Наносистемы на основе амфифильных полимеров для доставки биологически активных веществ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.15, кандидат химических наук Виллемсон, Александр Леонидович

• Виллемсон, Александр Леонидович
• кандидат химических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат химических наук Виллемсон, Александр Леонидович

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

ГЛАВА 1. АМФИФИЛЬНЫЕ ПОЛИМЕРЫ:

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА

1.1. Строение амфифильных полимеров

1.2. Поведение амфифильных полимеров в растворах

1.3. Термодинамические аспекты ассоциации амфифильных полимеров

1.4. Комплексообразование амфифильных полимеров с ПАВ в водных растворах

1.5. Взаимодействие амфифильных полимеров с белками

ГЛАВА 2. НАНОЧАСТИЦЫ НА ОСНОВЕ

АМФИФИЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

2.1. Основные типы полимерных наночастиц

2.2. Методы получения полимерных наночастиц из амфифильных полимеров

2.3. Получение наночастиц, содержащих БАВ и их свойства

ГЛАВА 3. ПОЛИМЕРНЫЕ НАНОСИСТЕМЫ

ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ЦЕЛЕЙ

3.1. Требования, предъявляемые к полимеру-носителю БАВ

3.1.1. Физико-химические свойства полимера

3.1.2. Биосовместимость

3.1.3. Биодеградируемость

3.2. Требования, предъявляемые к полимерным системам доставки БАВ

3.2.1. Состав полимерных систем доставки

3.2.2. Размер полимерных систем доставки

3.2.3. Скорость высвобождения БАВ

3.3. Примеры амфифильных полимеров и наночастиц с включенными БАВ

3.4. Поведение полимерных наносистем в организме при основных способах введения

3.5. Потенциальные области применения полимерных наночастиц в качестве систем доставки БАВ

3.5.1. Противораковая химиотерапия

3.5.2. Доставка белковых молекул

3.5.3. Лечение грибковых и бактериальных инфекций

3.5.4. Биомедицинская диагностика

ГЛАВА 4. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ,

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Амфифильные полимеры, используемые в работе

4.1.1. Амфифильные производные поли-Ы-винилпирролидона

4.1.2. Амфифильные производные декстрана

4.2. Биологически активные вещества, используемые в работе

4.2.1. Тамоксифен

4.2.2. Соевый ингибитор протеиназ типа Баумана-Бирк

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5.1. Материалы и оборудование

5.1.1. Материалы

5.1.2. Оборудование

5.2. Определение содержания декстрана в образцах

5.2.1. Антроновый метод

5.2.2. Метод Дюбуа

5.3. Количественное определение ПВП

5.4. Определение критической концентрации агрегации

5.5. Получение поли-е-капролактоновых микрочастиц методом нанопреципитации

5.6. Получение декстран-поли-е-капролактоновых микрочастиц эмульсионным методом

5.7. Получение наночастиц методом прямого растворения

5.7.1. Получение ПВП-стеар наночастиц

5.7.2. Получение Dex-PCL наночастиц

5.8. Получение наночастиц диализным методом

5.9. Получение наночастиц эмульсионным методом

5.10. Изучение устойчивости дисперсии наночастиц

5.11. Изучение влияния ионной силы на агрегирование наночастиц

5.12. Деградация Dex-PCL наночастиц

5.12.1. Деградация декстраназой

5.12.2. Деградация липазой

5.13. Получение полимерных наночастиц, содержащих соевый ингибитор протеиназ типа Баумана-Бирк

5.14. Изучение кинетики высвобождения BBI из

Dex-PCL наночастиц

5.15. Изучение кинетики высвобождения BBI при деградации Dex-PCL наночастиц декстраназой

5.16.Определение активности BBI

5.16.1. Определение антитриптической активности

5.16.2. Определение антихимотриптической активности

5.17. Включение тамоксифена в наночастицы

5.18. Количественное определение тамоксифена спектрофотометрическим методом

5.19. Изучение кинетики высвобождения тамоксифена из наночастиц

5.20. Электрофорез препаратов содержащих BBI в ПААГ

5.21. Хроматография смеси BBI и ПВП-стеар на Сефадексе

5.22. Гельпроникающая хроматография препаратов, содержащих BBI

5.23. Вторая производная спектров УФ поглощения

5.24. Определение размеров частиц методом динамического светорассеяния

5.25. Измерение электрокинетического потенциала наночастиц

5.26. Световая оптическая микроскопия

5.27. Конфокальная лазерная сканирующая флуоресцентная микроскопия

5.28. Электронная микроскопия

5.28.1. Сканирующая электронная микроскопия

5.28.2. Трансмиссионная электронная микроскопия

5.28.3. Электронная микроскопия замороженных сколов

5.29. ЯМР спектроскопия

5.30. Изучение устойчивости агрегатов ПВП-стеар в присутствии сыворотки крови

5.31. Приготовление стандартных взвесей эритроцитов барана и кролика

5.32. Приготовление сенсибилизированных эритроцитов барана

5.33. Исследование литического действия препаратов на сенсибилизированные эритроциты барана

