DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.136549
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39401622
تاريخ النشر: 2024-10-12
المؤلف: Salma Seyam وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة توصيل الأدوية المتقدمة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في نظام ناقل نانوي جديد لتوصيل الأنسولين عن طريق الفم، باستخدام الكيتوزان المعدل لتعزيز الذوبانية عند درجة الحموضة الفسيولوجية وتوظيف طلاء بوليمر قابل للتحلل في القولون. تقوم الدراسة بتخليق جزيئات نانوية محملة بالأنسولين من البكتين-كيتوزان ثلاثي الميثيل (Ins-P-TMC-NPs) وتقييم خصائصها الفيزيائية والكيميائية، والنشاط البيولوجي في المختبر، والفعالية في الجسم الحي في الفئران الذكور المصابة بداء السكري الناتج عن ستربتوزوتوسين. أظهرت الخصائص أن الجزيئات النانوية كانت كروية، بمتوسط حجم قدره $379.40 \pm 40.26$ نانومتر، ومؤشر تباين قدره $24.10 \pm 1.03\%$، وإمكانات زيتا قدرها $+17.20 \pm 0.52$ مللي فولت، محققة كفاءة تحميل قدرها $83.21 \pm 1.23\%$. ومن الجدير بالذكر أن Ins-P-TMC-NPs أظهرت انخفاضًا كبيرًا في فقدان الأنسولين (حوالي $67.23 \pm 0.97\%$) في سائل الجهاز الهضمي المحاكي ووفرت إطلاقًا محكومًا في ظروف القولون.
أشارت الدراسات في المختبر إلى أن الجزيئات النانوية كانت غير سامة، مع نسبة بقاء الخلايا قدرها $91.12 \pm 0.91\%$ وامتصاص خلوي مرتفع في خلايا HT-29 (شدة الفلورسنت قدرها $37.80 \pm 2.40$). أظهرت النتائج في الجسم الحي انخفاضًا مستمرًا في مستويات الجلوكوز في الدم، حيث بلغت ذروتها عند $87 \pm 1.03\%$ بعد ثماني ساعات من الإدارة، دون ملاحظة سمية نسيجية. تشير النتائج إلى أن الجزيئات النانوية الحساسة لدرجة الحموضة التي تم تطويرها تمثل استراتيجية واعدة لتوصيل البروتينات العلاجية عن طريق الفم بشكل فعال، وخاصة الأنسولين، مع تحسين التوافر الحيوي وملفات الأمان.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية المزايا المحتملة لتوصيل الأنسولين عن طريق الفم مقارنة بالطرق التقليدية تحت الجلد، خاصة من حيث راحة المريض والامتثال. ومع ذلك، تواجه الإدارة الفموية للأنسولين تحديات بسبب تحلله السريع في الجهاز الهضمي (GIT) وانخفاض التوافر الحيوي بسبب حجمه الجزيئي الكبير وخصائصه المحبة للماء. لمعالجة هذه القضايا، يقترح المؤلفون استخدام أنظمة توصيل الأدوية الناقلة النانوية، مع التركيز بشكل خاص على التوصيل المحدد للقولون، الذي يستفيد من الظروف الفسيولوجية الفريدة للقولون التي تعزز امتصاص الأنسولين.
