Proprietà di trasporto di ibuprofene Encapsulated in ciclodestrina Nanosponge idrogel: un protone HR-MAS NMR Spettroscopia di studio
15 agosto 2016
I regimi di movimento di ibuprofene incapsulata in nanospugne beta-ciclodestrina rete polimero sono studiati con spin-echo tecnica (PGSE) NMR campo pulsato-gradiente. Sintesi, purificazione, droga caricamento, esecuzione della sequenza di impulsi NMR e analisi dei dati per calcolare lo spostamento quadratico medio del farmaco in diversi tempi di osservazione sono descritte in dettaglio.
L'obiettivo generale di questo lavoro è mostrare la sintesi di nanospugne di ciclodestrina, convertirle in idrogel caricati con farmaci e studiare la diffusività del farmaco all'interno dell'idrogel mediante spettroscopia di risonanza magnetica nucleare ad alta risoluzione con rotazione ad angolo magico. Le nanospugne di ciclodestrine sono preparate mediante polimerizzazione a gradini tra ciclodestrine, o CD, e il DNA EDTA essiccato. Se non lo diciamo, la nostra rete di unità CD è formica, in grado di assorbire e rilasciare specie organiche e inorganiche.
Il vantaggio principale della risonanza magnetica NMR ad alta risoluzione con rotazione ad angolo magico è quello di monitorare la proprietà di trasferimento del farmaco incapsulato all'interno di un ospite polimerico con potenziale interesse per la somministrazione di farmaci. L'approccio sintetico è molto semplice e viene eseguito a temperatura ambiente. La reazione di polimerizzazione a gradini avviene in circa 10 minuti.
Abbiamo scelto l'ibuprofine come esempio di un farmaco intrappolato nelle metriche polimeriche dell'idrogeno, rappresentativo di una consegna ripiegabile di sei auto. Essiccare la beta ciclodestrina in forno a 100 gradi Celsius fino a un peso costante. Inoltre, asciugare 250 millilitri di DMSO e 100 millilitri di trietilammina su quattro setacci molecolari Angstrom per 24 ore prima di utilizzarli nel protocollo.
Introdurre 25 millilitri di DMSO in un pallone da 50 millilitri a fondo tondo con un solo collo. Sotto agitazione magnetica, aggiungere 5,675 grammi di beta-ciclodestrina. Aggiungere la polvere di beta-ciclodestrina in piccole porzioni al DMSO per ridurre la formazione di grumi.
Dopo circa 30 minuti, aggiungere sei millilitri di trietilammina alla soluzione omogenea utilizzando una pipetta tarata da 10 millilitri. Immergere il pallone in un bagnomaria mantenuto a temperatura ambiente e tenere il composto sotto agitazione per 15 minuti. Per la preparazione della nanospugna di ciclodestrine uno-quattro, aggiungere 5,124 grammi di anidride EDTA sotto agitazione intensa.
E per la preparazione della nanospugna ciclodestrina uno-otto, aggiungere 10,248 grammi di anidride EDTA sotto agitazione intensa. Dopo tre ore, rimuovere il materiale solido, che è la nanospugna di ciclodestrina, dal pallone usando una spatola e schiacciarlo grossolanamente con un mortaio e un pestello. Lavare il materiale solido in un bagno di acetone, quindi lavare e filtrare il materiale solido su carta da filtro.
Dopo aver essiccato tutto il materiale solido all'aria a temperatura ambiente per 48 ore, schiacciare finemente il materiale essiccato usando un mortaio e un pestello. Quindi, tienilo sottovuoto per due ore a 45 gradi Celsius. Per la preparazione di campioni NMR con rotazione ad angolo magico ad alta risoluzione, preparare prima una soluzione di sale sodico di ibuprofene molare 0,27 molare in acqua deuterata.
Aggiungere 20 milligrammi di ciclodestrina nanosponge uno-quattro e due milligrammi di carbonato di sodio anidro a 150 microlitri di soluzione in una fiala di vetro da due millilitri. Mescolare il contenuto della fiala con una piccola spatola per omogeneizzarlo. Ripetere questo processo per il polimero uno-otto della nanospugna di ciclodestrina.
Ottenere un idrogel omogeneo e perfettamente gonfio è il primo passo fondamentale per un buon spettro NMR di massa HR. L'idrogel deve essere posizionato nel rotore NMR con molta attenzione, evitando bolle che potrebbero causare uno spingimento errato del rotore. Inserire il gel in un rotore NMR da cinque millimetri adatto per esperimenti di massa HR utilizzando una piccola spatola.
Quindi, inserire il rotore nel magnete dello spettrometro NMR. Una volta inserito nel magnete, far ruotare il rotore tramite un'unità pneumatica fino a 4.000 hertz. Per eseguire esperimenti di risonanza magnetica del protone di massa HR, impostare i parametri strumentali con una velocità di rotazione del rotore di quattro kilohertz nell'unità di controllo pneumatico della massa e una temperatura del campione a 305 kelvin nell'unità di temperatura variabile.
