNG’er har også givet en effektiv frigivelse af DOX til kerner og en øget antitumorvirkning ved at hæmme proliferationen mere effektivt og ved at fremkalde apoptose. Som følge heraf blev FDNG’er betragtet som et lovende middel til lægemiddelformidling til behandling af kolorektal cancer.