Artículo de método

Un enfoque Facile y eficiente para la producción de micelas reticuladas reversible disulfuro

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DOI:

10.3791/54722

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23 de diciembre de 2016

 ,  , 
1Department of Biochemistry & Molecular Medicine, University of California, Davis, 2UC Davis Comprehensive Cancer Center, University of California, Davis, 3Department of Internal Medicine, Division of Hematology and Oncology, University of California, Davis

En este artículo

Resumen

Para administrar fármacos contra el cáncer a sitios tumorales con alta especificidad y efectos secundarios reducidos, se requieren nuevos métodos basados en nanopartículas. Aquí, describimos micelas reticuladas de disulfuro que se pueden preparar fácilmente mediante oxidación mediada por peróxido de hidrógeno y son capaces de disociarse de manera eficiente en un entorno tumoral reductor para liberar cargas útiles.

Resumen

Nanomedicina es una forma emergente de la terapia que aprovecha las propiedades únicas de las partículas que son nanómetros de escala para la aplicación biomédica. La mejora de la administración de fármacos para maximizar los resultados terapéuticos y reducir los efectos secundarios asociados con las drogas son algunos de los pilares de la actual nanomedicina. Las nanopartículas en particular, han encontrado una amplia aplicación en el tratamiento del cáncer. Las nanopartículas que ofrecen un alto grado de flexibilidad en el diseño, la aplicación y la producción basada en el microambiente tumoral se prevé que sea más eficaz con la traducción rápida en la práctica clínica. El micelar nano-vehículo polimérico es una opción popular para aplicaciones de administración de fármacos.

En este artículo, se describe un protocolo simple y eficaz para la síntesis de micelas reticuladas cargados con el fármaco, disulfuro sobre la base de la auto-ensamblaje de un copolímero anfífilo bien definido lineal-dendrítica (telodendrimer, TD). TD se compone de polietileno glycol (PEG) como el segmento hidrófilo y un grupo ácido cólico tiolado como el resto hidrófobo unido por etapas de formación del núcleo a un PEG terminado en amina utilizando la química de péptidos a base de solución. Los medicamentos de quimioterapia, tales como paclitaxel (PTX), se pueden cargar utilizando un método de evaporación de disolvente estándar. La oxidación mediada por O2 se utilizó previamente para formar disulfuro intra-micelares entrecruzamientos de los grupos tiol libres en los TD. Sin embargo, la reacción era lenta y no es factible para la producción a gran escala. Recientemente, un método de oxidación de H 2 O 2 mediada fue explorada como un enfoque más viable y eficiente, y fue 96 veces más rápido que el método se informó anteriormente. Usando este enfoque, 50 g de nanopartículas reticuladas cargadas con PTX, disulfuro se han producido con éxito con la distribución del tamaño de partícula estrecha y la eficiencia alta carga de fármaco. La estabilidad de la solución de micela resultante se analiza usando condiciones de alteración tales como co-incubación wITH un detergente dodecil sulfato, sodio, con o sin un agente reductor. Los, micelas reticuladas disulfuro cargadas con fármaco mostraron menos actividad hemolítica en comparación con sus contrapartes de no reticulados.

Introducción

La nanotecnología es un campo de rápido emergente que ha beneficiado a un número de áreas biomédicas 1. Las nanopartículas ofrecen oportunidades para el diseño y puesta a punto propiedades que no son factibles con otros tipos de terapias convencionales. Nano-portadoras mejoran la estabilidad de los medicamentos contra la biodegradación, prolongar el tiempo de circulación de drogas, superar los problemas de solubilidad de drogas, y pueden ser puesto a punto para la administración dirigida de fármacos y agentes de imagen para co-entrega de 1,2. sistemas de entrega basados ​​en nanopartículas son prometedores en formación de imágenes y tratamiento del cáncer. Vasculaturas de tumores son fugas a macromoléculas y pueden conducir a la acumulación preferencial de circulación de las nanopartículas en los sitios del tumor a través de la permeabilidad mejorada y retención (EPR) efecto 3. Entre los varios nano-portadores (por ejemplo, liposomas, hidrogeles, y micelas poliméricas) que se persiguen activamente como vehículos para fármacos contra el cáncer, micelas poliméricas han ganado una amplia popularidad en THe última década 4,5.

