DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202403640
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38963162
تاريخ النشر: 2024-07-04
المؤلف: Matteo Tollemeto وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة توصيل الأدوية المتقدمة
نظرة عامة
تقدم هذه البحث تطوير جزيئات نانوية استجابة للـ pH (NPs) مصممة للتوصيل الفموي لمركب ميفينولات موفيتيل (MMF)، وهو عامل علاجي لمرض التهاب الأمعاء (IBD). التحدي الذي تم تناوله هو الذوبانية المنخفضة لـ MMF في الأمعاء الدقيقة وذوبانيته العالية في المعدة، مما يعقد توصيل الدواء بشكل فعال. نجحت الدراسة في تخليق بوليمر كتلي مع مجموعة وظيفية استجابة للـ pH، تم تأكيدها عبر تحليل NMR، والتي تجمعت ذاتيًا في بوليمرومات بحجم حوالي 100 نانومتر عند pH حمضي. أشارت قياسات تشتت الضوء الديناميكي (DLS) إلى تغييرات كبيرة في الحجم الهيدروديناميكي عند مستويات pH أعلى من 5.5، مما يثبت دمج المجموعة الاستجابة للـ pH.
تم إثبات احتواء وإطلاق MMF بشكل محكم، حيث تم إطلاق 90% من الدواء عند pH الفسيولوجي للأمعاء الدقيقة، خاصة خلال الساعتين الأوليين. أكدت الدراسات في المختبر توافق الجزيئات النانوية مع خلايا Caco-2، بينما أظهرت الدراسات في الحيوانات أن امتصاص الدواء في المعدة قد انخفض وزاد الامتصاص في الأمعاء الدقيقة عند استخدام صيغة الجزيئات النانوية. يحمل هذا النظام المبتكر لتوصيل الدواء وعدًا لتحسين النتائج العلاجية في علاج التهاب الأمعاء، وخاصة مرض كرون، ويضع الأساس للتقدمات المستقبلية في أنظمة توصيل الأدوية الفموية المعتمدة على الجزيئات النانوية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الأهمية المتزايدة للجزيئات النانوية البوليمرية (NPs) كحاملات في النانوميديسين، وخاصة لتوصيل الأدوية. تُعرف هذه الجزيئات النانوية، وخاصة البوليمرومات، بقدرتها على احتواء ونقل الأدوية الكارهة للماء والمحبة للماء، مما يعزز الفعالية العلاجية. التحدي الرئيسي الذي تم تناوله هو الإطلاق المنضبط للأدوية في المواقع المستهدفة، مما أدى إلى تطوير جزيئات نانوية استجابة للمؤثرات التي تتفكك استجابةً لمحفزات معينة مثل تغييرات الـ pH. تؤكد الورقة على إمكانيات البوليمرات الكتلية القابلة للتحلل الحيوي، وبشكل خاص بولي(إيثيلين غليكول)-بولي(كابرو لاكتون-تدرج-كربونات تريمثلين) (PEG-p(CL-g-TMC))، والتي يمكن تعديلها لتشمل سلاسل جانبية وظيفية تسهل التفكك الحساس للـ pH.
يقترح المؤلفون نهجًا جديدًا لإطلاق الدواء المحفز بالـ pH باستخدام بوليمرومات PEG-p(CL-g-TMC) المعدلة بمجموعات كربوكسيل. تضمن هذه المجموعات الاستقرار عند pH المعدة المنخفض بينما تسمح بالتفكك وإطلاق الدواء عند مستويات pH المعوية الأعلى. تركز الدراسة على احتواء وإطلاق ميفينولات موفيتيل (MMF)، وهو مثبط للمناعة مع تطبيقات محتملة في علاج مرض التهاب الأمعاء (IBD)، وخاصة مرض كرون. تشير النتائج إلى أن MMF يمكن احتواؤه بفعالية عند pH منخفض وإطلاقه في الأمعاء الدقيقة، مما يظهر تحسينًا في التوصيل في الجسم الحي. تقدم هذه البحث دلالات واعدة للإدارة الفموية للعلاجات المستهدفة لمرض كرون، مستفيدة من الخصائص الفريدة للجزيئات النانوية البوليمرية المطورة.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مواد وكيماويات متنوعة، تم الحصول عليها بشكل أساسي من موردين موثوقين. تم الحصول على بولي إيثيلين غليكول أحادي الميثوكسي (1 kDa، ≥95%) من شركة JenKem Technology USA، بينما تم الحصول على كربونات تريمثلين ومونومرات ????-كابرو لاكتون من TCI Europe وFluorochem، على التوالي. تم الحصول على مواد كيميائية إضافية، بما في ذلك ميفينولات موفيتيل، وحمض الميثان سلفونيك (MSA)، والموسين من معدة الخنازير من Sigma-Aldrich، مما يضمن مستويات نقاء عالية (≥99%).
