制备和表征亲脂阿霉素前药胶束

Bioengineering

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Summary

一个亲脂性的阿霉素前体药物的制备和表征协议加载1,2- distearoyl- SN -glycero -3- phosphoethanolamine- N - [氨基(聚乙二醇)-2000](DSPE-PEG)胶束描述。

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Li, F., Snow-Davis, C., Du, C., Bondarev, M. L., Saulsbury, M. D., Heyliger, S. O. Preparation and Characterization of Lipophilic Doxorubicin Pro-drug Micelles. J. Vis. Exp. (114), e54338, doi:10.3791/54338 (2016).

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Abstract

Introduction

化疗通常用于治疗各种形式的癌症。大多数,如果不是全部,化疗药物具有毒性副作用可以从管理次要条件,如恶心和腹泻而变化,更危及生命的状况。因为大多数抗癌药物的毒性,这些药物非选择性暴露于正常组织不可避免地会导致毒性。因此,为治疗性的方法,可以选择性地递送药物进入肿瘤细胞非常需要。与抗肿瘤药物的管理的另一个挑战是他们的水溶性差。一般,需要增溶剂来配制这些难溶性药物。然而,大多数的增溶剂,如二甲基亚砜(DMSO),聚氧乙烯蓖麻油,和聚山梨醇酯80(吐温80)可能引起肝,肾毒性,溶血,急性过敏反应和周围神经病变。1因此,需要对安全性和生物相容性制剂临床使用的差LY水溶性抗癌药物。纳米载体是有希望的药物递送系统用于解决上述挑战。这些纳米载体包括脂质体, 纳米粒子,3胶束,4-7聚合物药物结合物,8和无机材料。9一些纳米产品( DOXIL,Abraxane的,和Genexol)已通过监管机构来治疗癌症病人。 10

聚合物胶束是有希望的纳米级药物递送载体,其中已被成功地用于抗癌药物的输送。通过自组装过程从两亲聚合物制备4-7,11,12典型聚合物胶束。芯 - 壳结构的聚合物胶束包括亲水​​壳和疏水核心。亲水壳可以在空间上稳定胶束并延长其在血液中循环。疏水核可以有效地封装疏水ð地毯。因为胶束(通常小于200nm)和长循环特性的小尺寸的,聚合物胶束被认为达到肿瘤通过增强的渗透性和保留(EPR)效果(被动靶向肿瘤)定位。

载药量稳定对肿瘤靶向胶束的能力至关重要。以达到最佳的肿瘤定位,微胶粒应具有最小的药物泄漏在到达肿瘤部位之前,尚未进入癌细胞后迅速释放药物。此外,制剂稳定性也是产品开发的一项基本要求,因为制剂稳定性决定产品开发的可行性,以及开发的产品的保质期。最近,许多努力已经取得了改善的药物装载到递送载体。所述亲脂性前药的方法是已被探索,以改善药物加载到脂质纳米颗粒和乳剂的策略。13,14的连词用药物脂质ugation可以显著改善他们的亲脂性,提高装载和固定在纳米载体的亲脂成分。

在这里,我们描述了准备亲脂阿霉素前药胶束的协议。首先,对于阿霉素亲脂性前药的合成方法进行说明。然后,被引入用于产生与一个薄膜分散法胶束的协议。这种方法已在我们以前的研究已成功地用于5 DSPE-PEG,被选定为,因为它已被成功地用于胶束药物递送制备胶束载体材料15,16最后,我们描述了用于表征胶束几个体外测定制剂,并评价抗癌活性。