Las micelas poliméricas son un sistema termodinámico que, en la administración intravenosa, potencialmente puede ser diluido por debajo de la concentración micelar crítica (CMC), que conduce a su disociación en unimers. Se han empleado estrategias de reticulación para minimizar la disociación micelar en unimers. Sin embargo, las micelas excesivamente estabilizadas pueden impedir que el medicamento de liberación en los sitios diana, lo que reduce la eficacia terapéutica global. Varios enfoques químicos se han explorado para hacer que el reticulante degradable en respuesta a redox o a los estímulos externos, tales como enlaces disulfuro reducibles 6,7 y pH escindible 8 o éster hidrolizable bonos 9,10.

Hemos informado anteriormente el diseño y síntesis de las nanopartículas micelares consiste en ácido cólico dendríticas (CA) bloques y polietilenglicol (PEG) lineal copolímeros, referido como telodendrimers (TD) 11-15 . Estas anotaciones se representan como PEG nK -CAy (donde n = peso molecular en kilodaltons (K), y = número de ácido cólico (CA) unidades). Se caracterizan por su pequeño tamaño, larga vida útil, y alta eficiencia de encapsulación de drogas tales como paclitaxel (PTX) y la doxorrubicina (DOX) en el núcleo hidrofóbico. Los bloques de construcción de TD, tales como PEG, lisina, y CA, son biocompatibles, y la presencia de una corona PEG pueden impartir un carácter de nanopartículas "stealth", la prevención de la absorción no específica de las nanopartículas micelares por los sistemas reticuloendoteliales.

polímeros lineales dendríticas tiolada pueden ser fácilmente generados mediante la introducción de cisteínas en la cadena principal oligo-lisina dendríticas de nuestra TDs estándar. Este artículo presenta un protocolo fácil para la producción de un sistema de suministro de fármaco micelar reversiblemente reticulado mediante la introducción de disulfuro enlaces cruzados en el núcleo hidrofóbico de anotaciones (Figura 1).

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Protocolo

Ética declaración: Mujer ratones desnudos atímicos (cepa nu / nu), 6-8 semanas de edad, fueron adquiridos y después se mantuvo en condiciones libres de patógenos según las directrices de la AAALAC y se les permitió aclimatarse durante al menos 4 días antes de cualquier experimento. Todos los experimentos con animales se realizaron de acuerdo con las directrices institucionales y de acuerdo con el protocolo Nº 07-13.119 y N ° 09-15584, aprobado por el Uso de Animales y el Asesor Administrativo de Atención en la Universidad de California, Davis.