5.34. Определение влияния альбумина человека на литическое действие препаратов

5.35. Изучение влияния наночастиц на активацию системы комплемента

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

ГЛАВА 6. ИЗУЧЕНИЕ СТРОЕНИЯ И

СВОЙСТВ ИССЛЕДУЕМЫХ ПОЛИМЕРОВ

ГЛАВА 7. ПВП-СТЕАР И DEX-PCL НАНОЧАСТИЦЫ:

ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА

7.1. Получение полимерных наночастиц

7.2. Характеристика полимерных наночастиц

7.2.1. Размер наночастиц

7.2.2. Электрокинетический потенциал наночастиц

7.2.3. Изучение структуры полученных наночастиц методом 'Н-ЯМР спектроскопии высокого разрешения

7.2.4. Изучение структуры Dex-PCL наночастиц методом электронной микроскопии замороженных сколов

7.3. Устойчивость дисперсий наночастиц

7.3.1. Агрегативная устойчивость

7.3.2. Устойчивость к нагреванию

ГЛАВА 8. ФЕРМЕНТАТИВНАЯ ДЕГРАДАЦИЯ

DEX-PCL НАНОЧАСТИЦ

8.1. Деградация наночастиц декстраназой

8.2. Деградация наночастиц липазами

ГЛАВА 9. НАНОЧАСТИЦЫ ПВП-СТЕАР И DEX-PCL

С ВКЛЮЧЕННЫМИ БАВ

9.1. Dex-PCL микрочастицы с включенным флуоресцентным красителем

9.2. Наночастицы с включенным BBI

9.2.1. Включение BBI в Dex-PCL наночастицы

9.2.2. Включение ВBI и его гидрофобизованных производных в ПВП-стеар наночастицы

9.3. Наночастицы с включенным тамоксифеном

9.3.1. Включение тамоксифена в Dex-PCL наночастицы

9.3.2. Включение тамоксифена в ПВП-стеар наночастицы

ГЛАВА 10. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАНОЧАСТИЦ

С КОМПОНЕНТАМИ КРОВИ

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Наносистемы на основе амфифильных полимеров для доставки биологически активных веществ»

В последние годы в науке сформировалось и интенсивно развивается новое направление - супрамолекулярная химия. В центре ее внимания находятся системы, способные к самоорганизации, т.е. обладающие возможностью спонтанно образовывать определенную структуру путем самосборки компонентов в супрамолекулярные ансамбли. Формирование таких структур осуществляется по принципу молекулярного узнавания за счет образования различных нековалентных взаимодействий: электростатических, гидрофобных, а также образования водородных связей. На основе использования этого принципа формируются новые подходы к созданию современных материалов, к процессам превращения и сохранения энергии, к медицинской диагностике и терапии.

Разработка методов создания супрамолекулярных структур нанометровых размеров является одной из важнейших задач современной химии. Известно, что амфифильные полимеры способны формировать самоорганизующиеся наноструктуры за счет наличия в их цепи гидрофобных и гидрофильных фрагментов. Варьируя химическое строение синтезируемых макромолекул, природу и распределение функциональных групп, удается эффективно управлять процессом молекулярной сборки, добиваясь получения сложных регулярных наноструктур различного строения, обладающих уникальными свойствами.

В настоящее время наносистемы, созданные на основе амфифильных полимеров, вызывают все возрастающий интерес в фармакологии, так как они представляют один из видов терапевтических систем и способны транспортировать лекарственные вещества внутрь клеток. При циркуляции таких носителей содержащееся в них биологически активное вещество (БАВ) защищено от инактивации, а действие лекарственного препарата пролонгируется. Кроме того, наносистемы доставки БАВ на основе амфифильных полимеров имеют следующие преимущества: 1) быстрое и воспроизводимое получение в больших количествах, 2) возможность включения плохорастворимых в воде веществ, 3) регулирование накопления препарата в различных органах и тканях организма в зависимости от размера частиц.

