11.2.2 Nanogels op basis van dextraan en dextrinen
Dextraan, het resultaat van vele glucosemoleculen en ketens van verschillende lengte, en dextrinen, koolhydraten met een laag molecuulgewicht die worden geproduceerd door hydrolyse van zetmeel of glycogeen, zijn beide geschikt voor de bereiding van nanogels vanwege hun structuur (Fig. 11.3).
Figuur 11.3. Structuur van dextran (A) en dextrinen (B).
De belangstelling voor materialen met gemakkelijk afstembare siRNA-afgave-eigenschappen en een geoptimaliseerd siRNA-gen-silcerend effect in termen van grootte en duur was een eerder onderwerp van onderzoek (Raemdonck et al., 2008). In dit verband werden kationische biologisch afbreekbare dextran microgels gesynthetiseerd, waar het siRNA werd geladen posterior aan gelvorming van het netwerk door elektrostatische interacties. De tijdsgecontroleerde afgifte van siRNA werd bereikt door de aanvankelijke netwerkdichtheid van de microgels te variëren. Om tijdgecontroleerde afgifte van siRNA in een intracellulaire omgeving te bereiken, rapporteerde dezelfde groep onderzoekers siRNA-geladen kationische microgels op basis van kationische dextran hydroxyethylmethacrylaat (dex-HEMA) structuren, en synthetiseerde kationische biologisch afbreekbare dextran nanogroepen en evalueerde het vermogen om de ingesloten siRNA te complexeren en vervolgens vrij te geven (Raemdonck et al., 2009).
De macrogels werden bereid uit dex-HEMA gecopolymeerd met kationische methacrylaat monomeren, waarbij HEMA werd gekoppeld aan de dextran ruggengraat door middel van een carbonaat ester, waardoor het kationische hydrogel netwerk biologisch af te breken door hydrolyse onder fysiologische omstandigheden. De positief geladen dextran nanogels werden gesynthetiseerd via een miniemulsie fotopolimerisatiemethode toegepast op dex-HEMA of dextran methacrylaat in aanwezigheid van een bekende hoeveelheid van het kationische methacrylaat monomeer en de Irgacure fotoinitiator. De dextraanfase werd geëmulgeerd in minerale olie, gesonificeerd en vernet door UV-straling. De gesynthetiseerde nanogels vertoonden een gemakkelijk aanpasbare degradatiekinetiek en konden op basis van elektrostatische interacties siRNA met een hoge ladingscapaciteit insluiten. Grote hoeveelheden siRNA-geladen nanogels werden geïnternaliseerd door HuH-7 menselijke hepatoma cellen zonder significante cytotoxiciteit.
Hoewel dex-HEMA nanogels zijn gemeld als geschikte dragers voor in vitro siRNA levering en ideaal formaat voor intraveneuze levering aan tumoren, werd geconcludeerd dat ze onvoldoende bloed circulatietijden bezitten om adequate extravasatie en accumulatie in tumorweefsel mogelijk te maken. Daarom werd een PEGylatieproces van deze nanogroepen voorgesteld om hun circulatietijd te verbeteren en hun aggregatie bij intraveneuze injectie te minimaliseren. Als gevolg hiervan stelden de onderzoekers een nieuw type nanogel voor en verschillende methoden om de dextran nanogels te PEGyleren (Naeye et al., 2010).
Het werd aangetoond dat covalente PEGylering van de met siRNA beladen nanogels met behulp van N-hydroxysuccinimidyl polyethyleenglycol (PEG) superieur was aan de toevoeging van zowel PEG als PEG-gegraft poly-l-glutaminezuur. Het in vitro onderzoek toonde aan dat PEG-geylateerde nanogroepen efficiënt werken op HuH-7 menselijke hepatoomcellen en A431 menselijke epitheliale carcinomacellen.
Na deze onderzoeken betreffende de dextran nanogroepen gebruikt als nanocarriersystemen om siRNA in vitro af te leveren, werd in een andere studie met behulp van verschillende geavanceerde methoden geëvalueerd dat siRNA-geladen dextran nanogroepen hemocompatibel zijn (Naeye et al., 2011).
Daarbij werden aggregometrie- en flowcytometriemethoden gebruikt om de interacties tussen nanogels en bloedcellen aan te tonen, onder omstandigheden die sterk lijken op de in vivo situatie. Geconcludeerd werd dat het PEGyleren van de met siRNA beladen dextran nanogels waarschijnlijk de veiligste formulering voor in vivo siRNA-afgifte is; zij hadden geen significante invloed op hun interacties met cellen, maar het is noodzakelijk om hun aggregatie in menselijk plasma te voorkomen.