1. Síntesis de TD PEG 5K Cys 4 -Ebes 8 8 -CA

  1. En un matraz de fondo redondo, se disuelven MeO-PEG 5K -NH 2 (2 g, 0,4 mmol) en 10 a 20 ml de dimetilformamida anhidra (DMF) y se enfría en hielo.
  2. En un vaso de precipitados de vidrio, se disuelven 3 equiv. de 1-hidroxi-6-cloro-benzotriazol (HOBt), 3 equiv. de N, N '-diisopropylcarbodiimide (DIC), y 3 equiv. de (Fmoc) 2 Lys-OH en D anhidroMF (10-15 ml). Se agita durante 15-20 minutos en una placa de agitación magnética.
  3. Añadir la mezcla al matraz de reacción que contiene el MeO-PEG 5K -NH 2. Eliminar el baño de hielo y se agita la mezcla de reacción durante la noche a temperatura ambiente.
  4. Confirmar la finalización de la reacción con cromatografía de capa fina (TLC) 16 y 17 de prueba de Kaiser (un color amarillo indica la ausencia de libre NH 2). Precipitar el producto polimérico 1 (MeO-PEG 5K Lys (NH-Fmoc) 2) mediante la adición de aproximadamente 200 ml de éter enfriado en hielo al matraz de reacción. Separar el polímero precipitado mediante centrifugación (6 min a 6.000 xg y 4 ° C).
    1. Para llevar a cabo TLC, manchar las muestras en placas de TLC recubiertas con gel de sílice. Utilice diclorometano / metanol (9: 1) como fase móvil. Observar manchas bajo una lámpara UV después de desarrollar las placas de TLC. También se puede utilizar la ninhidrina reactivo de tinción para visualizar los puntos de amina en una placa caliente.
    2. por Kaiprueba de Ser, coloque un poco de la muestra en un tubo de vidrio que contiene el reactivo de Kaiser. Calentar a 100 ° C durante 5 min y buscar el cambio de color (si el color de la solución permanece de color amarillo, a continuación, se completa la reacción).
  5. Re-disolver el producto en DMF anhidro (10 a 20 ml) y repetir la precipitación y centrifugación (véase el paso 1.4).
  6. Repita el paso 1.5, y lavar el precipitado de polímero tres veces con éter enfriado con hielo.
  7. Transferir el precipitado de polímero 1 a un matraz de reacción limpio y conectar el matraz a una fuente de vacío de alta para eliminar el éter residual.
  8. Preparar y añadir aproximadamente 20-30 ml de 20% (v / v) de 4-metil-piperidina en DMF al polímero intermedio 1. Agitar hasta la disolución completa. Ejecutar la reacción durante 3 hr.
  9. Realizar TLC 16 y el ensayo de Kaiser (un color azul confirma la presencia de NH libre 2) 17 (véase el paso 1.4) para confirmar la completion de la reacción. Si la reacción se ha completado, proceder a la precipitación de éter, como se ha mencionado para el producto 1 (pasos 1.4-1.6).
  10. Se seca el producto polimérico 2 (MeO-PEG 5K Lys (NH 2) 2) bajo un vacío.
  11. Llevar a cabo una ronda más de (Fmoc) 2-Lys-OH acoplamiento en el intermedio 2 (pasos 1,1-1,7) para generar el producto 3 (MeO-PEG 5K Lys (Lys (NH-Fmoc) 2) 2). De-proteger (pasos 1.8 a 1.10) los grupos Fmoc (4, MeO-PEG 5K Lys (Lys (NH 2) 2) 2) y par (pasos 1.1 a 1.7) la (Fmoc) Lys (Boc) -OH a generar una polilisina dendrítica tercera generación (5, MeO-PEG 5K Lys-Lys 2 - ((Fmoc) Lys (Boc)) 4) terminado con cuatro grupos Boc y Fmoc en un extremo de la cadena de PEG.
  12. Transferir el polímero resultante intermedio 5 a un matraz de reacción. en comoSeparadas matraz de reacción, preparar 1: 1 (v / v) de ácido trifluoroacético (TFA) en diclorometano (DCM). Añadir 15-20 ml de una mezcla 1: 1 de TFA / DCM (v / v) para el polímero intermedio 5. Se agita la mezcla hasta que el polímero se disuelva por completo. Se agita durante una 3 h adicionales.
