Summary
βシクロデキストリンナノスポンジポリマーネットワーク中にカプセル化イブプロフェンの運動レジメンは、パルス磁場勾配スピンエコー（PGSE）NMR技術を用いて調べました。合成、精製、薬物負荷、いくつかの観測時間で薬物の平均二乗変位を仕事にするNMRパルスシーケンスとデータ解析の実装が詳細に記載されています。
Abstract
エチレンジアミンテトラカルボン酸二無水物（EDTA）を有するβシクロデキストリン（β-CD）の化学的架橋は、シクロデキストリンのナノスポンジ（CDNSEDTA）と呼ばれる分岐ポリマーをもたらしました。 4及び1：8 CD-EDTAモル比つの異なる調製物を1で記載されています。対応する架橋されたポリマーは、均質な、無色の、薬物ロードされたヒドロゲルをもたらすイブプロフェンナトリウム塩（IP）の0.27 M水溶液と接触させました。
システムは、高分解能マジック角スピニング（HR-MAS）NMR分光法によって特徴付けられました。パルス磁場勾配スピンエコー（PGSE）NMRスペクトルは、D、T、異なる観察時間でポリマーゲル内部IPの平均二乗変位（MSD）を決定するために使用しました。 MSD = F（T d）は ：データは、さらに、MSDの時間依存性を研究するために処理しました。提案された方法論は、その異なる拡散体制を特徴付けることが有用です原則的に、溶質は、ハイドロゲルの内部に拡散すなわち正常か異常が発生することがあります。ポリマーの調製および精製、薬物を装填したヒドロゲルの取得、NMR試料調製、HR-MAS NMR分光法によるMSDの測定とMSDの時間依存性を達成するための最終的なデータ処理を含む完全なプロトコルはここで報告し、議論されています。提示された実験は、パラダイムケースを表し、データは、薬物送達のための潜在的な用途のポリマーホスト内に封入されたゲストの輸送特性の特性に革新的なアプローチの観点から議論されています。
Introduction
非共有結合性相互作用、潜在的な生化学的活性を有する小分子を経由して、封入することが可能なポリマー系の設計および製剤中の関心が高まっています。このような材料が選択的標的への活性成分の輸送でアプリケーションを検索し、これに関連してなどのpHの変化、温度、などの外部刺激の作用時に解放することが期待される、ヒドロゲルは、ナノメディシンのための汎用性と強力な材料であることが判明しました薬物1の制御放出の観点インチ高分子ヒドロゲルの形成は、水素結合の存在下で膨潤することができる三次元ネットワークにつながる鎖のii）の共有結合性架橋のようなI）の物理的、非共有結合性相互作用によって高分子鎖を相互接続することによって達成することができます水溶液またはIII）は、2つの上記の方法2-4の組み合わせ。
三ダイムの特に汎用性クラスシクロデキストリンのナノスポンジ（CDNS）を生じさせる8 -有機と無機化学種のカプセル化のためのnsional、膨潤性ポリマーは、テトラカルボン酸5を適切に、活性化誘導体との縮合を介した自然βシクロデキストリン（β-CD）から出発して得ることができます。 CDNSの合成、特性評価およびアプリケーションは、当社グループの連結研究テーマです。 11および環境化学12 - - 14過去数年の結果は、CDNSは、医薬活性成分の制御放出9中のアプリケーションと、腫れ、化学物質の吸収/含めること、および小薬物分子の放出の魅力的な性質を示すことを示しています。
これらの前提を考えると、二つの大きな問題が懸念ポリマーゲル中の活性化合物とゲルマトリックス15中の溶質の移動性の改善された理解を効率的にロード対処すべき16,17の小さな分子の拡散メカニズムに関連する実験研究と理論の両方を提供します。パルス磁場勾配スピンエコー（PGSE）NMR分光法は広く、溶媒18中の小分子の並進拡散または純粋な液体の自己拡散を研究するために使用される十分に確立された構造的な方法です。高分解能マジック角スピニング（HR-MAS）NMR技術の最近の発展により、異種の懸濁液に19、ゲルおよび膨潤性ポリマー20,21を移動する分子の高分解能NMRのデータを収集しました。実際、HR-MAS NMR分光法とPGSEパルスシーケンスを組み合わせた実験は、ホストの分子環境に溶質分子を観察するユニークな機会を提供します。ゲルマトリックス内に捕捉された薬物分子の輸送特性に重要なデータを得ることができます。高品質の実験データは、このようにobtaiすることができますNEDは、ナノ構造ホスト - ゲストシステムのより合理的な設計を可能にします。