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Protocol

1. DOX-PA的合成

  1. 称量390毫克的阿霉素和243毫克棕榈酸酰肼,并转移到一个圆底烧瓶中。
  2. 添加150毫升无水甲醇中,用玻璃注射器烧瓶中。添加39微升三氟乙酸(TFA)的用移液管。用磁力搅拌器,搅拌在RT在黑暗中18小时,将反应混合物。
    注意:反应材料的量可被放大或缩小,以获得不同量的DOX的功率放大器。反应物的比例应在相同的比例被维持。使用DOX量在78毫克至1,170毫克的范围内的反应可在常规的化学实验室中进行。
  3. 用硅胶柱DOX-PA的纯化。17
    1. 用旋转蒸发器除去在反应混合物中的溶剂。加入3克硅胶的混合物的体积减少到大约20之后ml。继续旋转蒸发,得到干的粉末,并允许将T他吸附产品走上硅胶。保持在真空下将样品另外的30分钟,形成了干燥粉末后。
    2. 包50克硅胶成使用二氯甲烷作为溶剂的柱。小心加入含吸附水的产品到柱硅胶样本。
    3. 洗脱用二氯甲烷和甲醇的混合物的塔,同时逐渐增加甲醇的比例,从而增加溶剂极性( 表1)。
    4. 收集在试管洗脱液级分(25毫升/管)并监测通过薄层色谱(TLC)的进展。
    5. 结合含有纯DOX-PA的所有级分,并用旋转蒸发器,直至形成干粉除去溶剂。进一步干燥真空O / N下的产物。
  4. 分析DOX-PA通过TLC的。
    1. 切TLC板的4cm的×8cm的部分。从在用TLC点样毛细管板的底部斑点样品溶液0.5厘米使用满足hanol作为溶剂。
    2. 放置TLC板到含有二氯甲烷和甲醇的混合物中的显影腔室(3/1,体积/体积)。的溶剂中的深度应只是比0.5厘米以下。
    3. 从显影腔移除所述板当溶剂前沿到达板的顶部。标记溶剂前沿用铅笔的位置,并允许所述板干燥。放置TLC板到含有以显现样品饱和碘蒸气染色室中。
  5. 1 H-核磁共振光谱(1H-NMR)DOX-PA分析。18
    1. 溶解15mg的DOX的PA在1ml甲基亚砜-D6(DMSO)中的和样品转移到一个NMR管中。
    2. 将NMR管进入核磁共振仪器的磁铁。测量质子光谱,选择DMSO作为溶剂。从磁体取出NMR管。分析核磁共振结果18。

2。 DOX-PA胶束由薄膜分散法制备

  1. 溶解DSPE-PEG(40毫克)和DOX-PA(4毫克)在10毫升玻璃小瓶2ml甲醇。
  2. 使用旋转蒸发,直到在小瓶的薄膜形成真空下除去有机溶剂。
    注意:可替换地,蒸发的有机溶剂在惰性气体下( 例如 ,氩气或氮气),以形成薄膜,并保持小瓶在真空干燥器以进一步除去残留的溶剂。
  3. 转印2毫升Dulbecco氏磷酸盐缓冲盐水(pH值7.4,DPBS)的玻璃小瓶中。
  4. 放置在小瓶在超声浴中3分钟在室温下,以产生胶束。
    注:超声波浴的不同型号之间的超声波功率变化。选择能产生足够的超声功率驱散薄的聚合物/药物薄膜的单位。在这个协议中使用超声波浴的输出功率为110 W.
  5. 保持胶束在4℃下短期储存和-20℃下长期-term存储。
    注意:可替换地,微胶粒还可以是冷冻干燥并在使用前用水重构。通常情况下,需要对这一提法没有冷冻保护剂或冻干保护剂。