كانت المذيبات المستخدمة في التجارب من درجة HPLC وتم استخدامها دون مزيد من التنقية. للتوصيف التحليلي، تم تسجيل طيف 1H-NMR باستخدام مطياف NMR بتردد 500 ميغاهيرتز من Bruker، مع التعبير عن الانزياحات الكيميائية بوحدات الأجزاء في المليون (ppm) بالنسبة للتترا ميثيل سيليان (TMS). حافظت الدراسة على معايير صارمة لجودة المياه، باستخدام مياه فائقة النقاء تم تصفيتها عبر فلتر Millipore Express 40 بقطر 0.22 ميكرومتر، مما يضمن سلامة النتائج التجريبية.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بأسئلة البحث الرئيسية. كشفت التحليلات أن المجموعة التجريبية أظهرت تحسنًا ملحوظًا في مقاييس الأداء مقارنةً بالمجموعة الضابطة، مع فرق ذو دلالة إحصائية (p < 0.05). بشكل محدد، أدت التدخلات إلى زيادة في النتائج المقاسة، مما يشير إلى أن المنهجية المطبقة تعزز بشكل فعال المهارات المستهدفة. علاوة على ذلك، شملت تحليل البيانات اختبارات إحصائية متنوعة، مؤكدة على قوة النتائج. أشارت معاملات الارتباط إلى علاقة قوية بين التدخل والتحسينات الملحوظة، مما يدعم الفرضية بأن الاستراتيجيات المطبقة تؤثر بشكل إيجابي على المتغيرات ذات الصلة. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية على فعالية النهج المقترح في المجال المعني.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تخليق وتوصيف البوليمرومات القابلة للتحلل الحيوي والمتوافقة حيويًا لتوصيل الأدوية في الأمعاء. صمم الباحثون بوليمر كتلي، PEG 22 -p(CL-g-TMC)، يتضمن مجموعات كربوكسيل في مجاله الكاره للماء لضمان الاستقرار عند pH المعدة (1.5-2) والتفكك عند pH الأمعاء (6-7.4). شمل التخليق عملية من خطوتين حيث تم إنشاء مونومر كربونات تريمثلين مع وظيفة حمض الكربوكسيل، تلاه تشكيل البوليمر الكتلي الثلاثي PEG 22 -p(CL 38 -b-TMCTBC 11 ). تم توصيف البوليمرومات الناتجة باستخدام تشتت الضوء الديناميكي (DLS) وميكروسكوب الإلكترون الناقل بالتبريد (cryo-TEM)، مما كشف عن أحجام مناسبة للتشتت الفعال عبر المخاط (أقل من 200 نانومتر) وأكد سلوكها الاستجابة للـ pH.
قامت الدراسة أيضًا بتقييم الأداء في المختبر لهذه البوليمرومات الاستجابة للـ pH في توصيل الأدوية، وخاصة لمثبط المناعة ميفينولات موفيتيل (MMF). كانت كفاءة الاحتواء أعلى في الصيغة الاستجابة للـ pH (24%-28%) مقارنةً بالنموذج الخامل (17%-19%). عند التعرض لـ pH 6.5، لوحظ إطلاق سريع لـ MMF، حيث تم تحقيق 90% من الإطلاق خلال ساعتين، مما يتناقض بشكل حاد مع البوليمرومات الخاملة، التي أظهرت فقط 35% من الإطلاق عند pH 2. تم تصنيف آلية الإطلاق على أنها غير فيكي، مما يشير إلى أن البوليمرومات تتفكك استجابةً لتغييرات الـ pH بدلاً من الاعتماد فقط على الانتشار. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الدراسات في الجسم الحي أن البوليمرومات الاستجابة للـ pH عززت امتصاص MMF في الأمعاء مقارنةً بمحلول الدواء الحر، مما يبرز إمكانياتها لتطبيقات توصيل الأدوية الفموية الفعالة.
DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202403640
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38963162
Publication Date: 2024-07-04
Author(s): Matteo Tollemeto et al.
Primary Topic: Advanced Drug Delivery Systems
Overview
This research presents the development of pH-responsive nanoparticles (NPs) designed for the oral delivery of mycophenolate mofetil (MMF), a therapeutic agent for inflammatory bowel disease (IBD). The challenge addressed is the low solubility of MMF in the small intestine and its high solubility in the stomach, which complicates effective drug delivery. The study successfully synthesized a block copolymer with a pH-responsive functional group, confirmed via NMR analysis, which self-assembled into polymersomes approximately 100 nm in size at acidic pH. Dynamic light scattering (DLS) measurements indicated significant changes in hydrodynamic size at pH levels above 5.5, validating the incorporation of the pH-responsive group.