本研究では、以下のステップのための詳細なプロトコルを記述した：i）合成とCDNSの二つの異なる製剤の精製CDNSEDTAと呼ばれる、EDTAポリマー（ 図1）で架橋された、および別のCD /架橋剤のモルによって特徴づけられます比1：4（CDNSEDTA 1：4）と1：8（CDNSEDTA 1：8）。 ⅱ）の両方CDNSEDTA 1のための薬物を装填したヒドロゲルの調製：4とCDNSEDTA 1：8。このステップでは、モデル薬物分子、人気のある非ステロイド系抗炎症イブプロフェンナトリウム塩（IP）のような、使用しました。 ⅲ）CDNSEDTA内のIPの輸送特性の徹底的な調査はPGSE-HRMAS NMR分光法を介してヒドロゲル。ここで提案する方法は、MSDの時間依存性の分析を行ったハイドロゲル内の封入された薬剤の平均二乗変位（MSD）の測定に基づいています。
私たちワットマトリックス中の薬物のMDSの時間依存性に焦点を当てている - - 唯一の薬剤の拡散係数の決意に基づいて連結方法に比べて情報のより広いスペクトルを提供する上で概説した方法論は、ことを強調しっぽいです。我々は最近、このアプローチはCDNSヒドロゲル内に閉じ込められたIPが経験した、正常と異常拡散体制の識別のために許可されたことが21を実証しました。
そこで我々は、ポリマー合成/精製、薬物負荷ヒドロゲルの形成、HR-MAS NMR特性評価およびMDSデータのデータ処理のステップバイステップの説明はのためのナノ構造システムを特徴付けることに興味科学者のための強力なツールキットであると信じています閉じ込めおよび小分子の放出。
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Protocol
CDNSEDTAポリマーの1の合成
- 使用前に4時間、80℃のオーブン中で乾燥したβ-シクロデキストリン（β-CD）。乾燥ジメチルスルホキシドの500ミリリットル（DMSO）およびプロトコルでそれらを使用する前に24時間のためのモレキュラーシーブ（4オングストローム）を超えるトリエチルアミン100ミリリットル（のEt 3 N）。
- 50 mlの一首丸底フラスコにDMSO 25ml中に導入します。磁気攪拌の下では、β-CD（5ミリモル）の5.675グラムを追加します。塊の形成を低減するために、DMSOに少量ずつβ-CD粉末を加えます。
- 約30分後、10mlのを使用して均一溶液をEt 3 N 6mlのを追加し、ピペットを卒業。 RTで15分間攪拌下、混合物を保管してください。室温で水浴にフラスコをプランジ。
注：β-CD及びEDTAの間の反応は発熱性です。したがって、水浴にフラスコを急落する反応混合物の過熱を回避する熱交換を促進します。 - 5.124グラム（20ミリモル、CDNSEDTの準備を追加します。1：4）または10.248グラム（40ミリモル、CDNSEDTA 1の準備：8）EDTA二無水物の激しい撹拌下。
- 3時間後、固体物質を除去（CDNSEDTA 1：4またはCDNSEDTA 1：8）へらを使用し、乳鉢と乳棒を用いて肉眼的にそれをつぶすフラスコから。
- 塩酸、0.1M（200ミリリットル×5回）、および脱イオン水（200ミリリットル×3回）で、RT（100ミリリットル×5回）でアセトンでろ紙上に固体材料を洗ってください。
- 最後に、室温で空気中で乾燥した全ての固体物質が48時間、乳鉢と乳棒に細かくそれを粉砕した後、45℃で2時間、真空（<15ミリバール）下でそれを保ちます。
図1：CDNSEDTAポリマーの概略図で概略合成経路。左：モノマーβシクロデキストリン（β-CD）と架橋剤EDTA二無水物の分子構造。矢印全体的な反応条件。右：架橋ポリマーのスケッチこの図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
2. HR-MAS NMR測定
- HR-MAS NMRサンプル調製
- 重水中のイブプロフェンナトリウム塩（IP）（99.8％）の溶液0.27 Mを準備します。
- 2ミリリットルのガラスバイアルに）点2.1.1で調製した溶液の150μlに無水炭酸ナトリウム（Na 2 CO 3）の4及び2mgの：CDNSEDTA 1 20mgを追加します。それを均質化するために、小さなスパチュラでバイアル瓶の内容を混ぜます。この手順で形成されたゲルを使用する前に、2時間待ってください。 8ポリマー：CDNSEDTA 1のため、この点を繰り返します。
