Voorgestelde aanpak en belangrijkste bevindingen
In de huidige studie is NANOXURIA ontwikkeld met behulp van een methode voor hete homogenisatie. Stearinezuur werd gebruikt als vast lipide, en de bereidingstemperatuur werd gehandhaafd op ongeveer 70 °C, wat nauw aansluit bij het smeltpunt van stearinezuur (~69.3 °C), om volledige smelting van de lipiden en een efficiënte homogenisatie te waarborgen, terwijl onnodige thermische blootstelling van HU en de surfactanten werd geminimaliseerd22. De surfactantsystemen werden selected op basis van hun hydrofiel-lipofiele balanswaarde (HLB), biocompatibiliteit en geschiktheid voor de bereiding van NLC. Voorlopige formulatieproeven werden gebruikt om surfactanteconcentraties te identificeren die stabiele nanodispersies produceren met een kleine deeltjesgrootte en een lage PDI, waarbij overmatige concentraties die de stabiliteit of cytocompatibiliteit nadelig zouden kunnen beïnvloeden, werden vermeden. De formulaties werden vóór de deeltjesgrootteanalyse adequaat verdund met water van hoge zuiverheid om meervoudige verstrooiingseffecten te minimaliseren, die een nauwkeurige bepaling van de deeltjesgrootte en de grootteverdeling kunnen beïnvloeden23.
De drie formuleringen, NX-ST, NX-CT en NX-CS, verschilden hoofdzakelijk in hun surfactantsamenstelling. NX-ST bevatte T80 en SDS, NX-CT bevatte Cremophor EL en T80, en NX-CS bevatte Cremophor EL en SDS. Deze formuleringsstrategie maakte het mogelijk om de effecten van non-ionische en ionische surfactants, alsook hun concentraties, op de fysisch-chemische kenmerken van HU-geladen NLC's te evalueren. De resultaten toonden duidelijke verschillen aan in partikelgrootte, PDI, ZP, EE, drug-releasegedrag en cytotoxiciteit tussen de formuleringen, wat aangeeft dat de keuze van de surfactant een belangrijke bepalende factor is voor de prestaties van NLC's.
De partikelgrootte verschilde significant tussen de formuleringen (p < 0,05), volgens de volgorde NX-CS < NX-CT < NX-ST. Partikelgrootte is een belangrijke determinant voor de prestaties van nanodragers, omdat kleinere partikels een groter oppervlak kunnen bieden en de dispersiestabiliteit, cellulaire interacties, biodistributie en het drug-release-gedrag beïnvloeden24,25. NX-CS produceerde de kleinste partikels, wat geassocieerd kan worden met de hoge emulgeerefficiëntie van Cremophor EL in combinatie met de gematigde concentratie SDS. Cremophor EL kan de vorming van kleinere druppels faciliteren door de grensvlakspanning te verlagen, terwijl SDS bijdraagt aan elektrostatische stabilisatie. De lagere SDS-concentratie die in NX-CS werd gebruikt in vergelijking met NX-ST kan voldoende grensvlakstabilisatie hebben geboden zonder de overmatige grensvlakeffecten te veroorzaken die gepaard gaan met de hogere SDS-concentratie26,27,28.
NX-CT produceerde een gemiddelde partikelgrootte. De combinatie van Cremophor EL en T80 levert twee niet-ionische surfactanten met complementaire interfaciale en sterische stabilisatie-eigenschappen. Cremophor EL draagt bij aan een sterke emulsificatie, terwijl T80 een sterische barrière rond de partikels kan vormen en coalescentie kan verminderen29,30,31. De afwezigheid van een ionische surfactant voorkomt bovendien sterke lading-gemedieerde interacties tijdens de partikelvorming. In tegenstelling hiertoe vertoonde NX-ST de grootste partikelgrootte. Hoewel SDS een sterke emulgerende surfactant is, kan de relatief hoge concentratie in NX-ST de interfaciale omgeving en het groeigedrag van de partikels hebben beïnvloed. T80 zorgt voor sterische stabilisatie, maar het gecombineerde effect van T80 en de hogere SDS-concentratie kan hebben geleid tot een minder gunstige balans tussen emulsificatie en stabilisatie dan die bereikt in NX-CS.
