11.2.2 Nanogele auf der Basis von Dextran und Dextrinen
Dextran, das aus vielen Glukosemolekülen und Ketten unterschiedlicher Länge besteht, und Dextrine, Kohlenhydrate mit niedrigem Molekulargewicht, die durch Hydrolyse von Stärke oder Glykogen entstehen, eignen sich aufgrund ihrer Struktur für die Herstellung von Nanogelen (Abb. 11.3).
Abbildung 11.3. Struktur von Dextran (A) und Dextrinen (B).
Das Interesse an Materialien mit leicht abstimmbaren siRNA-Freisetzungseigenschaften und optimiertem siRNA-Gen-Silencing-Effekt in Bezug auf Ausmaß und Dauer war bereits früher Gegenstand von Untersuchungen (Raemdonck et al., 2008). In diesem Zusammenhang wurden kationische, biologisch abbaubare Dextran-Mikrogele synthetisiert, in die die siRNA durch elektrostatische Wechselwirkungen im Anschluss an die Gelbildung des Netzwerks geladen wurde. Die zeitgesteuerte Freisetzung von siRNA wurde durch Variation der anfänglichen Netzwerkdichte der Mikrogele erreicht. Um eine zeitgesteuerte siRNA-Freisetzung in einer intrazellulären Umgebung zu erreichen, berichtete dieselbe Forschergruppe über siRNA-beladene kationische Mikrogele, die auf kationischen Dextran-Hydroxyethylmethacrylat-Strukturen (dex-HEMA) basieren, und synthetisierte kationische biologisch abbaubare Dextran-Nanogele und untersuchte die Fähigkeit, die eingeschlossene siRNA zu komplexieren und anschließend freizusetzen (Raemdonck et al, 2009).
Die Makrogele wurden aus Dex-HEMA hergestellt, das mit kationischen Methacrylatmonomeren copolymerisiert wurde, wobei HEMA über einen Carbonatester an das Dextrangerüst gekoppelt war, wodurch das kationische Hydrogelnetzwerk unter physiologischen Bedingungen durch Hydrolyse biologisch abgebaut werden konnte. Die positiv geladenen Dextran-Nanogele wurden durch eine Miniemulsions-Photopolymerisationsmethode für Dex-HEMA oder Dextranmethacrylat in Gegenwart einer bekannten Menge des kationischen Methacrylat-Monomers und des Irgacure-Photoinitiators synthetisiert. Die Dextranphase wurde in Mineralöl emulgiert, beschallt und durch UV-Bestrahlung vernetzt. Die synthetisierten Nanogele wiesen eine leicht einstellbare Abbaukinetik auf und waren in der Lage, siRNA aufgrund elektrostatischer Wechselwirkungen mit einer hohen Ladekapazität einzuschließen. Große Mengen an siRNA-beladenen Nanogelen wurden von menschlichen HuH-7 Hepatomazellen ohne signifikante Zytotoxizität internalisiert.
Obwohl die dex-HEMA-Nanogele als geeignete Träger für die in vitro siRNA-Verabreichung und in idealer Größe für die intravenöse Verabreichung an Tumore bekannt sind, wurde festgestellt, dass sie eine unzureichende Blutzirkulationszeit aufweisen, um eine angemessene Extravasation und Akkumulation im Tumorgewebe zu ermöglichen. Daher wurde ein PEGylierungsverfahren für diese Nanogels vorgeschlagen, um ihre Zirkulationszeit zu verbessern und ihre Aggregation bei intravenöser Injektion zu minimieren. Infolgedessen schlugen die Forscher eine neue Art von Nanogel und verschiedene Methoden zur PEGylierung der Dextran-Nanogele vor (Naeye et al., 2010).
Es wurde gezeigt, dass die kovalente PEGylierung der mit siRNA beladenen Nanogele unter Verwendung von N-Hydroxysuccinimidyl-Polyethylenglykol (PEG) der Zugabe von PEG und PEG-gepfropfter Poly-l-Glutaminsäure überlegen war. Die In-vitro-Untersuchung ergab, dass PEGylierte Nanogels effizient auf HuH-7-Humanhepatomzellen und A431-Humanepithelkarzinomzellen wirken.
Nach diesen Untersuchungen zu den Dextran-Nanogelen, die als Nanoträgersysteme zur Verabreichung von siRNA in vitro verwendet werden, wurde in einer anderen Studie unter Verwendung mehrerer fortschrittlicher Methoden bewertet, dass siRNA-beladene Dextran-Nanogels hämokompatibel sind (Naeye et al., 2011).
So wurden Aggregometrie- und Durchflusszytometrie-Methoden eingesetzt, um die Wechselwirkungen zwischen Nanogelen und Blutzellen unter Bedingungen nachzuweisen, die der Situation in vivo sehr ähnlich sind. Man kam zu dem Schluss, dass die PEGylierung der mit siRNA beladenen Dextran-Nanogele wahrscheinlich die sicherste Formulierung für die in vivo siRNA-Verabreichung ist; sie beeinflussten ihre Wechselwirkungen mit Zellen nicht signifikant, aber es ist notwendig, ihre Aggregation im menschlichen Plasma zu verhindern.