В этой связи, очевидно, что разработка и исследование наносистем доставки БАВ на основе амфифильных полимеров является актуальным и перспективным направлением современной биотехнологии.

Заключение диссертации по теме «Катализ», Виллемсон, Александр Леонидович

выводы

I. Разработаны методы получения наночастиц из амфифильных сополимеров Dex-PCL, ПВП-стеар и их смесей. Наиболее оптимальным способом получения наночастиц является эмульсионный метод.

II. Полученные наночастицы имели сферическую форму (средний диаметр 150-500 нм). Установлена возможность варьирования размера и электрокинетического потенциала наночастиц в зависимости от состава полимера и структуры частиц.

III. На основании совокупности экспериментальных данных выдвинуты предположения о структуре наночастиц: 1) Dex-PCL наночастицы представляют собой устойчивые сферические образования с выраженной структурой «ядро-оболочка», где оболочкой являются цепи Dex; 2) наночастицы из ПВП-стеар являются агрегатами мицелл; 3) для смешанных наночастиц характерна поверхностная модификация частиц Dex-PCL цепями ПВП.

IV. Показана возможность полного расщепления Dex оболочки Dex-PCL наночастиц декстраназой и деградации PCL ядра липазами, приводящее к разрушению наночастиц.

V. Получены и охарактеризованы Dex-PCL и ПВП-стеар наночастицы с высоким содержанием БАВ - тамоксифена и соевого ингибитора протеиназ типа Баумана-Бирк. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что включенные БАВ защищены от инактивации. Показана возможность полного высвобождения БАВ из наночастиц в определенных условиях.

VI. Исследование устойчивости наночастиц в сыворотке крови человека показало их высокую стабильность. Продемонстрировано, что влияние наночастиц из низкомолекулярных ПВП-стеар, как на комплемент сыворотки крови, так и на мембрану эритроцитов барана отсутствует. Показано снижение лизиса эритроцитов для смешанных наночастиц Dex-PCL/ПВП-стеар по сравнению с Dex-PCL наночастицами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Виллемсон, Александр Леонидович, 2005 год

1. Jeon Н.К., Schulze J.S., Macosko C.W. Block copolymers. Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Elsevier, 2001, p. 683-688.

2. Yasugi K., Nagasaki Y., Kato M., Kataoka K. Preparation and characterization of polymer micelles from poly(ethylene glycol)-poly(lactide) block copolymers as potential drug carrier. J. Controll. Rel., v. 62, 1999, p. 89-100.

3. Allen C., Han J., Yu Y., Maysinger D., Eisenberg A. Polycaprolactone-b-poly(ethylene oxide) copolymer micelles as a delivery vehicle for dihydrotestosterone. J. Controll. Rel., 2000, v. 63, p. 275-286.

4. Riess G. Miceiiization of block copolymers. Prog. Polym. Sci., 2003, v. 28, p. 1107-1170.

5. Riess G., Hurtrez G., Bahadur P. Block copolymers, 2nd ed. Encyclopedia of polymer science and engineering, New York: Wiley, 1985, v. 2, p. 324-434.

6. Booth C., Yu G.E., Nace V.M. Block copolymers of ethylene oxide and 1,2-butylene oxide. In: Amphiphilic block copolymers: self assembly and applications (Alexandridis P., Lindman B. editors). Amsterdam: Elsevier, 2000, p. 57-86.

7. Rosselli S., Meckenstock A.D., Wagner Т., Silier В., Wigand S., Haussler W., Lieser G., Scheumann V., Hoger S. Coil-ring-coil block copolymers as building stones for supramolecular brushes. Makromol Kolloquium, 2001, p. 16-17.

8. Gan Y., Dong D., Hogen-Esch Т.Е. Synthesis and characterization of a catenate PS-P2VP block copolymer. Macromolecules, 2002, v. 35, p. 67996803.

9. Pispas S., Hadjichristidis N., Potemkin I., Khokhlov A. Effect of architecture on the miceiiization properties of block copolymers: A2B miktoarm stars vs AB diblocks. Macromolecules, 2000, v. 31, p. 1741-1746.

10. Hogen-Esch Т.Е., Smid J. Recent advances in anionic polymerization editors. New York: Elsevier, 1987, p. 393.

11. Iatrou H, Avgeropoulos A, Hadjichristidis N. Synthesis of model super H-shaped block copolymers. Macromolecules, 1994, v. 27, p. 6232-6233.