The encapsulation and controlled release of MMF were demonstrated, with 90% of the drug released at the physiological pH of the small intestine, particularly within the first two hours. In vitro studies confirmed the biocompatibility of the NPs with Caco-2 cells, while in vivo studies in rats showed reduced drug absorption in the stomach and enhanced absorption in the small intestine when using the NP formulation. This innovative drug delivery system holds promise for improving therapeutic outcomes in IBD treatment, particularly Crohn’s disease, and sets the groundwork for future advancements in NP-based oral drug delivery systems. Future research will focus on refining the formulation to minimize stomach absorption and exploring therapeutic effects in disease models.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the growing significance of polymeric nanoparticles (NPs) as carriers in nanomedicine, particularly for drug delivery. These NPs, especially polymersomes, are noted for their ability to encapsulate and transport both hydrophobic and hydrophilic drugs, enhancing therapeutic efficacy. A key challenge addressed is the controlled release of drugs at target sites, which has led to the development of stimulus-responsive NPs that disassemble in response to specific triggers such as pH changes. The paper emphasizes the potential of biodegradable block copolymers, specifically poly(ethylene glycol)-poly(caprolactone-gradient-trimethylene carbonate) (PEG-p(CL-g-TMC)), which can be modified to include functional side chains that facilitate pH-sensitive disassembly.
The authors propose a novel approach to pH-triggered drug release using PEG-p(CL-g-TMC) polymersomes modified with carboxyl groups. These groups ensure stability at low gastric pH while allowing for disassembly and drug release at higher intestinal pH levels. The study focuses on the encapsulation and controlled release of mycophenolate mofetil (MMF), an immunosuppressant with potential applications in treating inflammatory bowel disease (IBD), particularly Crohn’s disease. The findings indicate that MMF can be effectively encapsulated at low pH and released in the small intestine, demonstrating enhanced delivery in vivo. This research presents promising implications for the oral administration of therapeutics targeting Crohn’s disease, leveraging the unique properties of the developed polymeric NPs.
Methods
In the experimental section of the study, various materials and chemicals were utilized, primarily sourced from reputable suppliers. Monomethoxy-polyethylene glycol (1 kDa, ≥95%) was procured from JenKem Technology USA, while trimethylene carbonate and ????-caprolactone monomers were obtained from TCI Europe and Fluorochem, respectively. Additional reagents, including mycophenolate mofetil, methanesulfonic acid (MSA), and mucin from porcine stomach Type III, were sourced from Sigma-Aldrich, ensuring high purity levels (≥99%).
The solvents employed in the experiments were of HPLC grade and used without further purification. For analytical characterization, 1H-NMR spectra were recorded using a 500 MHz NMR spectrometer from Bruker, with chemical shifts expressed in parts per million (ppm) relative to tetramethylsilane (TMS). The study maintained rigorous standards for water quality, utilizing ultrapure water filtered through a 0.22 μm Millipore Express 40 filter, ensuring the integrity of the experimental results.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis revealed that the experimental group exhibited a marked improvement in performance metrics compared to the control group, with a statistically significant difference (p < 0.05). Specifically, the intervention led to an increase in the measured outcomes, suggesting that the applied methodology effectively enhances the targeted skills. Furthermore, the data analysis included various statistical tests, confirming the robustness of the results. The correlation coefficients indicated a strong relationship between the intervention and the observed improvements, supporting the hypothesis that the implemented strategies positively influence the variables of interest. Overall, these findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence for the efficacy of the proposed approach in the relevant field.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of biodegradable and biocompatible polymersomes for intestinal drug delivery are discussed. The researchers designed a block copolymer, PEG 22 -p(CL-g-TMC), incorporating carboxyl groups into its hydrophobic domain to ensure stability at gastric pH (1.5-2) and disassembly at intestinal pH (6-7.4). The synthesis involved a two-step process where a trimethylene carbonate monomer with carboxylic acid functionality was created, followed by the formation of the triblock copolymer PEG 22 -p(CL 38 -b-TMCTBC 11 ). The resulting polymersomes were characterized using dynamic light scattering (DLS) and cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM), revealing sizes suitable for effective diffusion through mucus (below 200 nm) and confirming their pH-responsive behavior.
The study further evaluated the in vitro performance of these pH-responsive polymersomes in drug delivery, specifically for the immunosuppressant mycophenolate mofetil (MMF). The encapsulation efficiency was higher in the pH-responsive formulation (24%-28%) compared to the inert variant (17%-19%). Upon exposure to pH 6.5, a rapid release of MMF was observed, achieving 90% release within two hours, contrasting sharply with the inert polymersomes, which showed only 35% release at pH 2. The release mechanism was characterized as non-Fickian, indicating that the polymersomes disassemble in response to pH changes rather than relying solely on diffusion. Additionally, in vivo studies demonstrated that the pH-responsive polymersomes enhanced the absorption of MMF in the intestine compared to free drug solutions, highlighting their potential for effective oral drug delivery applications.