Esegui uno spettro unidimensionale, richiedi gli spettri di massa HR di diffusione dell'ibuprofene in nanospugna di ciclodestrina uno-quattro e nanospugna di ciclodestrine uno-otto idrogel utilizzando la sequenza di impulsi spin-echo a gradiente pulsato sulla risonanza protonica. Gli esperimenti di diffusione vengono eseguiti utilizzando la sequenza di impulsi a led BP. Questo è un esperimento pseudo bidimensionale con una rampa di gradiente che aumenta linearmente dal 2% al 100% di forza del gradiente nella dimensione indiretta.
L'intensità del segnale viene attenuata in base al tempo di diffusione e all'impulso di gradiente P30. L'ottimizzazione di questi parametri è necessaria prima di eseguire correttamente un esperimento. L'ottimizzazione viene effettuata eseguendo due misure unidimensionali, in cui il tempo di diffusione viene mantenuto costante mentre P30 viene variato.
Le misure del tempo di diffusione variabile vengono effettuate incrementando il tempo di diffusione nell'intervallo da 50 a 200 millisecondi. Per ogni esperimento, viene raccolta una matrice di 32 spettri. Quindi, elabora i dati come descritto nel protocollo di testo.
L'esperimento di base spin-echo a gradiente di campo pulsato consente di misurare lo spostamento quadratico medio molecolare dell'ibuprofene negli idrogel. L'intensità del segnale NMR diminuisce all'aumentare dell'intensità del gradiente. L'adattamento di decadimento fornisce lo spostamento quadratico medio molecolare, indicato come Z-quadrato.
A sua volta, lo spostamento quadratico medio è correlato al tipo di regime di diffusione. L'esponente alfa è ottenuto sperimentalmente mediante una regressione lineare log-log dello spostamento quadratico medio in funzione del tempo di diffusione. Il valore dell'esponente alfa è un descrittore del regime diffusivo osservato per l'ibuprofene nella matrice di idrogel.
La diffusione isotropa illimitata esiste quando alfa è uguale a uno. Un regime subdiffusivo è indicato per un valore alfa inferiore a uno. E un regime superdiffusivo è rappresentato da un valore alfa maggiore di uno.
L'ibuprofene intrappolato nella matrice di idrogel mostra due diversi regimi di diffusione a seconda della preparazione del polimero. Gli idrogel di nanospugne uno-quattro sono rappresentati da un regime subdiffusivo. Al contrario, gli idrogel di nanospugne uno-otto sono caratterizzati da un regime leggermente superdiffusivo.
Una volta padroneggiata, questa reazione può essere eseguita ad alta resa e purezza in un'ora se eseguita correttamente. I materiali mostrano un'interessante capacità di assorbimento dell'acqua formando idrogel viscosi, in cui molecole biologicamente attive possono essere facilmente incorporate. Lo stato molecolare nelle proprietà di trasferimento di una molecola biologicamente attiva incapsulata in tali matrici polimeriche può essere studiato sperimentalmente utilizzando le tecniche HMS NMR.
I risultati della RMN sulla diffusione dell'ibuprofene negli idrogel preparati da nanospugne ciclodestrine indicano che la diffusione può essere modulata da un'opportuna preparazione dei polimeri. L'ibuprofene mostra sia un regime subdiffusivo che superdiffusivo negli idrogel di nanospugne di ciclodestrina. Questa scoperta può essere sfruttata per la progettazione originale delle proprietà di rilascio dell'impalcatura dell'idrogeno delle nanospugne di ciclodestrina.
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Panoramica
Questo studio analizza la sintesi di nanospongie di ciclodestrina e la loro conversione in idrogeli caricati con farmaco. La diffusività dell'ibuprofene all'interno dell'idrogel viene analizzata mediante spettroscopia di risonanza magnetica nucleare ad alto campo con rotazione dell'angolo magico.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Sistemi di somministrazione dei farmaci
- Chimica dei polimeri
Sfondo
- I nanospongie di ciclodestrina si formano attraverso una polimerizzazione a crescita per passi.
- Queste nanospongie possono assorbire e rilasciare diverse specie organiche e inorganiche.
- La risonanza magnetica nucleare ad alta risoluzione con rotazione dell'angolo magico permette di monitorare le proprietà di trasferimento dei farmaci.
- Il processo di sintesi è semplice e avviene a temperatura ambiente.
Scopo dello studio
- Sintetizzare nanospongie di ciclodestrina.
- Creare idrogeli caricati con farmaco a partire da queste nanospongie.
- Studiare la diffusività dell'ibuprofene all'interno dell'idrogel.
Metodi Utilizzati
- Polimerizzazione a crescita per passi di ciclodestrine e DNA EDTA.
- Spettroscopia NMR ad alta risoluzione con rotazione all'angolo magico.