12. Graf M., Mulier A.H. Copolymers from end-functional ized poly ethers and 1,3-butadiene. IUPAC Int. Symp. Ionic Polym., Cret., Prepr., 2001; p. 12-34.

13. Butun V., Vamvakaki M., Billingham N.C., Armes S.P. Synthesis and aqueous solution properties of novel neutral/acidic block copolymers. Polymer, 2000, v. 41, p. 3173-3182.

14. Leduc M.R., Hawker C.J., Dao J., Frechet J.M.J. Dendritic initiators for living radical polymerization: a versatile approach to the synthesis of dendritic-linear block copolymers. J. Am. Chem. Soc., 1996, v. 118, p. 11111-11118.

15. Русанов А.И. Мицеллообразование в растворах поверхностно-активных веществ. СПб.: Химия, 1992,280 с.

16. Hadjichristidis N., Pispas S., Floudas G. Block Copolymers: Synthetic Strategies, Physical Properties, and Applications. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2003, 409 p.

17. Reinhart Т., Bauer K.H. The hemolysis and solubilization behavior of noriionic polymer surface active agents. Pharmazie, 1995, v. 50, p. 403-407.

18. Tuzar Z., Kratochvil P. Micelles of block and graft copolymers in solution. In: Surface and colloid science (Matijevic E, editor). New York: Plenum Press; 1993, v. 15, p. 1-83.

19. Yasugi K., Nagasaki Y., Kato M., Kataoka K. Preparation and characterization of polymer micelles from poly(ethylene glycol)-poIy(D,L-lactide) block copolymers as potential drug carrier. J. Controll. Rel., 1999, v. 62, p. 89-100.

20. Hruska Z., Riess G., Goddard P. Synthesis and purification of a poly(ethyleneoxide)-poly(3-benzyl-glutamate) diblock copolymer bearing tyrosine units at the block junction. J. Polymer., 1993, v. 34, p. 1333.

21. Jeong Y.I., Sun H.S., Shim Y.H., Kim C., Park S.H., Choi K.C., Cho C.S. Nifedipine encapsulated core-shell type nanoparticles based on poly (gamma-benzyl L-glutamate)/ poly(ethylene glycol) diblock copolymers. J. Microencapsul., 2004, v. 21, p. 445-53.

22. Kabanov A., Batrakova E.V., Alakhov V.Yu. Pluronic block copolymers as novel polymer therapeutics for drug and gene delivery. J. Controll. Rel., 2002, v. 82, p. 189-212.

23. Ivanova R., Lindman В., Alexandridis P. Modification of the lyotropic liquid crystalline microstructure of amphiphilic block copolymers in the presence of cosolvents. Adv. Coll. Interface Sci., 2001 v. 89-90, p. 351-82.

24. Пчелин В. А. Гидрофобные взаимодействия в дисперсных системах. М.: Знание, 1976, 64 с.

25. Stigter D. Micelle formation by ionic surfactants. I. Two phase model, Gouy-Chapman model, hydrophobic interactions. J. Coll. Inter. Sci., 1974, v. 47, p. 473-482.

26. Astafieva I., Zhong X., Eisenberg A., Critical micellization phenomena in block polyelectrolyte solution. Macromolecules, 1993, v. 26, p. 7339-7352.

27. Kon-No К., Jin-No Т., Kitahara A. Solubility, critical aggregating or micellar concentration, and aggregate formation of nonionic surfactants in nonaqueous solutions. J. Colloid. Interface Sci., 1974, v. 49, p. 383-389.

28. Goddard E.D. Polymer- surfactant interaction Part I. Uncharged water-soluble polymers and charged surfactants. Coll. and Surf., 1986, v. 19, p. 255-300.

29. Romero-Cano M.S., Martin-Rodriguez A., Chauveteau G. Nieves F.J. Colloidal stabilization of polystyrene particles by adsorption of nonionic surfactants: I. Adsorption study. J. Coll. Int. Sci., 1998, v. 198, p. 266-272.

30. Holmberg K., Jonsson В., Kronberg В., Lindman B. Surfactants and Polymers in Aqueous Solution (Second Edition).Chichester: John Wiley & Sons, Inc., 2003,562 р.

31. Сердюк А.И., Кучер P.B. Мицеллярные переходы в растворах поверхностно-активных веществ. Киев: Наук, думка, 1987, 208 с.

