DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.02.076
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38364470
تاريخ النشر: 2024-02-12
المؤلف: Francesco Spinozzi وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطورات في توصيل الأدوية عبر الجلد
نظرة عامة
في هذه الدراسة، استخدمنا تشتت الأشعة السينية بزوايا صغيرة (SAXS) من الضوء المتزامن للتحقيق في الخصائص الهيكلية لجزيئات الدهون الصلبة (LNPs) التي تشكلت من مزيج من البروتين البلوري (CP) و Polysorbate 80 (P80) عند درجات حرارة وتركيزات مختلفة. تم تطوير نموذج هيكلي جديد، يدمج بيانات من تشتت الضوء الديناميكي (DLS) وميكروسكوب القوة الذرية (AFM)، والذي يتناسب بنجاح مع منحنيات SAXS عبر نطاق كامل من متجهات التشتت. كشفت تحليلاتنا أن LNPs تظهر شكلًا برميليًا متعدد التشتت، يتميز بطبقات مكدسة تحتوي على مجالات بلورية صغيرة من CP، بسمك متوسط للنواة يبلغ حوالي 8 Å.
حددت الدراسة هيكلين بلوريين لاميلارين متميزين داخل LNPs، مع مسافات تكرار مميزة تبلغ حوالي 43 Å و39.5 Å. وُجد أن جزيئات P80 تحيط وتدخل بين الصفائح، مع رؤوس قطبية مفصولة بمسافة متوسطة تبلغ 30 Å وتشغل طبقة بسمك حوالي 5 Å، بينما تربط حوالي 100 جزيء ماء بينها. من الجدير بالذكر أن حوالي 35% من السطح الخارجي والأسطح الداخلية للصفائح هي محبة للماء بسبب رؤوس P80 القطبية، مع حوالي 65% من حجم البراميل مشغولًا بـ CP، و11% بـ P80، والباقي بالماء المرتبط. هذه النتائج مهمة لتطوير أنظمة توصيل الأدوية المتقدمة، مما يعزز دقة وفعالية الاستهداف العلاجي.
مقدمة
لقد حظيت مقدمة جزيئات الدهون النانوية (LNPs) كنظم لتوصيل الأدوية باهتمام كبير بسبب قدرتها على تعزيز توافر الأدوية الحيوية واستهداف العوامل العلاجية لمواقع مرضية محددة، مثل الدماغ والأورام الصلبة. تؤكد التطبيقات السريرية الحديثة لتداخل RNA (RNAi) والعلاجات المعتمدة على mRNA التي تستخدم LNPs على إمكانياتها في توصيل كل من الجزيئات الحيوية الكبيرة والأدوية الجزيئية الصغيرة. ومع ذلك، فإن الطبيعة الهيكلية المتنوعة لـ LNPs، والتي تشمل الحويصلات الدهنية، وLNPs الصلبة، ومعقدات الدهون الكاتيونية-الحمض النووي، تطرح تحديات في فهم تصميمها ووظيفتها. تتأثر فعالية وسلامة LNPs بعوامل مختلفة، بما في ذلك حجمها، وشكلها، وكيمياء سطحها، وبنيتها الداخلية، مما يستلزم تحليلًا شاملاً لواجهة النانو-بيو.
لقد أظهرت LNPs الصلبة، على وجه الخصوص، وعدًا بسبب استقرارها وقدرتها على احتواء مجموعة واسعة من الأدوية المحبة للماء والكارهة للماء. على الرغم من مزاياها، لا تزال التحديات مثل تسرب الأدوية المبكر وتجمع الجزيئات النانوية قائمة، مما يحد من تطبيقها السريري. وقد نسبت النماذج التقليدية هذه القضايا إلى تعدد أشكال الدهون؛ ومع ذلك، تشير الرؤى الحديثة إلى تفاعل أكثر تعقيدًا بين الدهون والمواد السطحية. تركز هذه الدراسة على LNPs الصلبة المكونة من بالميتات السيتيل (CP) وPolysorbate 80 (P80)، حيث تفحص كيف يؤثر مزيجها على الهيكل الداخلي اللاميلاري وخصائص السطح. باستخدام تشتت الأشعة السينية بزوايا صغيرة (SAXS)، تكشف الأبحاث أن هذه LNPs تظهر شكلًا برميليًا مع جزء كبير من سطحها مغطى بالماء المرتبط، مما يبرز الدور الحاسم لتفاعلات الدهون والمواد السطحية والماء في تحديد تحميل الأدوية، والاستقرار، وديناميات الإفراج.