  13. Realizar TLC 16 y la prueba de Kaiser (un color azul confirma la presencia de NH libre 2) 17 (véase el paso 1.4) para confirmar la finalización de la reacción. Si la reacción es completa, se evapora la mezcla de polímero-in-TFA / DCM con aire hasta que se obtiene una solución viscosa. Proceder a la precipitación de éter, como se ha mencionado para el producto 1 (pasos 1.4-1.6). Se seca el producto polimérico 6 (MeO-PEG 5K Lys-Lys 2 - ((Fmoc) Lys (NH 2)) 4) bajo un vacío.
  14. Polímero de transferencia intermedia 6 en un matraz de reacción. Utilice aproximadamente 40 ml de DMF anhidra que contiene 8 equiv. de N, N -diisopropylethylamine (DIEA) para disolver el polímero intermedio 6. En un vaso de precipitados de vidrio, se disuelven 12 equiv. de HOBt, 12 equiv. de la CID, y 12 equiv. de (Fmoc) Cys (Trt) -OH en 20 a 25 ml de DMF anhidro. Agitar durante 10-15 minutos, y luego agregar la mezcla de reacción en el matraz de reacción que contenía 6. Ejecutar la reacción durante la noche.
  15. Confirmar la finalización de la reacción con TLC 16 y el ensayo de Kaiser (véase el paso 1.4; un color amarillo indica la ausencia de NH2 libre) 17. Si la reacción es completa, proceder a la precipitación de éter, como se ha mencionado para el producto 1 (etapa 1.4 a 1.6), para aislar el producto 7 (MeO-PEG 5K Lys-Lys 2 - ((Fmoc) Lys - ((Fmoc) Cys (Trt))) 4.
  16. Realizar Fmoc de-protección en 7, como se indica en el paso 1.8, para obtener el producto 8 (PEG 5K Lys-Lys 2 - (Lys (NH 2) - (Cys (NH 2) (Trt))) 4). Pareja (Fmoc) PEG 2 Suc-OH ( "Ebes" enlazador, 24 equiv.) En un acoplamiento de polímero intermedio utilizando el procedimiento descrito anteriormente para HOBt / DIC-mediada obtener intermedio 9 (MeO-PEG 5K Lys-Lys Lys 2 4 - (Cys (Trt) ) 4 (Ebes (NH-Fmoc)) 8).
  17. Realizar una ronda más de Fmoc desprotección (pasos 1,6-1,8) para obtener intermedio 10 (MeO-PEG 5K-Lys-Lys-Lys 2 4 - (Cys (T)) 4 (Ebes (NH 2)) 8).
  18. Transferir el polímero intermedio 10 en un matraz de reacción y añadir DMF anhidro (aproximadamente 30-40 ml) para disolverlo. En otro matraz de reacción, se disuelven 24 equiv. de CAOSu (preparado de acuerdo con el procedimiento publicado previamente) en DMF anhidro (20 a 30 ml) 18. Añadir 48 equiv. de N, N-diisopropiletilamina y se deja agitar durante 10-15 minutos. Transferir el contenido en el matraz de reacción que contenía 10 y dejar que la ejecución de la reacción overnight.
  19. Confirmar la finalización de la reacción con TLC 16 y la prueba de Kaiser (ver paso 1,4; un color amarillo indica la ausencia de libre NH 2) 17. Si la reacción es completa, proceder a la precipitación de éter, como se ha mencionado para el producto 1 (pasos 1/4 a 1/6) para aislar el producto 11 (MeO-PEG 5K Lys-Lys Lys 2 4 - (Cys (Trt)) 4 -Ebes 8 -CA 8). Se dializa en agua desionizada y se liofiliza la muestra para producir un polvo blanco.
  20. Colocar el polímero intermedio 11 en un matraz de reacción. Preparar y añadir 20 ml de TFA / 1,2-etanoditiol (EDT) / trietilsilano (TIS) / H2O (94 / 2,5 / 1 / 2,5, v / v) mezcla en la solución de polímero. Se agita la mezcla hasta disolución completa. Ejecutar la reacción durante 4 hr. Confirmar la finalización de la reacción por TLC 16.
  21. Bajo la campana de humos, soplar aire en el polímero-TFA / EDT / TIS / H 2O mezcla hasta que la solución se vuelve viscosa. Proceder a la precipitación de éter, como se ha mencionado para el producto 1 (pasos 01/04 a 01/06), para aislar el producto final, 12 (PEG 5K Cys 4 -Ebes 8 -CA 8). Disolver en acetonitrilo y se liofiliza para dar un polvo blanco.