De morfologische studies ondersteunden verder de vorming van nanoschaal lipide dragers. SEM en TEM toonden hoofdzakelijk sferische tot bijna-sferische deeltjes, waarbij de waargenomen morfologie grotendeels consistent was met de door DLS bepaalde deeltjesgrootten. Verschillen tussen microscopische en DLS-metingen zijn te verwachten, omdat SEM gedroogde deeltjes onderzoekt, terwijl DLS de hydrodynamische diameter van deeltjes meet samen met hun bijbehorende hydratatie- en surfactantlagen. De gecombineerde microscopische en DLS-bevindingen ondersteunen dus de succesvolle vorming van nanoschaal NLC-systemen.
De PDI leverde aanvullende informatie over de uniformiteit van de partikelpopulaties. NX-CT vertoonde de smalste partikelgrootteverdeling, terwijl NX-ST de hoogste gemiddelde PDI vertoonde. NX-CS had een tussenliggende gemiddelde PDI, maar een grotere variabiliteit tussen herhaalde metingen. In het bijzonder geven de replikaatwaarden voor NX-CS aan dat deze formulering een grotere variabiliteit vertoonde dan die voor NX-ST en NX-CT. De algemene PDI-trend was NX-CT < NX-CS < NX-ST, hoewel het gerapporteerde verschil niet statistisch significant was (p > 0.05). De relatief lage PDI van NX-CT kan gerelateerd zijn aan de gecombineerde sterische stabilisatie geboden door Cremophor EL en T80. Beide surfactanten zijn niet-ionisch en kunnen de partikelinterface stabiliseren zonder sterke elektrostatische interacties te introduceren. Cremophor EL vergemakkelijkt de emulsificatie, terwijl T80 sterische bescherming biedt, wat potentieel een homogenere partikelpopulatie bevordert32,33. De hogere PDI van NX-ST kan de invloed van de hogere SDS-concentratie weerspiegelen. SDS zorgt voor elektrostatische afstoting, maar veranderingen in de surfactantconcentratie kunnen ook de micellisatie en interfaciale organisatie beïnvloeden, wat mogelijk bijdraagt aan heterogeniteit in de partikelgrootte34,35,36. NX-CS vertoonde een tussenliggende PDI-waarde, wat consistent is met de gecombineerde effecten van Cremophor EL en een lagere SDS-concentratie37.
De formuleringen verschilden ook in oppervlaktelading. NX-ST vertoonde de hoogste negatieve ZP, wat consistent is met de aanwezigheid van de hogere SDS-concentratie, gevolgd door NX-CT en NX-CS. De hogere negatieve oppervlaktelading van systemen die SDS bevatten is te verwachten, aangezien SDS een anionische surfactant is. De ZP-waarden geven daarom aan dat SDS wezenlijk bijdroeg aan de oppervlaktelading van de NLC's, terwijl de niet-ionische surfactants voornamelijk bijdroegen aan sterische stabilisatie. De ZP-trend was NX-ST > NX-CT > NX-CS (p < 0,05). Deze verschillen mogen echter niet uitsluitend worden toegeschreven aan de surfactantsamenstelling, aangezien residuele vrije surfactant, ionsterkte en veranderingen in de lipide-surfactantorganisatie de gemeten ZP ook kunnen beïnvloeden38,39,40.
De inkapselingsefficiëntie demonstreerde verder de invloed van de samenstelling op de retentie van HU. Alle formuleringen vertoonden een relatief hoge EE (>75%), wat wijst op een succesvolle incorporatie van HU in de NLC-systemen. NX-CS vertoonde de hoogste EE, gevolgd door NX-CT en NX-ST, met een significant verschil tussen de formuleringen (p < 0,05). Cremophor EL kan hebben bijgedragen aan een efficiënte grensvlakstabilisatie en geneesmiddelretentie, terwijl de matige SDS-concentratie in NX-CS mogelijk voor aanvullende stabilisatie heeft gezorgd zonder de potentieel verstorende effecten die geassocieerd worden met de hogere SDS-concentratie in NX-ST41,42,43. Aangezien HU echter hydrofiel is, is het onwaarschijnlijk dat het volledig is opgelost binnen de lipidematrix. HU kan in plaats daarvan aanwezig zijn als een fijn gedispergeerd geneesmiddel, geassocieerd met het lipide-watergrensvlak, of ondergebracht in de imperfecte lipidematrix en de surfactantrijke grensvlakregio.
