DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-04983-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40593991
تاريخ النشر: 2025-07-01
المؤلف: Long Ma وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة توصيل الأدوية المتقدمة
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة نظامًا جديدًا للتغليف الدقيق باستخدام ألجينات الصوديوم (SA) والكيتوزان (CS) لتعزيز توصيل بروتين الألبومين البقري (BSA) عن طريق الفم، وهو بروتين نموذجي. تحدد الأبحاث ظروف التحضير المثلى من خلال منهجيات العوامل الفردية وسطح الاستجابة، مما يؤدي إلى كريات نانوية مستقرة من SA-BSA-CS تتميز بكفاءة تغليف عالية وتوزيع حجم جزيئي ملائم. يعتمد ملف إطلاق البروتين على درجة الحموضة، مع زيادة الإطلاق الملحوظ في الظروف القلوية، مما يحاكي البيئة القولونية. تشير التقييمات في المختبر إلى أن الكريات النانوية تظهر سمية منخفضة، ونشاط هيموليتيك ضئيل، وإمكانية كبيرة لتوصيل الأدوية المستهدفة إلى القولون، مما يعالج التحديات الشائعة في الإدارة الفموية للبيولوجيات القائمة على البروتين.
تشير النتائج إلى أن نظام التغليف الدقيق SA-BSA-CS يمكن أن يعمل كمنصة فعالة لتوصيل الأدوية عن طريق الفم ليس فقط للعلاجات القائمة على البروتين ولكن أيضًا لوكلاء معقدين آخرين مثل أدوية الأحماض النووية والمركبات المضادة للسرطان غير القطبية. بينما تشير البيانات الأولية في المختبر إلى نتائج واعدة، فإن التحقق المسبق الإكلينيكي الإضافي ضروري لتقييم أداء النظام في الجسم الحي، بما في ذلك الديناميات الدوائية والسلامة على المدى الطويل. يجب أن تأخذ الأبحاث المستقبلية في الاعتبار أيضًا تحسين آليات إطلاق الأدوية لتناسب التباين بين الأفراد في الظروف المعوية، وبالتالي زيادة الفعالية العلاجية. بشكل عام، تضع هذه الدراسة أساسًا لتقدم التطبيق السريري لنظام SA-BSA-CS وتوسيع استخدامه في سياقات علاجية متنوعة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم التحقيق في كفاءة التغليف (EE) لكريات SA-BSA-CS النانوية من خلال سلسلة من 29 تجربة مصممة باستخدام برنامج DesignExpert 13. تم تطوير نموذج انحدار سطح الاستجابة التربيعي، مما أسفر عن المعادلة \( Y = 98.46 – 0.3833 A – 1.04B – 1.61 C – 0.5108D + 0.79 AB + 1.31 AC + 1.91 AD – 0.585BC – 0.29BD + 0.1275 CD – 2.79 A^2 – 1.42B^2 – 2.57 C^2 – 1.9D^2 \)، حيث تمثل \( A \)، \( B \)، \( C \)، و \( D \) كسور الكتلة من SA، CaCl\(_2\)، CS، ووقت التحريك، على التوالي. أظهر النموذج درجة عالية من الصلاحية (F = 31.29، \( P < 0.0001 \)) وأشار إلى تفاعلات كبيرة بين العوامل، لا سيما بين SA وCaCl\(_2\) (P = 0.0210) وSA وCS (P = 0.0007). تم تحديد الظروف المثلى لتعظيم EE كسلسلة من كسور الكتلة لـ SA تتراوح بين 1.2-1.4%، وكسور الكتلة لـ CaCl\(_2\) تتراوح بين 3.5-4%، وكسور الكتلة لـ CS تتراوح بين 0.9-1%، ووقت التحريك من 45-50 دقيقة. كشفت دراسات الإطلاق في المختبر أن كريات SA-BSA-CS النانوية أظهرت معدل إطلاق أقل بشكل ملحوظ في الظروف الحمضية (12.73% على مدى 48 ساعة) مقارنةً بمحلول BSA الحر، الذي أظهر خصائص إطلاق مفاجئ. تم تحليل حركيات الإطلاق باستخدام نماذج Ritger-Peppas وWeibull وHiguchi، حيث أظهرت كريات SA-BSA-CS النانوية توافقًا ممتازًا مع نموذج Ritger-Peppas عند درجة حموضة 2.0 و7.4 (قيم r تساوي 0.988 و0.978، على التوالي)، بينما كان الإطلاق عند درجة حموضة 9.0 يتوافق مع نموذج Weibull (r = 0.989). تم إجراء تقييمات السلامة لتقييم الهيموليز ونشاط الخلايا، مع تراكيز BSA تتراوح بين 0-20 ميكروغرام/مل. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن الكريات النانوية المطورة لديها إمكانات للإفراج المستدام عن الأدوية والتطبيقات العلاجية.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن الكسر المثالي لكتلة ألجينات الصوديوم (SA) لتكوين الكريات النانوية هو 1.5%، مما حقق أقصى كفاءة تغليف (EE) تبلغ 96.99% مع حجم جزيئي ضئيل ومؤشر تباين جزيئي (PDI) منخفض. أدى زيادة كسر كتلة SA إلى ما يتجاوز 2% إلى زيادة كبيرة في حجم الجزيئات وPDI، مما يشير إلى تقليل استقرار الكريات النانوية. حدد تحليل التحسين، المدعوم بنموذج انحدار ثنائي متعدد، تركيبة مثالية تتكون من 1.35% SA، و3.66% كلوريد الكالسيوم (CaCl₂)، و0.93% كيتوزان (CS)، مع وقت تحريك قدره 47.34 دقيقة، مما أسفر عن EE متوقع قدره 99.05%. كانت قيمة EE المقاسة فعليًا 98.77 ± 0.35%، مع متوسط حجم جزيئي قدره 21.17 ± 0.41 نانومتر وPDI قدره 0.328 ± 0.05، مما يؤكد تجانس واستقرار الكريات النانوية.