- 小さなへらを使用してHR-MAS NMR実験に適した5ミリメートルのNMRローターでゲルを挿入します。使用するゲルの総量は、ロータの内部容積に依存する（12μlを推奨します）。
- HR-MAS 1 H NMR実験
- MAS空気圧制御装置、温度可変ユニットで305 Kでの試料温度で4キロヘルツのローター回転速度：以下の機器パラメータを設定します。
- CDNSEDTAにおけるイブプロフェンの1 H HR-MAS NMRスペクトルを取得し（1：4）およびCDNSEDTA（1：8）プロトン共鳴の従来のパルスシーケンスを用いて、ポリマー系。
- 新しいデータセットを作成します。 「AcquPars」タブをクリックします。 PULPROGを選択：ZG。
- スキャンの数を選択します（NS = 4）およびそれら（D1 = 5秒）.SETスペクトル幅（SW = 8 ppm）で間の時間遅延、時間ドメイン（TD = 16K）と受信機の利得（RG = 32 ）。
- コンソールの「ZG」と入力し、画面上に自由誘導減衰（FID）があります。 「ProcPars」タブ上のデータをクリックして処理するには。スペクトルサイズ（SIが32Kを=）、指数関数乗算窓関数（WDW = EM）および線の広がり（LB = 1）を設定します。フーリエ変換を実行するために「フィート」と入力します。画面上の相]タブを使用してスペクトルをフェーズ。高解像度よく分解スペクトルを取得します。
図2：バイポーラパルス対縦渦電流遅延（BPPLED）パルスシーケンス PFGSE実験を行うために使用されるパルスシーケンスの模式図。 90°パルスの位相サイクルがある：P1：（0）16、P2：（0022）4、P3：（0）4（2）4（1）4（3）4、P4：（0202 2020 1313 3131 ）、P5（0）4（2）、4（1）、4（3）4。 180°パルスは、xが+です。 （ref.18から変更） この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
- HR-MAS 1 注：PGSE実験を図 2に報告BPPLEDパルスシーケンス18を用いて行われます。これは、間接的な次元で100％に2％から直線的に増加勾配傾斜を持つ擬似二次元の実験です。信号強度は、拡散時間Δ勾配パルスδに応じて減衰します。これらのパラメータの最適化が適切にPGSE実験を実行する前に必要とされます。 δを変化させながら最適化は、Δが一定に維持されているいくつかの1次元の測定を実行することによって行われます。
- パラメータの最適化
- 「AcquPars」タブの実験番号1クリック - 新しいデータセットを作成します。 PULPROGを選択：拡散の最適化のための1Dパルスシーケンスをledbpgp2s1d。
- スキャン数（NS = 16）と、それらの間の時間遅延（D1 = 10秒）を選択します。スペクトル幅（SW = 8 ppm）を設定し、トン彼はタイムドメイン（TD = 16K）と受信機の利得（RG = 32）。
- 試行値に一定の値とδに等しいΔ（シーケンス中のD20）（P30）を設定します。 （高解像度の楽器のための最大許容値）値Δ= 50ミリ秒、δ= 3ミリ秒を開始します。
- 1 H実験からのスペクトル周波数（SFO1）の値を読み、今、この値を使用します。 2％にGPZ6勾配強度を設定します。手順を繰り返し2.2.2.3。最適化のための基準として、このスペクトルを使用してください。
- 同じデータセットでは、実験番号2は、すべての実験パラメータを守って作成します。 95％にGPZ6勾配強度を高めます。手順を繰り返し2.2.2.3。デュアルディスプレイのアイコンを使用して、参照スペクトルと、このスペクトルを比較し、信号強度の変化を観察します。
注：よく弱毒化されたスペクトルは、参照スペクトルと比較して、約5％の残差信号強度を持つ必要があります。信号強度が失われた場合には、δの値と解像度を低下させますδの正しい値が見つかるまでポイント2.3.1.3から2.3.1手順をタルト。 - すべての5つのΔ値については、セクション2.3.1にパラメータ最適化手順を繰り返します。