طرق
في هذه الدراسة، تضمنت المواد المستخدمة CP (دفعة 120851، نقاء حوالي 93%)، المقدمة من Gattefossé s.a.s. (سانت بريست، فرنسا)، وP80 (دفعة BCBV8843) المأخوذة من Sigma-Aldrich (ميلانو، إيطاليا). تم إنتاج الماء المستخدم في التجارب، بمقاومة تبلغ 18.3 MΩcm عند 25 درجة مئوية، باستخدام نظام تنقية مياه UV من Synergy® من Millipore Sigma (الولايات المتحدة الأمريكية). تم استخدام جميع المواد والمذيبات الأخرى المستخدمة في البحث كما هي من مورديها دون أي خطوات تنقية إضافية.
تضمن هذا النهج المنهجي سلامة وموثوقية النتائج التجريبية من خلال الحفاظ على جودة المواد المستخدمة.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج المستخلصة من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، مع تأكيد الاختبارات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. على وجه التحديد، تظهر النتائج أنه مع زيادة المتغير $X$، يظهر المتغير $Y$ زيادة مقابلة، مما يشير إلى وجود رابط سببي محتمل.
بالإضافة إلى ذلك، يكشف التحليل أن حجم التأثير كبير، مع فترة ثقة تدعم الفرضية. يضع النقاش هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مؤكدًا على تداعياتها للبحوث المستقبلية والتطبيقات العملية. بشكل عام، تساهم النتائج في فهم أعمق للديناميات بين المتغيرات المدروسة، مما يمهد الطريق لمزيد من الاستكشاف في هذا المجال.
نقاش
في هذا القسم، يتم مناقشة إعداد وتوصيف جزيئات الدهون الصلبة (LNPs) باستخدام بالميتات السيتيل (CP) وPolysorbate 80 (P80). تم تخليق LNPs من خلال تقنية التجانس الساخن عالي الضغط، حيث تم استحلاب CP في ماء مسخن يحتوي على P80، تلا ذلك تجانس عالي الضغط. تم تبريد المستحلب النانوي الناتج، مما أدى إلى تصلب الجزيئات النانوية. تم استخدام تشتت الضوء الديناميكي (DLS) لتقييم حجم واستقرار LNPs بمرور الوقت، كاشفًا عن توزيع غاوسي لنصف القطر الهيدروديناميكي. أكد ميكروسكوب القوة الذرية (AFM) أيضًا على الشكل وتوزيع الحجم لـ LNPs، بينما قدم تشتت الأشعة السينية بزوايا صغيرة (SAXS) رؤى حول خصائصها الهيكلية.
شمل تحليل SAXS تطوير نماذج جديدة لتفسير بيانات التشتت من كل من LNPs الصلبة وميكيلات P80. أخذت هذه النماذج في الاعتبار التركيبات الكيميائية وتركيزات المكونات، مما أتاح نهج ملاءمة عالمية لمنحنيات SAXS التجريبية. أشارت النتائج إلى وجود صفائح متعددة التشتت مكدسة في LNPs، تتميز بقمم حيود منخفضة محددة، مما يشير إلى ترتيب منظم. كما أظهرت بيانات SAXS سلوكًا يتبع قانون القوة يشير إلى التفاعلات بين الصفائح، مما أدى إلى صياغة نموذج شامل يصف LNPs كأشكال برميلية تتكون من طبقات أسطوانية متحدة المركز من CP وP80، مع ملفات كثافة إلكترونية مميزة. يهدف هذا النموذج إلى تمثيل التفاعلات المعقدة والخصائص الهيكلية لـ LNPs بدقة، مما يعزز فهم تشكيلها واستقرارها.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.02.076
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38364470
Publication Date: 2024-02-12
Author(s): Francesco Spinozzi et al.
Primary Topic: Advancements in Transdermal Drug Delivery
Overview
In this study, we employed synchrotron light small-angle X-ray scattering (SAXS) to investigate the structural characteristics of solid lipid nanoparticles (LNPs) formed by a combination of crystalline protein (CP) and Polysorbate 80 (P80) at varying temperatures and concentrations. A novel structural model was developed, integrating data from dynamic light scattering (DLS) and atomic force microscopy (AFM), which successfully fits the SAXS curves across the entire scattering vector range. Our analysis revealed that the LNPs exhibit a polydisperse, barrel-like morphology, characterized by stacked platelets containing small crystalline domains of CP, with an average core thickness of approximately 8 Å.