2. Preparación de micelas cargadas-PTX

  1. Preparar una carga PTX-PEG 5K Cys 4 -Ebes 8 -CA 8 de micelas utilizando el método de evaporación estándar.
    1. Disolver 20 mg de TD con una cantidad diferente de PTX (1-9 mg) en 1 ml de cloroformo (CHCl3). Se elimina el disolvente utilizando un evaporador rotatorio para obtener una película de polímero homogéneo, seco. Reconstituir la película con 1 ml de solución salina tamponada con fosfato (PBS) por vórtice, seguido por sonicación durante 30 min a 40 kHz, si es necesario, para permitir la formación de micelas cargadas de fármaco.
    2. Añadir 6 l de 3% (w w /) H 2 O 2 (1 equiv. A FRee los grupos tiol) para oxidar los grupos tiol en la TD. Use la solución de micelas para una caracterización adicional una vez que el nivel de grupos tiol libres se mantiene en valores bajos constantes, como se indica mediante la prueba 19 de Ellman.
    3. Filtrar la solución con un filtro de 0,22-micras para esterilizar la muestra. Analizar la cantidad de fármaco cargada en las micelas en un 20 sistema de HPLC después de la liberación de los fármacos desde las micelas mediante la adición de 9 veces de acetonitrilo y la realización de 10 min de sonicación. Utilizar una columna C18 de HPLC con acetonitrilo / agua como fase móvil.
    4. Calcular la carga de fármaco de acuerdo con la curva de calibración entre los valores de área de HPLC y las concentraciones del fármaco estándar 11.
      NOTA: La eficiencia de carga se define como la relación de fármaco cargado en las micelas en el contenido inicial de la droga.

3. Caracterizaciones de micelas

  1. Medir el tamaño y distribución por tamaño de la micelles con un instrumento de dispersión de luz dinámica (DLS) 29. Llevar a cabo las mediciones a temperatura ambiente y mantener la concentración micelar en 1 mg / ml.
    NOTA: Para realizar el análisis de tamaño de partícula, utilice PBS como blanco, y luego grabar el tamaño de partícula de las muestras reales. Tome las lecturas por triplicado para muestras, y luego promediar las lecturas.
  2. Utilice espectros de fluorescencia para medir la concentración micelar crítica (CMC) de PEG 5K Cys 4 -Ebes 8 -CA 8 antes y después de la reticulación con pireno como sonda fluorescente hidrófobo, como se describe previamente 13,21.
    NOTA: Por lo general, la concentración micelar oscila entre 5 x 10 -7 a 5 x 10 -4 M.

4. Estabilidad de las micelas en SDS con o sin agentes de reducción

  1. Preparar soluciones madre de dodecil sulfato de sodio solución (SDS) (7,5 mg / ml) y disulfuro de micelas reticuladas (1,5 mg / ml) en PBS. A continuación, ucantar las soluciones madre, hacer una mezcla solución en la que la concentración final de SDS está en 2,5 mg / ml y la concentración micelar está en 1,0 mg / ml.
  2. Medir el tamaño y distribución por tamaño (como se menciona en el paso 3.1) de las soluciones de micelas en intervalos de tiempo predeterminados, con o sin la presencia de glutatión 10 mM (GSH).