- Monitoraggio delle proprietà di trasferimento del farmaco all'interno dell'ospite polimerico.
- Analisi dei dati per determinare lo spostamento quadratico medio del farmaco.
Risultati principali
- Sintesi riuscita di nanospongie a base di ciclodestrina.
- Caricamento efficace del farmaco nei idrogeli.
- Analisi dettagliata della diffusività del farmaco mediante NMR.
- Applicazioni potenziali nei sistemi di somministrazione di farmaci dimostrate.
Conclusioni
- I nanospongi di ciclodestrina sono promettenti per applicazioni nel rilascio di farmaci.
- Lo studio fornisce informazioni sulla diffusività dei farmaci nei sistemi polimerici.
- La ricerca futura potrà esplorare ulteriori applicazioni di questi nanospongi.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La caratterizzazione quantitativa della diffusione del farmaco all'interno di idrogeli polimerici è fondamentale per il controllo predittivo della cinetica di rilascio nei sistemi avanzati di somministrazione dei farmaci. Questo studio illustra come la NMR HR-MAS e la NMR PGSE permettano una riduzione del rischio meccanicistica, distinguendo tra regimi di diffusione normale e anomala per principi attivi incapsulati. Tali informazioni supportano la selezione precoce delle formulazioni e guidano le decisioni strategiche sui portafogli riguardo piattaforme di somministrazione basate su polimeri.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Consente la misurazione diretta della mobilità molecolare di principi attivi incapsulati in matrici polimeriche.
- Supporta la riduzione del rischio meccanicistico rivelando come la struttura del polimero moduli il trasporto del farmaco.
- Fornisce una previsione affidabile per la selezione di combinazioni polimero-farmaco con profili di rilascio regolabili.
Sviluppo di screening e saggi
- Facilita la standardizzazione della preparazione degli idrogeli e del caricamento dei farmaci per analisi NMR riproducibili.
- Genera metriche quantitative sulla diffusione per confrontare sistemi di somministrazione in fase di valutazione.
- Consente lo screening su larga scala di formulazioni polimeriche per valutarne il potenziale di rilascio controllato.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Allinea i regimi di diffusione in vitro con le caratteristiche di rilascio in vivo desiderate per una continuità traslazionale.
- Permette l'avanzamento ponderato dei vettori polimerici sulla base di dati meccanicistici sul trasporto.
- Fornisce una piattaforma per l'ottimizzazione iterativa degli scaffold di rilascio prima della valutazione preclinica.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo flusso di lavoro basato sulla NMR si integra nel percorso dalla scoperta alla fase preclinica fornendo letture quantitative precoci del trasporto del farmaco in idrogeli candidati.
- Biologia della Scoperta: Chiarisce la relazione tra reticolazione del polimero e mobilità del soluto, fornendo indicazioni per una progettazione basata su ipotesi.
- Screening: Fornisce dati quantitativi riproducibili sulla diffusione per confrontare sistemi polimero-farmaco.
- Analisi: Produce lo spostamento quadratico medio e la classificazione del regime di diffusione per decisioni solide.
- Ricerca Translazionale: Collega le proprietà di trasporto in vitro con le aspettative di rilascio in vivo, quando supportata da ulteriori studi.
- Riutilizzo Aziendale: Stabilisce una piattaforma analitica riutilizzabile per diversi candidati di somministrazione polimerica.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva sulla cinetica di rilascio del farmaco e sulla validazione del bersaglio per i sistemi di somministrazione.
- Valore operativo: Standardizza i protocolli di misurazione della diffusione per garantire la riproducibilità tra diversi gruppi di lavoro.
- Valore strategico: Permette decisioni informate di avanzamento o interruzione nello sviluppo di vettori polimerici, riducendo i rischi nelle fasi avanzate.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione dei sistemi di somministrazione in base ai dati meccanicistici sul trasporto, corretta per il rischio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in spettroscopia NMR e chimica dei polimeri per l'acquisizione e l'interpretazione accurata dei dati.
- Richiede l'accesso a strumentazione NMR HR-MAS e a procedure ottimizzate di preparazione del campione.
- Necessita di una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro per la sintesi degli idrogeli e i protocolli di caricamento del farmaco.
- L'adattamento ad altri sistemi farmaco-polimero potrebbe richiedere un'ottimizzazione del protocollo per garantire la compatibilità con la matrice.
- L'interpretazione del regime di diffusione è limitata alle condizioni in vitro e richiede ulteriori validazioni per un'eventuale traduzione in vivo.
Domande frequenti sulla biofarmaceutica
Chapters in this video
0:05
Title
1:19
Synthesis of Cyclodextrin Nanosponge Polymers
3:36
HR-MAS NMR Measurements
7:05
Results: How to Detect Variations of the Transport Properties of the Drug Encapsulated in the Hydrogel in Relation to the Nanosponge Synthesis
8:50
Conclusion