32. Schwarz G. Cooperative binding to linear biopolymers. 1. Fundamental static and dynamic properties. J. Eur. Biochem., 1970, v. 12, p. 442-450.

33. Ishizu K., Takeda H. Structural ordering of two-component hyperbranched copolymers. Eur. Polymer J., 2001, v. 37, p. 2073-2078.

34. Халатур П.Г. Соросовский образовательный журнал, 2001, том 7 , № 4, с 36- 43.

35. Измайлова В. Н., Ямпольская Г. П., Сумм Б. Д. Поверхностные явления в белковых системах. М.: Химия, 1974, 240 с.

36. Бабак В.Г. Коллоидная химия в технологии микрокапсулирования. Св-ск.: Уральский университет, 1991, 171 с.

37. Структура и стабильность биологических молекул. /Под ред. Волькенштейна М.В. М.: Мир, 1973, 584 с.

38. Кирш Ю.Э., Галаев И.Ю., Карапутадзе Т.М. Биотехнология, 1987, т. 3, 184 с.

39. Liu Т., Burger C., Chu B. Nanofabrication in polymer matrices. Prog. Polym. Sci., 2003, v. 28, p. 5-26.

40. Adams M.L., Lavasanifar A., Kwon G.S. Amphiphilic block copolymers for drug delivery. J. Pharm. Sci., 2003, v. 92, p. 1343-55.

41. Allen C., Maysinger D., Eisenberg A. Nano-engineering block copolymer aggregates for drug delivery. Coll. and Surf. B: Bio interfaces, 1999, v. 16, p. 3-27.

42. Arshady R. Dendrimers assemblies nanocomposites. London: Citus Ltd, 2002, 576 p.

43. Mittal K.L., Lindman В. Surfactants in Solution, vols. 1-3, Plenum Press, New York, 1991.

44. Ostro M.J. Liposomes: from biophysics to therapeutics. Princeton, New Jersey: Marcel Dekker Inc., 1987, 418 p.

45. Rhodes D.G., Xu Z., Bittman R. Structure of polymerizable lipid bilayers. Biochim. Biophys. Acta., 1992, v. 22, p. 93-104.

46. Winterhalter B.M., Frederik P.M., Vallner J.J., Lasic D.D. Stealth® liposomes: from theory to product. Adv. Drug Deliv. Rev., 1997, v. 24, p. 165-177.

47. Brigger I., Dubernet C., Couvreur P. Nanoparticles in cancer therapy and diagnosis. Adv. Drug Deliv. Rev., 2002, v. 54, p. 631- 651.

48. Hrkach J.S, Peracchia M.T., Bomb A., Lotan N., Langer R. Nanotechnology for biomaterials engineering: structural characterization of amphiphilic polymeric nanoparticles by 'H-NMR spectroscopy. Biomaterials, 1997, v. 18, p. 27-30.

49. Honda C., Sakaki K., Nose T. Micellization of an asymmetric block copolymer in mixed selective solvents. Polymer, 1994, v. 35, p. 5309-5318.

50. Nose Т., Iyama K. Micellization and relaxation kinetics of diblock copolymers in dilute solution based on A-W theory: I. Description of a model for core-corona type. Сотр. and Theor. Polymer Sci., 2000, v. 10, p. 249257.

51. Muller R.H., Mehnert W., Lucks J.S., Schwarz C., zur Muhlen A., Weyhers H., Freitas C., Ruhl D. Solid lipid nanoparticles (SLN) an alternative colloidal carrier system for controlled drug delivery, Eur. J. Pharm. Biopharm., 1995, v. 41, p. 62-69.

52. Akerman M.E., Chan W.C., Laakkonen P., Bhatia S.N., Ruoslahti E. Nanocrystal targeting in vivo. Proc. Natl. Acad. Sci., 2002, v. 99, p. 1261721.

53. Archady R., Guyot A. Functional polymer colloids. London: Citus Ltd, 2002, 540 p.

54. Torchilin V.P. Structure and design of polymeric surfactant-based drug delivery systems. J. Controll. Rel., 2001, v. 73, p. 137- 172.

55. Matijevic E. Uniform inorganic colloid dispersions. Achievements and challenges, J. Phys. Chem., 1993, v. 97, p. 8- 6.

56. Русанов А.И., Кунн Ф.М., Щекин A.K. Термодинамические и кинетические обоснования в теории мицеллообразования. Коллоидный журнал, 2000, т. 62, с. 167.