Die Besorgnis über polymere Nanogele wurde insbesondere aufgrund ihrer Anwendungen bei der Verabreichung von Arzneimitteln oder in der biomedizinischen Diagnostik erweitert. Während die chemisch kovalent vernetzten und die physikalisch nicht kovalent vernetzten Nanogele als die gängigsten Methoden der Herstellung gelten, bietet die supramolekulare Vernetzung einzigartigen Komfort und Flexibilität. Die Forscher bezeichneten ein neuartiges supramolekulares Nanogel mit saurem, auf den pH-Wert reagierendem Verhalten, das auf Benzimidazol basiert, das auf Dextran (Dex-g-BM) gepfropft und über eine oxidative Hydrosulfidgruppe mit Thiol-b-Cyclodextrin (b-CD-SH) vernetzt ist (Chen et al., 2014).
Die neuen supramolekularen Nanogels haben eine besondere supramolekulare pH-Empfindlichkeit unter sauren Bedingungen (pH<6, im Bereich der malignen zellulären Endosomen) und eine reduzierte Empfindlichkeit als Reaktion auf biologisch relevante Stimuli, Eigenschaften, die im Bereich der Krebs-Chemotherapeutika von großem Interesse sind, da dieses neue supramolekulare Nanogel als intrazelluläres Wirkstoffabgabesystem verwendet werden könnte.
Eine neuartige Verbindung mit Curcumin (CCM)-basierten biologisch abbaubaren NPs, die durch Selbstmontage von amphiphilem Dextran mit CCM-Konjugaten hergestellt wurden, wurde durch direkte Dispersion der Polymere in Wasser erreicht (Nagahama et al., 2015). Die neuen Dextran-CCM-Konjugat-NP weisen einen hohen CCM-Beladungsgehalt und eine hohe Wasserlöslichkeit auf. Im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit war es möglich, die Dextran-CCM-NPs in HeLa-Zellen einzubringen, und sie wiesen eine starke Fluoreszenz auf, die durch Live-Cell-Imaging verfügbar war, obwohl die NPs nicht in normale Zellen eingebracht wurden.
Neue Ovalbumin-Dextran-Nanogele, die durch die Maillard-Reaktion und einen anschließenden Hitze-Gelierungsprozess hergestellt wurden, haben ebenfalls das Potenzial, die Bioverfügbarkeit von Curcumin zu verbessern, was in einem In-vitro-Gastrointestinaltrakt weiter untersucht wurde (Feng et al., 2016).
Die Ovalbumin-Dextran-Nanogele wurden durch kovalente Bindung von Dextran an Ovalbumin durch die Maillard-Reaktion hergestellt, und die Konjugate wurden dann am isoelektrischen Punkt von Ovalbumin erhitzt, um stabile Nanogele mit einer sphärischen Struktur zu erhalten. Curcumin wurde durch ein pH-gesteuertes Verfahren weiter in die Nanogele eingebracht, was sich auf die Randmorphologie der Nanogele auswirkte.
Dextrin, das mit Natriumperiodat oxidiert und mit Adipinsäuredihydrazid weiter vernetzt wurde, wurde für die Herstellung vollständig resorbierbarer Hydrogele ohne Verwendung chemischer Initiatoren verwendet (Molinos et al., 2012).
Die Hydrogele wiesen gute mechanische Eigenschaften und Biokompatibilität auf, was durch die Proliferation von 3T3-Mausembryo-Fibroblasten, die auf dem Gel kultiviert wurden, belegt wurde. Die mit Dextrin oxidierten Hydrogele wurden auch für die Einarbeitung von Dextrin-Nanogelen verwendet, die mit Interleukin-10 (IL-10) und Insulin beladen waren. Die neuen biologisch abbaubaren Systeme mit 3-D-Netzwerk und kontinuierlicher poröser Struktur stellten ein hochentwickeltes System zur kontrollierten Freisetzung von Proteinen dar. Die Eigenschaften der Verbindungen empfehlen sie auch als injizierbare Träger für bioaktive Moleküle.
Es wurden Forschungen zur Herstellung von Nanogelen auf der Basis von mit Glyoxal vernetztem Dextrin durchgeführt (Manchun et al., 2014). Die Nanogele, die in Emulsion durch Vernetzung von Dextrin mit Glyoxal hergestellt wurden, um eine säurelabile Bindung zu schaffen, zeigten eine leicht negative Oberflächenladung und ein pH-empfindliches Verhalten. Diese auf den pH-Wert reagierenden Nanogele (DNGs) waren auch in der Lage, eine langsame intrazelluläre Freisetzung von DOX bei einem pH-Wert von 7,4 auszulösen, die mit abnehmendem pH-Wert (pH 5>6,8) zunahm. Die Zytotoxizität zeigte geringere Nebenwirkungen auf Nicht-Tumorzellen wie Kardiomyozyten und Stammzellen.
Weitere Untersuchungen derselben Autoren hatten die Verbesserung des Dextrin-Vernetzungsprozesses durch die Verwendung von Formaldehyd zum Ziel (Manchun et al., 2015).
Diese neuen pH-responsiven Nanogele waren effizient als Matrizen für DOX (Anthrazyklin-Klasse) und weitere Anwendungen in der Darmkrebsbehandlung. Die Freisetzung des Medikaments war bei neutralem pH-Wert langsam, nahm aber in saurem Medium deutlich zu. Außerdem war die Zytotoxizität der Nanogels mit Formaldehyd als Vernetzer (FDNGs) geringer als die mit Glyoxal oder sogar als die des Medikaments allein. Diese FDNGs haben auch eine effektive Freisetzung von DOX in die Zellkerne, eine verbesserte Antitumor-Wirksamkeit durch effizientere Hemmung der Proliferation und durch Induktion der Apoptose gezeigt. Infolgedessen wurden FDNGs als vielversprechendes Vehikel zur Medikamentenabgabe für die Darmkrebstherapie angesehen.