أكدت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR) نجاح تغليف بروتين الألبومين البقري (BSA) على كريات SA-CS النانوية، كما يتضح من وجود قمم امتصاص مميزة مرتبطة بـ BSA. أظهرت تقييمات السمية الخلوية باستخدام اختبار CCK-8 أن كريات SA-BSA-CS النانوية لم تثبط بشكل كبير تكاثر خلايا Caco-2، مما يشير إلى مستوى سمية خلوية قدره 1، مما يقترح ملف سلامة ملائم للاستخدامات السريرية المحتملة كنظام لتوصيل الأدوية. توفر هذه النتائج أساسًا قويًا لمزيد من البحث في إطلاق الأدوية والعلاج المستهدف باستخدام كريات SA-BSA-CS النانوية.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث إعداد وتقييم كريات ألجينات الصوديوم-بروتين الألبومين البقري-كيتوزان (SA-BSA-CS) لتوصيل الأدوية المستهدفة عن طريق الفم إلى القولون. تؤكد الدراسة على مزايا الإدارة الفموية مقارنة بالحقن، لا سيما من حيث الامتثال والسلامة لدى المرضى. تسلط الضوء على التحديات المرتبطة بتحقيق إطلاق دوائي محلي في القولون، والتي يتم معالجتها من خلال تحسين التفاعلات الكهروستاتيكية بين ألجينات الصوديوم والكيتوزان لإنشاء نظام توصيل حساس لدرجة الحموضة. تم تصميم هذا النظام لإطلاق الأدوية المغلفة في البيئة القلوية للقولون، مما يعزز الفعالية العلاجية.
تشير النتائج إلى أن الظروف المثلى لإعداد الكريات النانوية تشمل كسر كتلة ألجينات الصوديوم قدره 1.5%، وكسر كتلة كلوريد الكالسيوم قدره 4%، ووقت تحريك قدره 50 دقيقة، وكسر كتلة كيتوزان قدره 1%. أظهرت الكريات النانوية الناتجة كفاءة تغليف عالية (EE)، وتوزيع حجم جزيئي ملائم، ونشاط هيموليتيك منخفض، مما يؤكد توافقها الحيوي. تقترح الدراسة أيضًا أن نظام SA-BSA-CS يمكن توسيعه لتوصيل وكلاء علاجية أخرى، مثل أدوية الأحماض النووية والمركبات المضادة للسرطان غير القطبية، مما يوسع تطبيقه في البيئات السريرية. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية للتحقق من أداء النظام في الجسم الحي، ومعالجة الديناميات الدوائية وحركيات إطلاق الأدوية، واستكشاف آليات توصيل الأدوية الشخصية لتحسين النتائج العلاجية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-04983-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40593991
Publication Date: 2025-07-01
Author(s): Long Ma et al.
Primary Topic: Advanced Drug Delivery Systems
Overview
This study presents a novel microencapsulation system utilizing sodium alginate (SA) and chitosan (CS) to enhance the oral delivery of bovine serum albumin (BSA), a model protein. The research identifies optimal preparation conditions through single-factor and response surface methodologies, resulting in stable SA-BSA-CS nanospheres characterized by high encapsulation efficiency and favorable particle size distribution. The release profile of the protein is pH-dependent, with increased release observed in alkaline conditions, mimicking the colonic environment. In vitro assessments indicate that the nanospheres exhibit low toxicity, minimal hemolytic activity, and significant potential for targeted colonic drug delivery, addressing common challenges in oral administration of protein-based biologics.