3. DOX-PA胶束的表征

  1. DOX-PA浓度的胶束和药物包封率的测定
    1. 1微克/毫升,5微克/毫升,20微克/毫升,50微克/毫升和100微克/毫升:溶解DOX-PA在DMSO中前面的步骤,制备了五种不同浓度的DOX-PA的溶液合成。测量DOX的PA解决方案的吸收与在490nm处的UV-VIS光谱仪。基于所述DOX-PA的药物浓度和在490nm处的相应吸收率的标准曲线。
    2. 稀释25微升载药胶束的500微升DMSO的。测量在490nm处用UV-VIS分光计的吸收。计算药物浓度与3.1.1中产生的标准曲线。
    3. 使用以下等式计算包封效率:
      药物包封率(%)=(在胶束药物量)/(加入的药物量)×100%
  2. 粒径用动态光散射表征(DLS)
    1. 稀释用DPBS(pH 7.4)中的胶束为1毫克/毫升的最终的DSPE-PEG浓度。分析2ml样品用粒度分析仪得到的Z均尺寸和多分散指数(PDI)。
  3. 体外抗癌活性的评价
    注意:使用适当的无菌技术和生物安全柜的内部运作。
    1. 从细胞培养烧瓶中取出细胞培养基( 例如,T25)含有DU-145人前列腺癌细胞并用2ml的DPBS(pH7.4)中冲洗细胞。
    2. 抽吸DPBS,加入1毫升胰蛋白酶溶液(0.25%),并在37℃孵育2分钟以分离细胞。
    3. 添加10米细胞培养基的L(RPMI 1640 + 10%胎牛血清+ 1%抗菌 - 抗霉菌),当大多数细胞从烧瓶脱落。转移细胞到15毫升离心管中并离心将细胞以1000 xg离心5分钟。
    4. 重悬用5ml细胞培养基的细胞沉淀并除去的样​​品用于与血球计数细胞数。稀释用细胞培养基将细胞以50,000细胞/ ml的密度。添加稀释的细胞悬液到96孔细胞培养板(100μl/孔)。孵育在细胞培养孵化器中的细胞(37℃,5%CO 2)18 ​​小时,以允许细胞附着。
    5. 稀DOX二甲基亚砜(DMSO)溶液和DOX-PA DMSO溶液用细胞培养基分别以获得0.1微米的最终药物浓度,0.5μM,2微米,5微米和10微米。保持最终DMSO浓度以上所有的样品中至0.5%。稀DOX-PA胶束用细胞培养基以得到最终的药物共0.1μMncentrations,分别为0.5微米,2微米,5微米和10微米。使用空白细胞培养液控制。
    6. 从培养箱中取出96孔细胞培养板,并用100微升培养基含有在步骤3.3.5制备(n = 4时为每个组)不同处理剂更换细胞培养基。孵育在细胞培养孵化器中的细胞(37℃,5%CO 2)的额外72小时。
    7. 吸出培养基并加入100μl的培养基中含有0.5mg / ml的3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑鎓溴化物(MTT)。
    8. 孵育额外的2小时的细胞培养孵化细胞。小心取出介质,并添加100微升DMSO来溶解甲晶体。
    9. 在570纳米的波长和670nm的参考波长测定用微孔板分光光度计吸光度。
    10. 使用下列公式计算细胞存活率:
      (%)=(A 测试 / 控制 )×100%
      注意:使用方差分析(ANOVA)统计检验的单向分析比较不同组之间的细胞生存力。基于细胞生存力相对于药物浓度的数据计算IC 50。

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Representative Results

图1示出DOX的PA的合成方案。 DOX-PA用棕榈酸的偶联通过pH敏感腙键阿霉素合成。稍微过量的棕榈酸酰肼的使用,以促进该反应的完成。此反应方法具有非常高的效率,仅阿霉素的少量残留的18小时的反应( 图2)之后。产率是大约88%。在反应结束时,DOX-PA用硅胶柱纯化,干燥,得到纯的红色固体产物。 DOX-PA用薄层色谱法,这表明对纯化的DOX的PA( 图2)的单个点进行分析。 图3示出了DOX-PA的1 H-NMR谱。观察来自阿霉素和棕榈酸的特征NMR峰,这进一步证实了偶联反应的成功。

图4。空白DSPE-PEG胶束未经药物显示为透明的液体。 DOX-PA DSPE-PEG胶束显示为红色液体;红色是由于胶束加载的DOX的PA中。粒度分析的代表性结果示于图5。的Z均平均粒度为空白的DSPE-PEG胶束为17.0±0.5纳米(PDI = 0.034±0.019)。 DOX-PA的负荷略有增加胶束粒度; Z均平均粒度为DOX-PA的DSPE-PEG胶束为25.7±1.6纳米(PDI = 0.407±0.035)。

基于在490nm处的吸收测定在胶束制剂中的DOX的PA浓度。 DSPE-PEG具有在该波长可忽略的吸收,从而在DOX-PA浓度的分析不干扰。在胶束制剂中的DOX的PA浓度为1.99±0.11毫克/毫升和药物装载效率为99.3±5.7%。高包封效率是由于DOX-PA,增强其在胶束的疏水核心保留的亲脂性特征。该制剂表现出优良的稳定性。 4℃3周 - 当储存在没有可见的沉淀。在储存期间没有观察到药物浓度没有显著变化。