De bezorgdheid over polymere nanogels werd vooral uitgebreid vanwege hun toepassingen bij de aflevering van geneesmiddelen of biomedische diagnostiek. Terwijl de chemisch covalente cross-linked en de fysisch niet-covalente cross-linked nanogels worden beschouwd als de meest gebruikelijke bereidingsmethoden, biedt supramoleculaire cross-linking uniek gemak en flexibiliteit. De onderzoekers wezen een nieuwe supramoleculaire nanogel aan met zuur pH-responsief gedrag op basis van benzimidazole geënt op dextran (Dex-g-BM) en cross-linked aan thiol-b-cyclodextrine (b-CD-SH) via een oxidatieve hydrosulfide groep (Chen et al., 2014).
De nieuwe supramoleculaire nanogels hebben speciale supramoleculaire pH-gevoeligheid onder zure omstandigheden (pH<6, binnen het bereik van kwaadaardige cellulaire endosomen) en verminderde gevoeligheid in reactie op biologisch relevante stimuli, eigenschappen van groot belang op het gebied van kankerchemotherapeutica, aangezien deze nieuwe supramoleculaire nanogel zou kunnen worden gebruikt als een intracellulair drug-delivery systeem.
Een nieuwe verbinding met curcumine (CCM)-gebaseerde biologisch afbreekbare NP’s bereid door zelfassemblage van amfifiele dextran met CCM-conjugaten werd bereikt door directe dispersie van polymeren in water (Nagahama et al, 2015). De nieuwe dextraan-CCM-conjugaat-NP’s hebben een hoog CCM-gehalte en een hoge oplosbaarheid in water. Vanuit het oogpunt van hun toepasbaarheid was het mogelijk om de dextran-CCM NP’s in HeLa-cellen af te leveren en ze vertoonden sterke fluorescentie die beschikbaar was via live-celbeeldvorming, hoewel de NP’s niet in normale cellen werden afgeleverd.
Nieuwe ovalbumine-dextran nanogels gefabriceerd via de Maillard-reactie gevolgd door een warmte-gelatieproces, presenteerden ook potentieel om de biologische beschikbaarheid van curcumine te verbeteren, wat verder werd onderzocht in een in vitro maag-darmkanaal (Feng et al., 2016).
De ovalbumine-dextraan nanogels werden bereid door covalente binding van dextraan aan ovalbumine door de Maillard-reactie, en de conjugaten werden vervolgens verwarmd bij het iso-elektrische punt van ovalbumine om stabiele nanogels met een bolvormige structuur te geven. Curcumine werd verder geladen in nanogels door een pH-gestuurde methode, incorporatie die de marginale morfologie van nanogels beïnvloedde.
Dextrine, die werd geoxideerd met natriumperiodaat en verder vernet met adipinezuur dihydrazide, werd gebruikt voor de bereiding van volledig resorbeerbare hydrogels zonder gebruik van chemische initiatoren (Molinos et al., 2012).
De hydrogels vertoonden goede mechanische eigenschappen en biocompatibiliteit, bewezen door de proliferatie van muizenembryo fibroblasten 3T3 gekweekt bovenop de gel. De dextrine-geoxideerde hydrogels werden ook gebruikt voor de incorporatie van dextrine-nanogels, geladen met interleukine-10 (IL-10) en insuline. De nieuwe biologisch afbreekbare systemen met 3-D netwerk en continue poreuze structuur boden een geavanceerd systeem voor gecontroleerde afgifte van eiwitten. De eigenschappen van de verbindingen bevelen ze ook aan als injecteerbare drager van bioactieve moleculen.
Er is onderzoek gedaan naar de bereiding van nanogels op basis van dextrine, vernet met glyoxal (Manchun et al., 2014). De nanogels, bereid in emulsie door dextrine te crosslinken met glyoxal om een zuur-labiele binding te creëren, vertoonden een licht negatieve oppervlaktelading en pH-responsief gedrag. Deze pH-responsieve nanogroepen (DNG’s) waren ook in staat om een langzame intracellulaire afgifte van DOX op gang te brengen bij pH 7,4, die toenam bij afnemende pH (pH 5>6,8). De cytotoxiciteit onthulde verminderde neveneffecten op niet-tumorcellen, zoals cardiomyocyten en stamcellen.
Verder onderzoek door dezelfde auteurs had de verbetering van het dextrine cross-linking proces in het oog door formaldehyde te gebruiken (Manchun et al., 2015).
Deze nieuwe pH-responsieve nanogels waren efficiënt als matrices voor DOX (anthracycline klasse) en verdere toepassingen in de behandeling van colorectale kanker. De geneesmiddelafgifte was traag bij neutrale pH, maar nam aanzienlijk toe in zuur medium. Ook was de cytotoxiciteit van de nanogels met formaldehyde cross-linker (FDNGs) lager dan die met glyoxal of zelfs dan het geneesmiddel alleen. Deze FDNGs vertoonden ook een effectieve afgifte van DOX in de kernen, een verbeterde antitumor werkzaamheid door efficiënter de proliferatie te remmen en door apoptose te induceren. Dientengevolge werden FDNGs beschouwd als een veelbelovend drug-delivery voertuig voor de behandeling van colorectale kanker.