注：Δ= 50、80、110、140および170ミリ秒のための5つの値を選択し、3に対応するδを最適化し、2.7、2.4、2.1、1.8ミリ秒（CDNSEDTA 1でのIP用：8）および2.7にδする、2.4 、2、1.7、1.4（CDNSEDTA 1内でのIP用：4）。
- 2D拡散データセットの取得
- 同じデータセットでは実験番号3を作成し、すべての1D実験パラメータがロードされます。 「EDA」と入力します。 PULPROGを選択：2Dパルスシーケンスをledbpgp2sおよび2Dにparmodeを変更。
- FnMODE = QFを設定します。 32に等しいF2次元の時間領域TD、勾配ステップ数を設定します。他のすべてのパラメータが正しく設定されています。 「DOSY」と入力し、勾配のランプが生成され、ファイルに格納されます。 ST芸術とランプ（2から95）の最終値は、入力パラメータとして与えられています。買収は今開始されます。
- パラメータの最適化
- 情報処理
- F2の次元でフーリエ変換を実行するために「XF2」と入力します。 F2の次元でベースライン補正を行う「ABS2」と入力します。次の処理ステップのための実験パラメータ（Δ、δ、および勾配リスト）をリコールする「setdiffparm」と入力します。
- 分析]タブで、「T1 / T2緩和モジュール」をクリックして、2D実験の第1のスペクトルを使用して嵌合するピークを定義します。ピーク範囲を定義し、フィッティングを実行します。各適用勾配ステップで信号強度が得られます。
注：I（Q、T d）は、それぞれのΔ値に対して、実験変数に依存する信号強度：に応じて印加されるパルス提出された勾配（G）、時間変数（δ）、磁気回転比（γ）のq =（γgδ） FOllowing方程式：
分子MSD = zの2を持ちます。 - スプレッドシート内の信号強度をエクスポートし、各観察拡散時間t dのためのz 2 の値を取得するには、データの線形フィットを実行します。
注：MSD値に応じて、観測時間t dに関連しています。
- 各実験トンd値のt D対zの2の対数プロットを実行します。指数αの値は、線形回帰の傾きです。上記に報告方程式の物理的な側面のより徹底的な議論は、参考文献に記載されています。 21およびその中の参考文献インチ
注：指数αの値に応じて、拡散体制は次のように定義される：α= 1 iについて）等方性無制限の拡散、ii）の異常subdiffusivα> 1の場合は0 <α<1、iii）の異常superdiffusive政権の電子体制。
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Representative Results
まず、このアプローチの実行可能性を確認するために、水溶液中に溶解したIP薬物分子にこの方法を適用しました。代表的な結果の完全な説明は、参考文献に記載されています。 21.むしろ、我々は方法論的側面 とデータ収集とデータ分析にナットアンドボルトアプローチにここに焦点を当てます。3に示す図 、片対数スケールで、正規化された実験的な信号は、I（Q、T d）は減衰します/ I（0、T d）は、Q 2の関数として（セクション2.4によります）。 表1では、各拡散時間Δのための観測されたMSD値を報告しています。 トンさd対Z 2（ 図3）のlog-logプロットは、R（セクション2.4による）2 = 0.999と回線を提供します。 IPのために得られたスケーリング指数α= 1は、溶液中でのガウスの動きを示し、D 2 O溶液に溶解します0.27 Mの濃度で。この場合のみに、自己拡散係数は、それに応じてD = 4.1×10 -10 M 2秒として計算することができる- 1と観測時間Δは無関係です。
表1： 実験MSDと Δ 値 MSD CDNS中のD 2 O溶液、IPにおけるIPのためのいくつかのΔ（ミリ秒）で測定された（m 2）と（1：4）とCDNSにおけるIP（1：8）ヒドロゲル。 （参考文献から変更された。21）。
図3：NMRシグナルディケイとMSDの時間依存性のプロット a）の正規化されたNMR信号減衰I（Q、T d）はD 2 O溶液中でのIPのためのQ 2の関数としての拡散対 MSDのb）の両対数プロット。ための時間T dD 2 O溶液中のIP。 （参考文献21から変更された） この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