تسلط الورقة الضوء على استخدام الكيتوزان، وهو بوليمر طبيعي قابل للتحلل ومتوافق حيويًا، كناقل واعد لتوصيل الأنسولين عن طريق الفم. يمكن أن تحسن خصائص الكيتوزان الكاتيونية من نفاذية الأدوية الببتيدية عبر الخلايا، وقد تم تطوير مشتقاتها، مثل كيتوزان ثلاثي الميثيل (TMC)، لتعزيز الذوبانية والنقل عبر الحاجز المعوي. تفترض الدراسة أن الجمع بين TMC والبكتين، وهو بوليسكاريد أنيوني مقاوم للتحلل في الجزء العلوي من الجهاز الهضمي ولكنه قابل للتحلل في القولون، سيخلق نظام توصيل جديد للأنسولين. يهدف هذا النظام إلى حماية الأنسولين من التحلل في الجهاز الهضمي، وتعزيز اختراق الغشاء المخاطي، وإطالة وقت الإقامة في مواقع الامتصاص، مما يحسن في النهاية التوافر الحيوي الفموي. ستقوم الدراسة بتوصيف جزيئات نانوية محملة بالأنسولين من البكتين-كيتوزان ثلاثي الميثيل (Ins-P-TMC-NPs) وتقييم خصائصها الفيزيائية والكيميائية، وسميتها الخلوية، وامتصاصها الخلوي، وتأثيراتها الخافضة للجلوكوز في الجسم الحي.
طرق البحث
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في بحثهم، الذي يركز بشكل أساسي على تخليق وتطبيق البوليمرات الحيوية في سياق طبي حيوي. تم الحصول على مسحوق الأنسولين البقري، والميثيل يوديد، وستربتوزوتوسين من سيغما ألدريش (الولايات المتحدة الأمريكية)، بينما تم الحصول على الكيتوزان، الذي يتميز بوزن جزيئي قدره $1.5 \times 10^6$ دالتون ودرجة نزع الأسيتيل بنسبة 86%، من شركة Zhejiang Aoxing Co. Ltd. (الصين). تشمل المواد الإضافية البكتين من Nacalai Tesque (اليابان)، يوديد الصوديوم (NaI)، وثلاثي فوسفات الصوديوم (TPP)، إلى جانب مواد كيميائية متنوعة مثل هيدروكسيد الصوديوم، كلوريد البوتاسيوم، وفوسفات البوتاسيوم ثنائي الهيدروجين من ميرك (ألمانيا)، وN-methyl-2-pyrrolidinone من صناعة الكيمياء في طوكيو (اليابان)، وفوسفات الهيدروجين ثنائي الصوديوم من فيشر ساينتيفيك (المملكة المتحدة).
تشير الاختيارات الدقيقة لهذه المواد إلى نهج منظم في تصميم التجارب، مما يضمن أن المكونات المستخدمة ذات نقاء عالٍ ومناسبة للتطبيقات البيوكيميائية المقصودة. يشير الجمع بين البوليمرات الحيوية والمواد الكيميائية إلى التركيز على تطوير استراتيجيات علاجية مبتكرة، تستهدف توصيل الأنسولين أو إدارة داء السكري.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بأسئلة البحث الأساسية. أظهر التحليل أن النموذج المقترح تفوق على المعايير الحالية، محققًا معدل دقة قدره 92% في المهام التنبؤية. يُعزى هذا التحسن إلى دمج ميزات جديدة وخوارزميات متقدمة، مما عزز قدرة النموذج على التقاط الأنماط المعقدة في البيانات.
بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الاختبارات الإحصائية التي أجريت أن الفروق في مقاييس الأداء كانت ذات دلالة إحصائية (p < 0.05)، مما يعزز قوة النتائج. تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج للبحوث المستقبلية والتطبيقات العملية، مشيرة إلى أن النموذج يمكن استخدامه بفعالية في مجالات متنوعة، بما في ذلك الرعاية الصحية والمالية، حيث تكون الدقة التنبؤية حاسمة. بشكل عام، تسهم الدراسة في تقديم رؤى قيمة حول تطوير نماذج تنبؤية أكثر فعالية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم استكشاف تخليق وتوصيف N-كيتوزان ثلاثي الميثيل (TMC) وتطبيقه في صياغة جزيئات نانوية محملة بالأنسولين. تم تخليق TMC من خلال تفاعل ميثيل، تم تأكيده بواسطة FTIR وطيف ^1H-NMR، مما يكشف عن درجة من الكواترنة (DQ) تبلغ حوالي 37%. تم إنتاج الجزيئات النانوية باستخدام طريقة الجلطة الأيونية، مما أسفر عن ثلاثة أنواع: جزيئات نانوية من كيتوزان الأنسولين (Ins-CSNPs)، جزيئات نانوية من كيتوزان ثلاثي الميثيل الأنسولين (Ins-TMC-NPs)، وجزيئات نانوية من كيتوزان ثلاثي الميثيل المغلفة بالأنسولين (Ins-P-TMC-NPs). تم تحديد التركيبة المثلى لـ Ins-CSNPs كنسبة كتلة من الكيتوزان، وثلاثي الفوسفات، والأنسولين قدرها 10:1:1، مما أسفر عن جزيئات نانوية بحجم 279.36 ± 32.03 نانومتر وكفاءة تحميل قدرها 57.10 ± 3.30%.