De afgifteprofielen vertoonden formulatieafhankelijk gedrag, waarbij de cumulatieve HU-afgifte na 24 h de volgorde volgde NX-CS > NX-ST > NX-CT . NX-CS vertoonde een relatief snelle afgifte met een initiële burst gevolgd door een plateau, wat consistent is met kinetiek die lijkt op eerste-orde, terwijl NX-CT de traagste en meest gecontroleerde afgifte liet zien, die benaderde kinetiek die lijkt op nulde-orde; NX-ST vertoonde een intermediair bifasisch afgifteprofiel. De afgifte wordt waarschijnlijk bepaald door diffusie van HU vanuit het partikeloppervlak en de surfactantrijke grensvlakregio, gevolgd door tragere diffusie van het ingesloten geneesmiddel door de lipidematrix. De snellere afgifte uit NX-CS kan gerelateerd zijn aan de kleinere partikelgrootte, het grotere oppervlak en de gecombineerde effecten van Cremophor EL en SDS, waarbij SDS de hydrofilie van het grensvlak verhoogt en Cremophor EL de solubilisatie van het geneesmiddel faciliteert. In tegenstelling hiermee kan de combinatie van Cremophor EL en T80 in NX-CT een stabielere interfacebarrière vormen, waardoor de initiële diffusie van het geneesmiddel wordt beperkt en een meer vertraagde afgifte ontstaat, terwijl NX-ST een intermediair bifasisch patroon vertoonde dat toe te schrijven is aan de tegengestelde invloeden van SDS-gefaciliteerde afgifte en T80-gemedieerde stabilisatie. Deze interpretaties zijn consistent met de voorgestelde rol van surfactants bij het moduleren van interacties tussen de lipidematrix en het afgiftemedium41,44,45,46,47,48. Water werd gebruikt als afgiftemedium om het basisdiffusiegedrag vast te stellen, maar dit repliceert niet de ionische samenstelling en fysiologische omstandigheden van biologische vloeistoffen. Elektrolyten in fysiologische buffers kunnen de elektrische dubbellaag, de organisatie van surfactants, partikelaggregatie en membraanpermeabiliteit veranderen, waardoor de afgiftekinetiek potentieel wordt beïnvloed.
De resultaten van de cytotoxiciteit toonden een duidelijk verschil aan tussen vrij HU en de NLC-formuleringen, waarbij vrij HU de hoogste IC₅₀ vertoonde en NX-ST de grootste cytotoxische activiteit vertoonde. De lagere IC₅₀-waarden die werden waargenomen voor de NLC-formuleringen geven aan dat de incorporatie van HU in de lipide drager de in vitro activiteit tegen MCF-7-cellen heeft veranderd. De bijzonder sterke respons van NX-ST kan de gecombineerde bijdrage weerspiegelen van het SDS/T80-surfactantsysteem, de relatief hoge negatieve ZP en het intermediaire bifasische afgifteprofiel, die samen de beschikbaarheid van het geneesmiddel bij de celinterface en de temporele blootstelling van cellen aan vrijgekomen HU kunnen beïnvloeden49,50. Opvallend is dat de kleinere partikelgrootte en hogere EE van NX-CS niet resulteerden in een grotere cytotoxiciteit, wat benadrukt dat partikelgrootte en drug entrapment alleen de biologische activiteit niet bepalen; cellulaire interacties, het afgiftegedrag van het geneesmiddel, surfactant-effecten en de beschikbaarheid van het geneesmiddel kunnen collectief de respons beïnvloeden51,52,53. De lagere cytotoxiciteit van NX-CT en NX-CS in vergelijking met NX-ST mag daarom niet simpelweg worden geïnterpreteerd als een inferieure formulatieprestatie, vooral omdat NX-CT de meest gecontroleerde afgifte vertoonde.
De bewaarstudie toonde een goede fysieke stabiliteit aan, aangezien er in geen enkele formulering gedurende de bewaring zichtbare agglomeratie, sedimentatie, fasescheiding, verkleuring, verandering in viscositeit of textuur, of een abnormale/ranzige geur werd waargenomen. De fysisch-chemische stabiliteitsgegevens gaven echter een meer gedifferentieerd beeld. Bij 25 °C wees een toename in deeltjesgrootte en/of PDI op progressieve veranderingen in de colloïdale systemen, waarbij de mate en statistische significantie varieerden tussen de formuleringen. NX-ST profiteerde van de sterke elektrostatische bijdrage van SDS, terwijl NX-CT, dat voornamelijk vertrouwde op sterische stabilisatie door Cremophor EL en T80, een grotere gevoeligheid vertoonde voor veranderingen in de deeltjeskenmerken. NX-CS vertoonde, ondanks de combinatie van elektrostatische en sterische stabilisatie, ook veranderingen tijdens de bewaring, wat aangeeft dat de aanwezigheid van twee stabilisatiemechanismen de tijdsafhankelijke herstructurering van het NLC-systeem niet volledig voorkomt. Bewaring bij 4 °C zorgde over het algemeen voor een betere fysisch-chemische conservering, in overeenstemming met een verminderde moleculaire mobiliteit en tragere structurele veranderingen van de lipiden; NX-CS vertoonde een relatief verbeterde stabiliteit van de deeltjesgrootte, terwijl NX-ST relatief consistente kenmerken behield. Desondanks bleef NX-CT progressieve veranderingen in de PDI vertonen, wat erop wijst dat sterische stabilisatie alleen mogelijk onvoldoende is voor langdurige bewaring. Veranderingen in de ZP tijdens de bewaring suggereren verder een tijdsafhankelijke reorganisatie van de lipide-surfactant-interface, mogelijk gerelateerd aan surfactantdesorptie, lipiderekristallisatie en HU-geassocieerde structurele veranderingen, die niet direct werden vastgesteld47,48,54.