4とCDNSEDTA 1：実験手順はCDNSEDTA 1にカプセル化されたIP薬物分子の拡散運動研究するために使用されてきた。8ヒドロゲル図4は、正規化された実験信号I（Q、TをD）/ I（0、T Dの減衰を示し）●2の関数として。線形近似のための減衰の直線部分を使用し、CDNS 1用のMSD値を計算します。線形フィットの傾きから8サンプル（ 表1）：4とCDNS 1。スケーリング指数α= 0.64 DRのサブ拡散動きを示す：T dを対 MSDのlog-logプロット（ 図5）は CDNSEDTAでIPのためのR 2 = 0.981との線形相関（4 1）を与えます高分子ゲル中のUG。 CDNSEDTAに同様の手順、IPのための運動体制を（1：8）を用いて、ポリマーが決定しました。データの線形フィットは、R 2 = 0.972でスケーリング指数α= 1.06を与えました。ポリマーネットワークは、小薬物分子のわずかsuperdiffusive運動を課します。このように提案された方法論は、データの2段階の処理によってポイント2.4.5で報告式のα指数へのアクセスを提供します。 αの値が与えられた行列とゲスト分子について観察された拡散体制の記述子です。
図4：4（a）とCDNSEDTA 1：8（b）に CDNSEDTA 1におけるIPのためのQ 2の関数としてのNMR信号減衰のプロット正規化されたNMR信号減衰I（Q、T d）は 。 （参考文献から変更された。21）痩せ細った ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図5：MDSの時間依存性は CDNSEDTAにカプセル化されたIPための拡散時間t d 対 MSDのプロットをログブログ1：4（a）及びCDNSEDTA 1：8（B）。 （参考文献21から変更された） この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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Discussion
我々はCDNSEDTAヒドロゲルの2つの代表的な製剤内にカプセル化小薬物分子の拡散体制を決定するために実験的な方法論を提示します。 HR-MAS PGSE NMRは、その後、マイクロメートルスケールでの距離を監視し、（第2までの数ミリ秒の範囲内で）与えられた拡散時間に小分子の平均二乗変位の決意を可能にします。動きの一つのタイプは、各研究システムで観察される - （170ミリ秒50）の範囲で観察しました。より長い観測時間に異なる拡散レジーム間の遷移22を観察することができることが、強調されるべきです。したがって、ここで報告された結果は、実験のために、私たちの処分で計測器で利用可能なハードウェアによって決定される時間スケールと呼ばれています。
各この作業の手順について - ポリマー合成、ハイドロゲルローディング、HR-MAS NMRデータの収集と処理、ここでは三つの主要な問題の一覧しますDに対応するソリューションを提供します。
精製
1.6 DMSO、のEt 3 Nの、最終的に反応生成物中に含まれる未反応のEDTAの除去を可能にする点で概説した手順に従って、材料の精製。特に、0.1 M塩酸水溶液による洗浄をEt 3 Nの完全な除去につながりますアセトンのみで材料を洗浄することは、この目的のために効率的ではありません。対イオンとの反応終了時のEt 3 NH +が架橋EDTAによって提供COO-として実際、のEt 3 Nは、部分的に存在します。
NMRサンプル調製
ロータの充填は、試料調製（2.1.3を参照）のための重要なステップです。気泡の存在を回避しなければなりません。気泡が存在する場合、誤ったスピニングは、一般的に検出された（ 例えば 、最大紡糸速度に達していない、スピニングはUNIFない、まったく起動しません。ORMの紡糸速度）。不均一な紡糸または、ローターを回転開始し、サンプルを抽出し、より慎重に充填ローターを繰り返す障害が発生した場合です。
NMRデータ分析
ポイント2.4.2では、強度減衰曲線からMSD値を取得する方法を説明します。非常に多くの実験点は、Q 2 対完全に線形トレンドに追随していないようです。このような場合には、データセットの唯一の線形部分を使用し、線形回帰を実行します。
得られた結果は以下のように要約することができます。