The findings suggest that the SA-BSA-CS microencapsulation system could serve as an effective platform for the oral delivery of not only protein-based therapeutics but also other complex agents such as nucleic acid drugs and hydrophobic anticancer compounds. While preliminary in vitro data are promising, further preclinical validation is essential to evaluate the system’s in vivo performance, including pharmacokinetics and long-term safety. Future research should also consider optimizing drug release mechanisms to accommodate inter-individual variability in gastrointestinal conditions, thereby maximizing therapeutic efficacy. Overall, this study lays a foundation for advancing the clinical application of the SA-BSA-CS system and expanding its use in diverse therapeutic contexts.
Methods
In this study, the encapsulation efficiency (EE) of SA-BSA-CS nanospheres was investigated through a series of 29 experiments designed using DesignExpert 13 software. A quadratic response surface regression model was developed, yielding the equation \( Y = 98.46 – 0.3833 A – 1.04B – 1.61 C – 0.5108D + 0.79 AB + 1.31 AC + 1.91 AD – 0.585BC – 0.29BD + 0.1275 CD – 2.79 A^2 – 1.42B^2 – 2.57 C^2 – 1.9D^2 \), where \( A \), \( B \), \( C \), and \( D \) represent the mass fractions of SA, CaCl\(_2\), CS, and stirring time, respectively. The model demonstrated a high degree of validity (F = 31.29, \( P < 0.0001 \)) and indicated significant interactions among the factors, particularly between SA and CaCl\(_2\) (P = 0.0210) and SA and CS (P = 0.0007). The optimal conditions for maximizing EE were identified as SA mass fraction of 1.2-1.4%, CaCl\(_2\) mass fraction of 3.5-4%, CS mass fraction of 0.9-1%, and stirring time of 45-50 minutes. In vitro release studies revealed that SA-BSA-CS nanospheres exhibited a significantly lower release rate in acidic conditions (12.73% over 48 hours) compared to free BSA solutions, which demonstrated burst release characteristics. The release kinetics were analyzed using the Ritger-Peppas, Weibull, and Higuchi models, with the SA-BSA-CS nanospheres showing excellent fits to the Ritger-Peppas model at pH 2.0 and 7.4 (r values of 0.988 and 0.978, respectively), while the release at pH 9.0 fit the Weibull model (r = 0.989). Safety evaluations were conducted to assess hemolysis and cell viability, with BSA concentrations ranging from 0-20 µg/ml. Overall, the findings suggest that the developed nanospheres have potential for sustained drug release and therapeutic applications.
Results
The results of the study indicate that the optimal mass fraction of sodium alginate (SA) for nanosphere formulation is 1.5%, which achieved a maximum encapsulation efficiency (EE) of 96.99% with minimal particle size and polydispersity index (PDI). Increasing the SA mass fraction beyond 2% led to a significant increase in particle size and PDI, suggesting reduced stability of the nanospheres. The optimization analysis, supported by a binary multiple regression model, identified an ideal formulation comprising 1.35% SA, 3.66% calcium chloride (CaCl₂), and 0.93% chitosan (CS), with an agitation time of 47.34 minutes, resulting in a predicted EE of 99.05%. The actual measured EE was 98.77 ± 0.35%, with an average particle size of 21.17 ± 0.41 nm and a PDI of 0.328 ± 0.05, confirming the uniformity and stability of the nanospheres.
Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy confirmed the successful coating of bovine serum albumin (BSA) on the SA-CS nanospheres, as evidenced by the presence of characteristic absorption peaks associated with BSA. Cytotoxicity assessments using the CCK-8 assay demonstrated that SA-BSA-CS nanospheres did not significantly inhibit the proliferation of Caco-2 cells, indicating a cytotoxicity level of 1, which suggests a favorable safety profile for potential clinical applications as a drug delivery system. These findings provide a solid foundation for further research into drug release and targeted therapy using SA-BSA-CS nanospheres.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the preparation and evaluation of sodium alginate-bovine serum albumin-chitosan (SA-BSA-CS) nanospheres for oral colon-targeted drug delivery. The study emphasizes the advantages of oral administration over injections, particularly in terms of patient compliance and safety. It highlights the challenges associated with achieving localized drug release in the colon, which are addressed by optimizing the electrostatic interactions between sodium alginate and chitosan to create a pH-sensitive delivery system. This system is designed to release encapsulated drugs in the alkaline environment of the colon, thereby enhancing therapeutic efficacy.
The findings indicate that the optimal conditions for preparing the nanospheres include a sodium alginate mass fraction of 1.5%, a calcium chloride mass fraction of 4%, a stirring time of 50 minutes, and a chitosan mass fraction of 1%. The resulting nanospheres demonstrated high encapsulation efficiency (EE), favorable particle size distribution, and low hemolytic activity, confirming their biocompatibility. The study also suggests that the SA-BSA-CS system could be extended to deliver other therapeutic agents, such as nucleic acid drugs and hydrophobic anticancer compounds, thereby broadening its application in clinical settings. Future research is recommended to validate the system’s performance in vivo, addressing pharmacokinetics and drug release kinetics, and to explore personalized drug delivery mechanisms to optimize therapeutic outcomes.