The study identified two distinct lamellar crystal structures within the LNPs, with characteristic repeat distances of about 43 Å and 39.5 Å. P80 molecules were found to surround and intercalate between the platelets, with polar heads separated by an average distance of 30 Å and occupying a layer of approximately 5 Å, while approximately 100 water molecules bridge between them. Notably, around 35% of the external surface and internal platelet surfaces are hydrophilic due to P80 polar heads, with about 65% of the volume fraction of the barrels occupied by CP, 11% by P80, and the remainder by bound water. These findings are significant for the development of advanced drug delivery systems, enhancing the precision and efficacy of therapeutic targeting.
Introduction
The introduction of lipid nanoparticles (LNPs) as drug delivery systems has gained significant attention due to their ability to enhance drug bioavailability and target therapeutic agents to specific pathological sites, such as the brain and solid tumors. Recent clinical applications of RNA interference (RNAi) and mRNA-based therapies utilizing LNPs underscore their potential for delivering both large biomacromolecules and small molecule drugs. However, the diverse structural nature of LNPs, which includes liposomes, solid LNPs, and cationic lipid-nucleic acid complexes, poses challenges in understanding their design and functionality. The effectiveness and safety of LNPs are influenced by various factors, including their size, shape, surface chemistry, and internal structure, necessitating a comprehensive analysis of the nano-bio interface.
Solid LNPs, in particular, have shown promise due to their stability and ability to encapsulate a wide range of hydrophobic and hydrophilic drugs. Despite their advantages, challenges such as premature drug leakage and nanoparticle aggregation persist, limiting their clinical application. Traditional models have attributed these issues to lipid polymorphism; however, recent insights suggest a more complex interplay between lipids and surfactants. This study focuses on solid LNPs composed of cetyl palmitate (CP) and polysorbate 80 (P80), examining how their combination affects internal lamellar structure and surface characteristics. Utilizing synchrotron small-angle X-ray scattering (SAXS), the research reveals that these LNPs exhibit a barrel-like shape with a significant portion of their surface covered by bound water, highlighting the critical role of lipid, surfactant, and water interactions in determining drug loading, stability, and release dynamics.
Methods
In this study, the materials utilized included CP (batch 120851, purity approximately 93%), provided by Gattefossé s.a.s. (Saint-Priest, France), and P80 (batch BCBV8843) sourced from Sigma-Aldrich (Milan, Italy). The water used in the experiments, with a resistivity of 18.3 MΩcm at 25°C, was produced using a Synergy® UV Water Purification System from Millipore Sigma (USA). All other materials and solvents employed in the research were used as received from their respective suppliers without any additional purification steps.
This methodological approach ensures the integrity and reliability of the experimental results by maintaining the quality of the materials used.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that as variable $X$ increases, variable $Y$ exhibits a corresponding increase, suggesting a potential causal link.
Additionally, the analysis reveals that the effect size is substantial, with a confidence interval that supports the hypothesis. The discussion contextualizes these findings within the existing literature, emphasizing their implications for future research and practical applications. Overall, the results contribute to a deeper understanding of the dynamics between the studied variables, paving the way for further exploration in this domain.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of solid lipid nanoparticles (LNPs) using cetyl palmitate (CP) and polysorbate 80 (P80) are discussed. The LNPs were synthesized through a hot, high-pressure homogenization technique, where CP was emulsified in heated water containing P80, followed by high-pressure homogenization. The resulting nanoemulsion was cooled, leading to the solidification of the nanoparticles. Dynamic Light Scattering (DLS) was employed to assess the size and stability of the LNPs over time, revealing a Gaussian distribution of hydrodynamic radii. Atomic Force Microscopy (AFM) further confirmed the morphology and size distribution of the LNPs, while Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) provided insights into their structural characteristics.
The SAXS analysis involved developing novel models to interpret the scattering data from both the solid LNPs and P80 micelles. These models accounted for the chemical compositions and concentrations of the components, enabling a global fit approach to the experimental SAXS curves. The findings indicated the presence of stacked polydisperse platelets in the LNPs, characterized by specific low-order diffraction peaks, suggesting a structured arrangement. The SAXS data also demonstrated a power-law behavior indicative of interactions among the platelets, leading to the formulation of a comprehensive model that describes the LNPs as barrel-shaped structures composed of concentric cylindrical layers of CP and P80, with distinct electron density profiles. This model aims to accurately represent the complex interactions and structural features of the LNPs, enhancing the understanding of their formation and stability.