11.2.2 Dekstraaniin ja dekstriiniin perustuvat nanogeelit
Dekstraani, joka syntyy monista glukoosimolekyyleistä ja eripituisista ketjuista, ja dekstriinit, tärkkelyksen tai glykogeenin hydrolyysin tuloksena syntyvät molekyylipainoltaan alhaiset hiilihydraatit, soveltuvat molemmat rakenteensa vuoksi nanogeelien valmistukseen (kuva. 11.3).
Kuva 11.3. Dekstraanin (A) ja dekstriinien (B) rakenne.
Kiinnostus materiaaleihin, joilla on helposti säädettävät siRNA:n vapautumisominaisuudet ja optimoitu siRNA:n geeninvaimennusvaikutus suuruuden ja keston suhteen, oli aiempien tutkimusten kohteena (Raemdonck ym., 2008). Tässä yhteydessä syntetisoitiin kationisia biohajoavia dekstraanimikrogeelejä, joihin siRNA ladattiin elektrostaattisten vuorovaikutusten kautta verkoston geelin muodostumisen jälkeen. SiRNA:n aikaohjattu vapautuminen saavutettiin vaihtelemalla mikrogeelien alkuperäistä verkostotiheyttä. Saadakseen aikaan ajallisesti kontrolloidun siRNA:n annostelun solunsisäisessä ympäristössä sama tutkijaryhmä raportoi siRNA:lla ladatuista kationisista mikrogeeleistä, jotka perustuivat kationiseen dekstraanihydroksietyylimetakrylaattirakenteeseen (dex-HEMA), ja syntetisoi kationisia, biologisesti hajoavia dekstraaninanogeelejä ja arvioi kykyä kompleksisoida ja sittemmin vapauttaa sisäänsä sulkeutunutta siRNA:ta (Raemdonck et al., 2009).
Makrogeelit valmistettiin kationisilla metakrylaattimonomeereillä kopolymeroidusta dex-HEMA:sta, jossa HEMA oli kytketty dekstraanirunkoon karbonaattiesterin välityksellä, jolloin kationinen hydrogeeliverkosto pystyi hajoamaan biologisesti hydrolyysin kautta fysiologisissa olosuhteissa. Positiivisesti varautuneet dekstraaninanogeelit syntetisoitiin miniemulsiovalopolymerointimenetelmällä, jota sovellettiin dex-HEMA:han tai dekstraanimetakrylaattiin tunnetun määrän kationisen metakrylaattimonomeerin ja Irgacure-valoinitiaattorin läsnä ollessa. Dekstraanifaasi emulgoitiin mineraaliöljyyn sonikoimalla ja silloitettiin UV-säteilytyksellä. Syntetisoidut nanogeelit osoittivat helposti räätälöitävissä olevaa hajoamiskinetiikkaa ja kykenivät elektrostaattisiin vuorovaikutuksiin perustuvalla suurella lastauskapasiteetilla vangitsemaan siRNA:ta. HuH-7-ihmisen hepatoomasolut sisäistivät suuria määriä siRNA:lla ladattuja nanogeelejä ilman merkittävää sytotoksisuutta.
Vaikka dex-HEMA-nanogeelit on raportoitu soveltuviksi kantajiksi in vitro siRNA:n levittämiseen ja ihanteellisen kokoisiksi laskimonsisäiseen levittämiseen kasvaimiin, pääteltiin, että niillä on riittämätön verenkiertoaika, joka mahdollistaisi asianmukaisen ekstravasaation ja kertymisen kasvainkudokseen. Näin ollen ehdotettiin näiden nanogeelien PEGylointiprosessia niiden verenkiertoajan parantamiseksi ja niiden aggregoitumisen minimoimiseksi laskimonsisäisen injektion yhteydessä. Tämän seurauksena tutkijat ehdottivat uudentyyppistä nanogeeliä ja erilaisia menetelmiä dekstraani-nanogeelien PEGylointiin (Naeye ym., 2010).