Vooruitgang van het vakgebied
NLC-formuleringen van andere antikankermiddelen, waaronder gefitinib, capecitabine en imatinib, hebben eerder een verbeterde afgifte aangetoond ten opzichte van het vrije geneesmiddel14,15,16, maar vergelijkende gegevens over hoe verschillende surfactantcombinaties specifiek het fysisch-chemische en cytotoxische profiel van hydroxyurea-geladen NLC's beïnvloeden, waren beperkt43,44,55. Door systematisch drie surfactantsystemen binnen één enkel NLC-platform te vergelijken, biedt deze studie een directe, intern gecontroleerde vergelijking die verduidelijkt hoe het ionische karakter en de concentratie van de surfactant gezamenlijk de partikelgrootte, colloïdale stabiliteit, retentie van het geneesmiddel en de in vitro antikankeractiviteit beïnvloeden voor een klein, sterk hydrofiel geneesmiddel - een combinatie die minder goed vertegenwoordigd is in de NLC-literatuur dan lipofiele payloads51,54,56,57. Deze resultaten breiden eerdere rapporten over HU-inkapseling in nanodragers op basis van lipiden en albumine uit53,58 door een surfactantcombinatie (T80–SDS) te identificeren die geassocieerd is met de grootste in vitro cytotoxische verbetering.
Beperkingen van de studie
Deze studie kent enkele beperkingen die in overweging moeten worden genomen bij de interpretatie van de resultaten. Ten eerste was de biologische evaluatie beperkt tot een enkele in vitro MTT-assay in MCF-7 borstkankercellen; hoewel HU klinisch wordt gebruikt bij chronische myeloïde leukemie en sikkelcelziekte, ondersteunen de huidige gegevens geen conclusies die specifiek zijn voor deze aandoeningen, en bevestiging in een relevant leukemiemodel (bijv. K562-cellen) en in vivo is gerechtvaardigd. Ten tweede waren de mechanistische verklaringen voor de geobserveerde fysisch-chemische en cytotoxische verschillen (bijv. desorptie van surfactant, herkristallisatie van lipiden, veranderde cellulaire opname) niet direct aangetoond en moeten zij als hypothesen worden beschouwd; technieken zoals DSC, XRD en Cryo-TEM23,41, samen met studies naar cellulaire opname en release-kinetiek, zouden nodig zijn om deze te onderbouwen. Ten derde werd de in vitro release beoordeeld in water in plaats van in een fysiologische buffer, wat wordt beschouwd als een essentiële stap voor het voorspellen van de in vivo prestaties59. Ten vierde werd de chemische stabiliteit van HU tijdens de bereiding niet direct gekwantificeerd, en er is geen specifieke beoordeling uitgevoerd van het lekken van het geneesmiddel naar de waterige fase tijdens de opslag; gezien de hoge wateroplosbaarheid van HU is dergelijk lekken mogelijk en moet dit worden beoordeeld. Ten slotte is de formulering bedoeld voor parenterale toediening, en de hier gegeven mechanistische interpretaties moeten worden beschouwd als verkennend in afwachting van verdere karakterisering, in overeenstemming met de bredere NLC-literatuur die de noodzaak van rigoureuze fysisch-chemische validatie benadrukt32.