DU-145人前列腺癌的细胞用不同浓度的游离的阿霉素,游离DOX-PA和DOX-PA DSPE-PEG胶束处理。细胞存活率在使用MTT测定( 图6)72小时处理结束确定。在细胞活力浓度依赖性减少通过用游离阿霉素(IC 50 = 0.10微米),游离DOX-PA(IC 50 = 0.33微米),或DOX-PA胶束(IC 50 = 0.25μM)处理DU145细胞来实现的。虽然免费阿霉素是比游离DOX的PA或在较低浓度DOX-PA胶束(0.1μM和0.5μM)更有效,DOX-PA基团表现出细胞存活率比在较高浓度(2-10微米)自由阿霉素更大的减少。还有,似乎是在更高和更低浓度的DOX的PA和DOX-PA胶束之间没有显著差异。空白DSPE-PEG胶束显示没有毒性(数据未显示),这表明良好的生物相容性和DSPE-PEG的安全作为药物递送载体的材料。

图1
阿霉素的亲脂性前药(DOX-PA)图1.合成试剂条件:(PA)三氟乙酸(TFA)溶于甲醇阿霉素(DOX),棕榈酸酰肼,并在搅拌18小时在RT黑暗。 T =“_空白”>点击此处查看该图的放大版本。

图2
图2薄层色谱(TLC)。(1)多柔比星的薄层,(2)原料的反应混合物,(3)棕榈酸酰肼,以及(4)DOX-PA的缀合物。样品用二氯甲烷和甲醇的混合物开发(3/1,V / V),并用碘染色。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3
图3. 1 DOX-PA的在氘代DMSO中H-NMR特征峰的来自DOX和PA的存在证明了偶联反应的成功。://www.jove.com/files/ftp_upload/54338/54338fig3large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。

图4
图4. 外观胶束。(A)DSPE-PEG胶束和(B)DOX-PA DSPE-PEG胶束。代表性的人物都表现出空白DSPE-PEG胶束和DOX-PA DSPE-PEG胶束的外观。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5
图5. 粒度和胶束粒度分布:(A)DSPE-PEG胶束和(B)DOX -PA DSPE-PEG胶束。胶束尺寸通过动态光散射来确定。代表性的人物呈现展示颗粒尺寸和尺寸分布。提出的数据是平均值±SD(N = 3)。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6
图6. 胶束制剂的抗癌活性。DU145细胞72小时和细胞活力处理使用MTT测定法测定的。在图中给出的数据是平均值±标准差(n = 4)。 *,P <0.01,相比于DOX治疗组。有治疗组DOX-PA和DOX-PA胶束差异无统计学意义。集成电路50是基于细胞生存力相对于药物浓度的数据计算出来的。p_upload / 54338 / 54338fig6large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。

表格1

表1 CH 2 Cl 2 / CH 3 OH洗脱,DOX的PA的纯化中使用的溶剂。

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Discussion

在这项工作中,我们描述了微胶粒的制备的简单,快速的膜分散法。这种方法利用一个两亲性聚合物的自组装特性( DSPE-PEG)以形成在含水环境中的核-壳结构的胶束。此胶束制备方法具有几个优点。 1.它涉及一个简单配制方法,它避免了使用脂质体,纳米颗粒和纳米乳剂。19 2的制备常用复杂小型化步骤(如挤出或均化)。它具有良好的重复性。一旦该制剂进行了优化,并建立,可以实现优异的批与批之间的一致性。该协议是耐受在制备过程变量的变化,如超声处理的强度和时间。尽管其它方法(如透析法或乳液聚合的溶剂蒸发的方法)可用于制备胶束,膜分散方法是更加方便快捷。因此,它具有适于在制药工业中的大型制造胶束使用的巨大潜力。该方法的限制在于它依赖于载体材料的自组装特性,因此被限制为具有这样的特性的材料。高分子材料的不当选择可以导致失败在产生令人满意的胶束制剂。此外,该制备方法依赖于超声分散聚合物/药物膜,并促进胶束的形成。大多数市售因为只需要一个弱超声波功率形成胶束可用超声浴是合适的。但是,如果使用具有非常弱的功率的超声波浴中它可能是一个问题。