On osoitettu, että siRNA:lla ladattujen nanogeelien kovalenttinen PEGylointi N-hydroksisuksinimidyylipolyetyleeniglykolin (PEG) avulla oli parempi kuin sekä PEG:n että PEG:llä seostetun poly-l-glutamiinihapon lisääminen. In vitro -tutkimus osoitti, että PEG-yloidut nanogeelit toimivat tehokkaasti HuH-7-ihmisen hepatoomasoluissa ja A431-ihmisen epiteelikarsinoomasoluissa.
Näiden tutkimusten jälkeen, jotka koskivat siRNA:n in vitro-levittämiseen käytettäviä nanokantajajärjestelminä käytettäviä dekstraanin nanogeelejä, arvioitiin eräässä toisessa tutkimuksessa, jossa käytettiin useita kehittyneitä menetelmiä, että siRNA:lla ladatut dekstraanin nanogeelit ovat hemokompatibiliteetteja (Naeye et al.,
Tällöin käytettiin aggregaatiometria- ja virtaussytometriamenetelmiä osoittamaan nanogeelien ja verisolujen väliset vuorovaikutukset olosuhteissa, jotka muistuttavat läheisesti in vivo -tilannetta. Johtopäätöksenä todettiin, että siRNA:lla ladattujen dekstraani-nanogeelien PEGylointi on todennäköisesti turvallisin formulaatio in vivo siRNA:n toimittamiseen; ne eivät vaikuttaneet merkittävästi niiden vuorovaikutuksiin solujen kanssa, mutta niiden aggregaatio ihmisen plasmassa on estettävä.
Huolta polymeerisistä nanogeeleistä laajennettiin erityisesti niiden sovellusten vuoksi lääkkeiden toimittamisessa tai biolääketieteellisessä diagnostiikassa. Vaikka kemiallisesti kovalenttisesti ristisilloitettuja ja fysikaalisesti ei-kovalenttisesti ristisilloitettuja nanogeelejä pidetään yleisimpinä valmistusmenetelminä, supramolekulaarinen ristisilloitus tarjoaa ainutlaatuista mukavuutta ja joustavuutta. Tutkijat nimesivät uudenlaisen supramolekulaarisen nanogeelin, jolla on happamalle pH:lle reagoiva käyttäytyminen ja joka perustuu dekstraaniin (Dex-g-BM) siirrettyyn bentsimidatsoliin, joka on ristisilloitettu tioli-b-syklodekstriiniin (b-CD-SH) oksidatiivisen hydrosulfidiryhmän kautta (Chen et al., 2014).
Uusilla supramolekulaarisilla nanogeeleillä on erityinen supramolekulaarinen pH-herkkyys happamissa olosuhteissa (pH<6, joka on pahanlaatuisten solujen endosomien alueella) ja alentunut herkkyys vasteena biologisesti merkityksellisiin ärsykkeisiin, ominaisuudet, jotka ovat erittäin kiinnostavia syövän kemoterapeuttisten lääkkeiden alalla, koska tätä uutta supramolekulaarista nanogeeliä voitaisiin käyttää solunsisäisenä lääkeaineen luovutusjärjestelmänä.
Uusi yhdiste, jossa on kurkumiinia (CCM) -pohjaisia biohajoavia NP:itä, jotka on valmistettu amfifiilisen dekstraanin ja CCM-konjugaattien itsekokoonpanolla, saatiin aikaan dispergoimalla polymeerit suoraan veteen (Nagahama et al., 2015). Uusilla dekstraani-CCM-konjugaatti NP:illä on korkea CCM-kuormituspitoisuus ja korkea vesiliukoisuus. Sovellettavuuden kannalta dekstraani-CCM NP:t oli mahdollista toimittaa HeLa-soluihin ja ne osoittivat voimakasta fluoresenssia, joka oli saatavissa elävien solujen kuvantamisen avulla, vaikka NP:t eivät päässeetkään normaaleihin soluihin.