5. Ensayo de hemólisis

  1. Evaluar el potencial hemolítico de las micelas cargadas con PTX,-no reticulados (PTX-NCMs) preparado de acuerdo con el procedimiento publicado previamente 11 y micelas reticuladas cargados-PTX (PTX-MCD) utilizando la sangre con citrato fresco de ratones desnudos recogido de la velo cola.
    1. Recoger las células rojas de la sangre por centrifugación de la muestra de sangre (1,0 ml) a 1000 xg durante 10 min, a lavar tres veces con PBS, y luego volver a suspender los sedimentos celulares con PBS a una concentración final de 2%.
  2. Mezclar 200 l de suspensión de eritrocitos con diferentes concentraciones (0,2 y 1,0mg / ml) de PTX-NCMs y PTX-MCDs, respectivamente, y se incuba durante 4 horas a 37 ° C en un agitador incubador.
  3. Centrifugar las mezclas de micelas de eritrocitos a 3000 xg durante 5 min. Transferir 100 l del sobrenadante de todas las muestras a una placa de 96 pocillos. Medir la absorbancia de la hemoglobina libre en el sobrenadante a 540 nm utilizando un lector de micro-placa.
    NOTA: Los eritrocitos incubados con Triton-100 (2%) y PBS se van a utilizar como los controles positivos y negativos, respectivamente. El porcentaje de hemólisis de los hematíes se calcula con la siguiente fórmula: RBC hemólisis = (muestra OD - OD control negativo) / (control positivo OD - control negativo OD) x 100%.

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Resultados

Preparación y caracterización de, micelas reticuladas disulfuro cargadas con fármaco-

Anfifílicos polímero de PEG 5K Cys 4 -Ebes 8 -CA 8 es un polímero dendrítico capaz de formar un sistema micelar reticulado disulfuro para la administración de fármacos cáncer. Estructuralmente, se define como un oligómero dendríticas de ácidos cólicos (dominio hidrófobo) unido a un extremo de la molécula lineal PEG...

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Discusión

Varios nanopartículas han sido investigados para su uso potencial en la administración de fármacos. doxorrubicina liposomal y paclitaxel (PTX) RESORTE humanos albúmina sérica nano-agregados son algunos de los nanotherapeutics aprobados por la FDA para el tratamiento del cáncer. Sin embargo, aunque clínicamente eficaz, tanto de estos nanotherapeutics son relativamente "grandes" en tamaño, y que tienden a acumularse en el hígado y los pulmones. Las micelas poliméricas con tamaños de partículas de menor tamaño re...

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Divulgaciones

Y. Li y K.S.L. son los inventores de una patente pendiente sobre sistemas de micelas reticulados de forma reversible (solicitud de patente estadounidense 61/485.774). K.S.L. es el científico fundador de LamnoTherapeutics Inc., que planea desarrollar la nanoterapéutica descrita en el manuscrito. Los autores restantes declaran no tener intereses financieros contrapuestos.

Agradecimientos

Los autores agradecen a la Sra. Alisha Knudson por la ayuda editorial. También les gustaría agradecer el apoyo financiero de los NIH/NCI (3R01CA115483, a K.S.L.), el Premio PRMRP del Departamento de Defensa (W81XWH-13-1-0490, a K.S.L.), el NIH/NCI (1R01CA199668, a Y.L.) y el NIH/NICHD (1R01HD086195, a Y.L.).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
MeO-PEG5K-NH2Rapp Polymere125000-2
Fmoc-Lys(Fmoc)-OHAaptecAFK107
Fmoc-Lys(Boc)-OHAnaspecAS-20132
Fmoc-Cys(Trt)-OHAapptecAAC105
DimetilformamidaFisher ScientificBP1160-4
Éter etílicoFisher ScientificE134-20
N,N-DiisopropiletilaminaSigma AldrichD125806
Ácido trifluoroacéticoSigma AldrichT6508Corrosivo, maneje con cuidado
4-metil piperidinaAlfa-AesarL-02709
Enlazador EbesAnaspecAS-61924
Ácido cólicoSigma AldrichC1129
1,2-EthanedithiolSigma Aldrich02390Mango interior de la campana extractora. Guantes blanqueadores después de su uso.
TriisopropilsilanoSigma Aldrich 233781
Cloroformo (anhidro)Sigma Aldrich288306
Solución de peróxido de hidrógeno 30%Aaron IndustriesNA
HoBt-ClAaptecCXZ096
DICSigma AldrichD125407
Ratones desnudos atímicos hembra (cepa Nu/Nu), 6– 8 semanas de edadHarlan (Livermore, CA)

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