普药量和过早的药物释放是胶束给药重大关切。在这个协议中,我们开发了一种亲脂性药物前体策略,提高负荷ING阿霉素进入DSPE-PEG胶束。与多柔比星脂质的缀合显著改善与DSPE-PEG胶束的脂质核心药物兼容性和互动。的前药,DOX-PA,被通过的酸性pH响应腙连接体缀合脂质阿霉素合成。此接头是在酸性pH值在中性pH下是稳定和可切割的。20,21因此,DOX被稳定地在DSPE-PEG胶束加载在中性pH前药,具有在储存期间和在血液循环中最小的药物泄漏。一旦DOX-PA的胶束通过内吞作用进入肿瘤细胞,DOX-PA前药将被切割,并且响应于酸性核内体环境(pH为5-6)转化成游离DOX。由于DOX比DOX-PA更具亲水性,这种转换会扰乱DOX和胶束的疏水核心之间的相互作用,从而有利于DOX从胶束的快速释放。这种创新的设计特点将避免不完全的药物释放,这与使用不可切割或缓慢裂解连接子-药物偶联物相关的主要问题。22这种方法也可应用到其他药物的输送。合适的连接体的选择是对这种方法的成功是至关重要的。的接头应该是稳定的在生理环境中,以最大限度地提高制剂的稳定性。所述接头也应响应被有效地裂解在肿瘤微环境( 如,pH值, 酶等 )以释放母体药物触发。

在这个协议中,DOX-PA被有效装入具有高包封率(〜100%)胶束。胶束制剂也表现出优异的稳定性和无药物沉淀或减少在药物浓度为至少三周保持完整。这是由于脂质部分之间的前药和DSPE-PEG胶束的脂质核心增强的相互作用。工程的兼容耗材用药物,以提高它们的相互作用的载体分子的lity是用于提高微胶粒和其他纳米载体的性能有前途的策略。这种方法可以提高药物负载和最小化这些纳米载体预成熟释放药物23的适当的药物/聚合物对的选择是在设计胶束制剂的关键步骤。药物分子的结构可以修改(前药的方法)或载体材料的设计可以提高相容性,并提高药物/载体相互作用得到优化。23 24此外,计算建模可以协助一个有用的工具在纳米载体的和最优化使得能够制备特定的特定药剂的量身设计纳米载体。

总之,我们在这里描述,以合成多柔比星的一个亲脂性前药的方法。药物胶束的制备和表征协议也是DESCRIBED。薄膜分散方法是一种制备多种纳米尺寸自组装递送系统的一个简单的和有希望的方法。这里所描述的表征方法可在体外试验被用来作为标准来确定纳米医学的属性,从 ​​而可以促进制定和产品开发流程的优化。

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
DSPE-PEG2K Cordenpharm LP-R4-039 >95%
Doxorubicin LC Laboratories D-4000 >99%
Palmitic Acid Hydrazide TCI AMERICA   P000425G >98.0%
Methanol ACROS Organics 610981000 Anhydrous
Methylene chloride  FISHER  D151-4 99.90%
Methyl sulfoxide-d6 ACROS Organics AC320760075 NMR solvent
Trifluoroacetic Acid  ACROS Organics AC293811000 99.50%
Silica Gel FISHER  L-7446 230-400 mesh
Baker Flex TLC Plates FISHER  NC9990129
DPBS Sigma-Aldrich D8537
DU 145  Prostate Cancer Cells ATCC HTB-81
MTT ACROS Organics 158990050 98%
RPMI 1640 Medium MEDIATECH INC  10041CV
Antibiotic-Antimycotic  LIFE TECHNOLOGIES  15240062 100x stock solution
Fetal Bovine Serum LIFE TECHNOLOGIES  10437077
Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy Varian, Inc 300 NMR 
Büchi R-3 Rotavapor Buchi 1103022V1  Rotary evaporator
Ultrasonic Bath BRANSON ULTRASONICS CORPORATION  CPX952318R
UV-VIS spectrometer Biomate 3 Thermo Spectronic
Zetasizer Nano ZS90  Malvern Instruments Particle Size Analyer
Microplate Spectrophotometer  Rio-Rad Benchmark Plus 
Cell Culture Incubator Napco CO2 6000
Biological Safety Cabinet Nuaire
SigmaPlot  Systat Software, Inc. Analytical Software
96-Well Cell Culture Plate Becton Dickinson 353072
Trypsin  0.25% Corning Cellgro 25-053-CI

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References

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