Alternatieve benaderingen
Verschillende alternatieve karakteriserings- en validatiestrategieën zouden toekomstig werk op dit gebied kunnen versterken. Solid-statetechnieken (bijv. DSC, XRD) en cryo-TEM zouden helpen om de fysieke toestand van HU binnen de lipidematrix te verduidelijken en direct de mechanismen van surfactant-desorptie en lipide-rekristallisatie te testen die zijn voorgesteld om de waargenomen stabiliteitstrends te verklaren36,60,61. Vrijgaveonderzoek in fysiologische buffers of gesimuleerde biologische vloeistoffen, in plaats van enkel in water, zou het in vivo vrijgavegedrag beter kunnen voorspellen, en directe kwantificering van de cellulaire opname (bijv. via fluorescente labeling en flowcytometrie) zou de opnamegebaseerde verklaring voor de verhoogde cytotoxiciteit van NX-ST kunnen testen, in plaats van deze enkel af te leiden uit de zetapotentiaal62,63,64. Bevestigende tests in een tweede, klinisch relevante cellijn (bijv. K562 voor chronische myeloïde leukemie) en evaluatie onder formele versnelde stabiliteitsomstandigheden zouden verder helpen om de huidige in vitro bevindingen te vertalen naar een klinisch toepasbare formulering.
Belang en potentiële toepassingen
Deze bevindingen zijn relevant voor de bredere inspanning om de toediening van hydroxyurea te verbeteren, waarvan het klinische gebruik momenteel wordt beperkt door een snelle klaring, variabele biologische beschikbaarheid en dosisgerelateerde toxiciteit. Door aan te tonen dat de samenstelling van de surfactant kan worden aangepast om ofwel kleinere, stabielere deeltjes met een hogere inkapselingsefficiëntie (NX-CS, NX-CT) of een grotere in vitro cytotoxische potentie (NX-ST) te bevoordelen41,65, biedt dit werk een praktische basis voor het selecteren of verder optimaliseren van de NLC-samenstelling op basis van het prioritaire toedieningskenmerk voor een specifieke toepassing, zonder het HU-molecuul zelf te modificeren. Instelbare nanodragerplatforms van dit type kunnen mogelijk ook worden toegepast op andere kleine, hydrofiele geneesmiddelen die met soortgelijke beperkingen bij de toediening kampen.
Toekomstige richtingen
Toekomstig werk moet prioriteit geven aan de kwantitatieve validatie van de hier voorgestelde fysisch-chemische mechanismen met behulp van solid-state- en imagingtechnieken; testen van de afgifte van geneesmiddelen onder fysiologisch relevante omstandigheden; directe meting van de cellulaire opname en de relatie daarvan met cytotoxiciteit; testen in aanvullende, klinisch relevante cellijnen en, uiteindelijk, in vivo-modellen; formele versnelde en langetermijnstabiliteitsstudies ter ondersteuning van de bepaling van de houdbaarheid; en kwantificering van de chemische stabiliteit van HU en lekkage gerelateerd aan de opslag. Het adresseren van deze punten zou helpen vast te stellen of de hier geïdentificeerde fysisch-chemische voordelen resulteren in een zinvol therapeutisch voordeel.
Conclusies
Deze studie pakt belangrijke beperkingen van HU-therapie aan, waaronder een lage afleveringsefficiëntie door snelle klaring, variabele biobeschikbaarheid en dosisgerelateerde toxiciteit, door de ontwikkeling van nanogestructureerde lipide dragers (NANOXURIA). De bevindingen tonen aan dat de surfactantsamenstelling en de bewaarcondities een kritieke invloed hebben op de fysisch-chemische stabiliteit, de cytotoxische prestaties en de algehele afleveringsefficiëntie. Onder de formuleringen vertoonde NX-ST superieure prestaties, met een 3,2 keer hogere cytotoxische activiteit dan vrije HU, wat wijst op een verbeterde cellulaire opname en geneesmiddelafgifte. Deze verbeterde effectiviteit wordt toegeschreven aan de gebalanceerde partikeleigenschappen, gecontroleerde afgifte en effectieve elektrostatische stabilisatie.
In tegenstelling hiermee vertoonden formuleringen die primair steunden op niet-ionische surfactanten een relatief lagere stabiliteit en prestatie, wat het belang van gecombineerde stabilisatiemechanismen benadrukt. De bewaarcondities hadden een aanzienlijke invloed op het gedrag van de formulering: 25 °C bevorderde partikelgroei en heterogeniteit, terwijl 4 °C de stabiliteit, uniformiteit en oppervlaktelading beter behield.
Over het algemeen vult deze studie de geïdentificeerde lacune in het onderzoek door aan te tonen dat rationeel ontworpen NLC-systemen de afgifte van HU kunnen verbeteren zonder het geneesmiddel zelf te wijzigen. De resultaten benadrukken dat optimale lipid-surfactantcombinaties en geschikte bewaarcondities essentieel zijn voor het bereiken van stabiele, efficiënte en klinisch relevante systemen voor geneesmiddelafgifte.