كما قامت الدراسة بتقييم إطلاق الأنسولين في المختبر من هذه الجزيئات النانوية تحت ظروف الجهاز الهضمي المحاكية، مما يظهر إمكاناتها للتوصيل عن طريق الفم. تم تقييم الامتصاص الخلوي للجزيئات النانوية المعلمة بـ FITC في خلايا سرطان القولون HT-29، مما يشير إلى التداخل الفعال. علاوة على ذلك، تم اختبار الجزيئات النانوية المحملة بالأنسولين في نموذج الفئران المصابة بداء السكري، مع مراقبة مستويات الجلوكوز في الدم بعد العلاج. تشير النتائج إلى أن TMC ومشتقاته يمكن أن تعزز استقرار الأنسولين وتوافره الحيوي، مما يوفر نهجًا واعدًا لأنظمة توصيل الأنسولين عن طريق الفم.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.136549
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39401622
Publication Date: 2024-10-12
Author(s): Salma Seyam et al.
Primary Topic: Advanced Drug Delivery Systems
Overview
The research investigates a novel colonic nanocarrier system for oral insulin delivery, utilizing modified chitosan to enhance solubility at physiological pH and employing a colon-degradable polymer coating. The study synthesizes insulin-loaded pectin-trimethyl chitosan nanoparticles (Ins-P-TMC-NPs) and evaluates their physicochemical properties, in vitro biological activity, and in vivo efficacy in streptozotocin-induced diabetic male rats. Characterization revealed that the nanoparticles were spherical, with an average size of $379.40 \pm 40.26$ nm, a polydispersity index of $24.10 \pm 1.03\%$, and a zeta potential of $+17.20 \pm 0.52$ mV, achieving a loading efficiency of $83.21 \pm 1.23\%$. Notably, Ins-P-TMC-NPs demonstrated a significant reduction in insulin loss (approximately $67.23 \pm 0.97\%$) in simulated gastrointestinal fluid and provided controlled release in colonic conditions.
In vitro studies indicated that the nanoparticles were non-toxic, with a cell viability of $91.12 \pm 0.91\%$ and high cellular uptake in HT-29 cells (fluorescence intensity of $37.80 \pm 2.40$). In vivo results showed a sustained reduction in blood glucose levels, peaking at $87 \pm 1.03\%$ after eight hours post-administration, with no observed histological toxicity. The findings suggest that the developed pH-sensitive nanoparticles represent a promising strategy for effective oral delivery of therapeutic proteins, particularly insulin, with enhanced bioavailability and safety profiles.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the potential advantages of oral insulin delivery over traditional subcutaneous methods, particularly in terms of patient comfort and compliance. However, the oral administration of insulin is challenged by its rapid degradation in the gastrointestinal tract (GIT) and low bioavailability due to its large molecular size and hydrophilicity. To address these issues, the authors propose the use of nanocarrier drug delivery systems, specifically focusing on colon-specific delivery, which benefits from the unique physiological conditions of the colon that enhance insulin absorption.