Uudet ovalbumiini-dekstraani-nanogeelit, jotka valmistettiin Maillardin reaktiolla, jota seurasi lämpögeelöintiprosessi, esittelivät myös potentiaalia parantamaan kurkumiinin biologista hyötyosuutta, jota tutkittiin tarkemmin elävöityneessä in vitro-ruoansulatuskanavaan tehdyissä testeissä (Feng et al., 2016).
Ovalbumiini-dekstraani-nanogeelit valmistettiin kiinnittämällä dekstraani kovalenttisesti ovalbumiiniin Maillardin reaktiolla, minkä jälkeen konjugaatit kuumennettiin ovalbumiinin isoelektriseen pisteeseen, jolloin saatiin stabiileja nanogeelejä, joilla oli pallomainen rakenne. Kurkumiinia ladattiin edelleen nanogeeleihin pH-ohjatulla menetelmällä, jonka sisällyttäminen vaikutti nanogeelien marginaaliseen morfologiaan.
Dekstriiniä, joka hapetettiin natriumparodinaatilla ja silloitettiin edelleen adipiinihappodihydrazidilla, käytettiin täysin resorboituvien hydrogeelien valmistukseen ilman kemiallisia initiaattoreita (Molinos et al.,
Hydrogeeleillä oli hyvät mekaaniset ominaisuudet ja bioyhteensopivuus, minkä osoitti geelin päällä viljeltyjen hiiren alkion fibroblastien 3T3:n lisääntyminen. Dekstriinioksidoituja hydrogeelejä käytettiin myös interleukiini-10:llä (IL-10) ja insuliinilla ladattujen dekstriini-nanogeelien sisällyttämiseen. Uudet biohajoavat järjestelmät, joissa on kolmiulotteinen verkko ja jatkuva huokoinen rakenne, esittivät hienostuneen järjestelmän proteiinien hallittuun vapautumiseen. Yhdisteiden ominaisuudet suosittelevat niitä myös bioaktiivisten molekyylien injektoitavaksi kantajaksi.
Tutkimusta on tehty glyoksaalilla ristisilloitettuun dekstriiniin perustuvien nanogeelien valmistuksesta (Manchun et al., 2014). Nanogeelit, jotka valmistettiin emulsiossa ristisilloittamalla dekstriiniä glyoksaalilla happoa sitovan sidoksen luomiseksi, osoittivat lievästi negatiivista pintavarausta ja pH-herkkää käyttäytymistä. Nämä pH:lle reagoivat nanogeelit (DNG) kykenivät myös käynnistämään DOX:n hitaan solunsisäisen vapautumisen pH:ssa 7,4, joka lisääntyi pH:n laskiessa (pH 5>6,8). Sytotoksisuus osoitti vähäisempiä sivuvaikutuksia muihin kuin kasvainsoluihin, kuten kardiomyosyytteihin ja kantasoluihin.
Samojen kirjoittajien jatkotutkimuksissa oli mielessä dekstriinin ristisilloitusprosessin parantaminen formaldehydiä käyttämällä (Manchun ym., 2015).
Nämä uudet pH:lle reagoivat nanogeelit olivat tehokkaita matriiseina DOX:lle (antrasykliiniluokka) ja lisäsovelluksia paksusuolisyövän hoidossa. Lääkeaineen vapautuminen oli hidasta neutraalissa pH:ssa, mutta lisääntyi merkittävästi happamassa väliaineessa. Myös formaldehydin ristisilloittajaa (FDNG) käyttävien nanogeelien sytotoksisuus oli alhaisempi kuin glyoksaalia käyttävien tai jopa kuin pelkän lääkkeen. Nämä FDNG:t ovat myös vapauttaneet DOX:ää tehokkaasti ytimiin ja tehostaneet kasvainvastaista tehoa estämällä tehokkaammin proliferaatiota ja indusoimalla apoptoosia. Tämän seurauksena FDNG:tä pidettiin lupaavana lääkkeenjakeluvälineenä kolorektaalisyövän hoidossa.