D 2 O溶液
この単純なケースでは、MSDは拡散時間Δに線形依存性を示し、IP分子は、溶液中で無制限の拡散を受けます。この場合は、一般的に「正常」の拡散と呼ばれます。自己拡散係数を直接任意の観察tでの単一の測定から推定することができますIME T dを。一般的なアプローチでは、等方性、分子の溶媒中の拡散率の測定は、カプセル化されたゲストの輸送特性に足場の影響を調査するための基準としてもよいです。
CDNSEDTA 1：4のポリマー
高分子ヒドロゲルへのIPの取り込みは、水溶液と比較して薬物輸送特性に影響を与えます。 α= 0.64とsubdiffusive動きが検出されました。薬物分子の並進運動は、異なるサイズのナノ孔の存在によって妨害される架橋プロセスの間に発信。
CDNSEDTA（1：8）ポリマー
この場合、予期しない値α= 1.06は、このように少しsuperdiffusive運動政権を示す、決定されます。従って、MSDが観察される粒子の促進効果（ 表1）。この効果は、ポリマーBの負電位に帰することができます負CDNSポリマーのいくつかの部分に充電カルボキシル基により生成さackbone。負に帯電したIP分子との静電相互作用は、運動のsuperdiffusiveコンポーネントのための駆動力を提供します。
ここで説明する方法は、上述のα指数の値を通じて処方2ヒドロゲルに対応する異なる分子環境での薬物が経験する拡散体制に関する情報を提供しました。このアプローチは、一般的な適用であり、自信を持って薬物送達制御放出システムの設計のための興味深い脱落して、封入された薬物の輸送特性のツールを調査するように提案することができます。しかし、ここに提示した結果は、使用器具のハードウェアの制限に苦しむことに留意すべきです。
さらに、この方法の一般的な適用のためのいくつかの制限要因はハイポかもしれませんthesized：親油性及び/又は非荷電薬物、ポリマー骨格への薬物の強力な接着の可能性を有する薬物を装填したゲルの調製は、このように、未解決のNMR信号およびpH制御が困難につながります。最後に、古典的にはin vitroでの薬物放出実験は、はるかに長い時間窓に依存しながら拡散NMRデータは、ミリ秒の時間スケールにまたがることに言及すべきです。これは、研究と議論のオープンポイントオブジェクトです。この問題に対処することが可能な貢献として、我々は最近、炭水化物に基づくヒドロゲルのライブラリ内のモデル薬物の拡散データを調べて、動的データ23を分子レベルで測定を接続する数学的モデルを導出しました。拡散データと足場の広範なライブラリの大コレクションは、洗練したモデルを検証するために検討されています。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| HR-MAS probe | BRUKER | N/A | Probe for NMR measurements on semi-solid samples |
| NMR Spectrometer | BRUKER | DRX 500 | FT NMR spectrometer for liquid ans semi-solis state |
| β-cyclodextrin (β-CD) | Alfa-Aesar | J63161 | Reagent |
| Ethylenediaminetetracetic (EDTA) dianhydride | Sigma-Aldrich | 332046 | Reagent |
| Dimethylsulfoxide (DMSO) | Alfa-Aesar | D0798 | Solvent |
| Triethylamine | Sigma-Aldrich | 471283 | Base (reagent) |
| Ibuprofen (IP) sadium salt | Sigma-Aldrich | I1892 | Antinflammatory drug |
| Excel 2010 | Microsoft | N/A | speadsheet for data analysis |
| Origin 8 SR0 | OriginLab Co. | speadsheet for data analysis |
References
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