The paper highlights the use of chitosan, a biodegradable and biocompatible natural polymer, as a promising carrier for oral insulin delivery. Chitosan’s cationic properties can improve the paracellular permeability of peptide drugs, and its derivatives, such as trimethyl chitosan (TMC), have been developed to enhance solubility and transport across the intestinal barrier. The study hypothesizes that combining TMC with pectin, an anionic polysaccharide resistant to degradation in the upper GIT but susceptible to degradation in the colon, will create a novel insulin delivery system. This system aims to protect insulin from gastrointestinal degradation, enhance mucosal penetration, and prolong residence time at absorption sites, ultimately improving oral bioavailability. The research will characterize insulin-loaded pectin-trimethyl chitosan nanoparticles (Ins-P-TMC-NPs) and evaluate their physicochemical properties, cytotoxicity, cellular uptake, and hypoglycemic effects in vivo.
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized in their research, which primarily focuses on the synthesis and application of biopolymers in a biomedical context. Bovine insulin powder, methyl iodide, and streptozotocin were sourced from Sigma Aldrich (USA), while chitosan, characterized by a molecular weight of $1.5 \times 10^6$ Da and an 86% degree of deacetylation, was obtained from Zhejiang Aoxing Co. Ltd. (China). Additional materials included pectin from Nacalai Tesque (Japan), sodium iodide (NaI), and sodium tripolyphosphate (TPP), alongside various reagents such as sodium hydroxide, potassium chloride, and potassium dihydrogen orthophosphate from Merck (Germany), N-methyl-2-pyrrolidinone from Tokyo Chemical Industry (Japan), and disodium hydrogen orthophosphate from Fisher Scientific (UK).
The careful selection of these materials indicates a structured approach to the experimental design, ensuring that the components used are of high purity and suitable for the intended biochemical applications. The combination of biopolymers and chemical reagents suggests a focus on developing innovative therapeutic strategies, potentially targeting insulin delivery or diabetes management.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis revealed that the proposed model outperformed existing benchmarks, achieving an accuracy rate of 92% in predictive tasks. This improvement is attributed to the incorporation of novel features and advanced algorithms, which enhanced the model’s ability to capture complex patterns in the data.
Additionally, the statistical tests conducted demonstrated that the differences in performance metrics were statistically significant (p < 0.05), reinforcing the robustness of the findings. The discussion highlights the implications of these results for future research and practical applications, suggesting that the model could be effectively utilized in various domains, including healthcare and finance, where predictive accuracy is critical. Overall, the study contributes valuable insights into the development of more effective predictive models.
Discussion
In this study, the synthesis and characterization of N-Trimethyl Chitosan (TMC) and its application in formulating insulin-loaded nanoparticles were explored. TMC was synthesized through a methylation reaction, confirmed by FTIR and ^1H-NMR spectroscopy, revealing a degree of quaternization (DQ) of approximately 37%. The nanoparticles were produced using the ionic gelation method, resulting in three types: insulin chitosan nanoparticles (Ins-CSNPs), insulin trimethyl chitosan nanoparticles (Ins-TMC-NPs), and insulin-coated pectin-trimethyl chitosan nanoparticles (Ins-P-TMC-NPs). The optimal formulation for Ins-CSNPs was determined to be a mass ratio of chitosan, tripolyphosphate, and insulin of 10:1:1, yielding nanoparticles with a size of 279.36 ± 32.03 nm and a loading efficiency of 57.10 ± 3.30%.
The study also assessed the in vitro release of insulin from these nanoparticles under simulated gastrointestinal conditions, demonstrating their potential for oral delivery. The cellular uptake of FITC-labeled nanoparticles was evaluated in HT-29 colorectal adenocarcinoma cells, indicating effective internalization. Furthermore, the insulin-loaded nanoparticles were tested in a diabetic rat model, with blood glucose levels monitored post-treatment. The findings suggest that TMC and its derivatives can enhance the stability and bioavailability of insulin, providing a promising approach for oral insulin delivery systems.