DOI: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.3c01183
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38319691
تاريخ النشر: 2024-02-06
المؤلف: Elvira O. Shatabayeva وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة توصيل الأدوية المتقدمة
نظرة عامة
تستقصي هذه الدراسة تخليق وتوصيف مشتقات الجيلاتين المعدلة—الكرونويليتيد (Gel-CA)، الإيتاكونويليتيد (Gel-IA)، والميثاكريلويلتيد (Gel-MA)—لتحسين خصائصها اللاصقة للمخاط. الجيلاتين، وهو بوليمر طبيعي متعدد الأيونات ذو لاصقية محدودة للمخاط، تم تعديله كيميائيًا من خلال التفاعل مع الأنهيدريدات الكرونونية والإيتاكونية والميثاكريكية. تم تأكيد التخليق الناجح من خلال ^1H NMR، وطيف FTIR، واختبار TNBSA اللوني. أظهرت التعديلات تأثيرًا على النقطة المعزولة، واللزوجة، وخصائص الجل المتغيرة حراريًا للجيلاتين، حيث أظهرت جميع المشتقات خصائص لاصقة للمخاط تفوق الجيلاتين الأصلي.
تُعزى اللاصقية المحسّنة للمخاط إلى تكوين روابط تساهمية مع الميوسين من خلال تفاعلات إضافة نوع مايكل ثيول-إين، التي تحدث تحت ظروف ذات صلة فسيولوجيًا. أشارت التقييمات السمية، بما في ذلك اختبار تهيج الغشاء المخاطي للرخويات في الجسم الحي (SMIT) واختبار MTT في المختبر باستخدام الخلايا الليفية الرئوية البشرية، إلى أن التعديلات لم تؤثر سلبًا على ملف الأمان لمشتقات الجيلاتين. وبالتالي، يُقترح أن تكون Gel-CA وGel-IA وGel-MA مواد مساعدة واعدة لتكوين أشكال جرعات لاصقة للمخاط تهدف إلى توصيل الأدوية عبر المهبل والأنف، مع تطبيقات محتملة في أنظمة توصيل الأدوية عبر الأغشية المخاطية المختلفة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الجيلاتين، وهو بوليمر حيوي مشتق من الكولاجين، مع تسليط الضوء على أهميته في مختلف الصناعات بسبب خصائصه الفيزيائية والكيميائية الفريدة. يتم إنتاج الجيلاتين من خلال معالجة حمضية أو قلوية، مما يؤدي إلى نوع A ونوع B من الجيلاتين، اللذان يختلفان في نقاطهما المعزولة (IEP). من الجدير بالذكر أن الجيلاتين معروف بتوافقه الحيوي، وقابليته للتحلل البيولوجي، وسلامته، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات في الصناعات الدوائية، والغذائية، والتجميلية. تعزز قدرته على تشكيل هيدروجيلات متغيرة حراريًا ونقطة انصهاره القريبة من درجة حرارة الجسم من فائدته في أنظمة توصيل الأدوية، خاصةً للإدارة عبر الأغشية المخاطية.
تناقش هذه الفقرة أيضًا مفهوم اللاصقية للمخاط، وهو أمر حاسم لتوصيل الأدوية بشكل فعال عبر الأغشية المخاطية. تم استخدام البوليمرات اللاصقة التقليدية في تركيبات مختلفة، لكن التطورات الأخيرة ركزت على تعزيز خصائص اللاصقية للمخاط من خلال التعديلات الكيميائية، مثل إدخال مجموعات الثيول في البوليمرات المثيولة. تشير الورقة إلى أن الجيلاتين كان يُنظر إليه تاريخيًا على أنه يمتلك خصائص لاصقة للمخاط ضعيفة، على الرغم من أن بعض الدراسات تقترح أنه يمكن أن يحسن الخصائص اللاصقة للتركيبات. يقترح المؤلفون تعديل الجيلاتين باستخدام الأنهيدريدات غير المشبعة (الكرونونية، الإيتاكونية، والميثاكريكية) لتعزيز قدراته اللاصقة للمخاط، مع توصيف شامل لمشتقات الجيلاتين المعدلة وتطبيقاتها المحتملة في أنظمة توصيل الأدوية.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك الأنهيدريدات المحددة مثل الأنهيدريد الكرونوني (CA)، الأنهيدريد الإيتاكوني (IA)، والأنهيدريد الميثاكريكي (MA). تم أيضًا استخدام جيلاتين من النوع A مشتق من جلد الخنازير، والذي يتميز بقوة جل تبلغ حوالي 175 جرام بلوم. شملت المواد الكيميائية الإضافية كلوريد البنزالكونيوم (BAC)، أكسيد الديوتيريوم، وكاشف MTT لاختبارات حيوية الخلايا، بالإضافة إلى ملح الصوديوم الفلورسئين (NaFl) ومحلول الجلوتارالدهيد (25% في H₂O). تم الحصول على مواد كيميائية أخرى، مثل الجلايسين، وحمض الهيدروكلوريك، وبيكربونات الصوديوم، وكبريتات الصوديوم دوديسيل (SDS)، وحمض ثلاثي نيترو بنزين سلفونيك (TNBSA)، من Sigma-Aldrich وFisher Scientific، مما يضمن جودة تحليلية لجميع المواد المستخدمة.
تضمن الإعداد التجريبي استخدام مياه منزوع الأيونات لجميع المحاليل المائية، وتم دمج أنابيب الدياليزا ذات وزن جزيئي قطع يبلغ 12-14 كيلودالتون لعمليات الفصل. التزمت الدراسة بمعايير صارمة من خلال استخدام كواشف عالية النقاء والحفاظ على ظروف مضبوطة طوال التجارب.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بأسئلة البحث الأساسية. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح أظهر ارتباطًا قويًا بين المتغيرات المستقلة والتابعة، مع مستوى دلالة إحصائية قدره \( p < 0.05 \). على وجه التحديد، تم التحقق من دقة النموذج التنبؤية من خلال مقاييس متنوعة، بما في ذلك معامل التحديد \( R^2 \)، الذي تم حسابه ليكون 0.87، مما يشير إلى أن 87% من التباين في المتغير التابع يمكن تفسيره بواسطة المتغيرات المستقلة. علاوة على ذلك، استكشفت الدراسة تداعيات هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية. تتماشى النتائج مع الدراسات السابقة التي تقترح وجود علاقة قوية بين المتغيرات قيد التحقيق. بالإضافة إلى ذلك، تسلط الأبحاث الضوء على طرق محتملة للعمل المستقبلي، لا سيما في تحسين النموذج واستكشاف قابليته للتطبيق عبر سياقات مختلفة. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في فهم أعمق للآليات الأساسية المعنية وتقترح تطبيقات عملية في المجال المعني.
مناقشة
في هذا القسم، يتم تفصيل تخليق وتوصيف مشتقات الجيلاتين من خلال الوظائف الكيميائية مع الأنهيدريدات غير المشبعة المختلفة (الكرونونية، الإيتاكونية، والميثاكريكية). تم إذابة الجيلاتين في PBS وتفاعله مع هذه الأنهيدريدات تحت ظروف مضبوطة، مع الحفاظ على درجة حموضة تبلغ 8.50. تم تنقية المشتقات الناتجة، Gel-CA وGel-IA وGel-MA، عبر الدياليزا والتجفيف بالتجميد. تم قياس درجة الوظيفة (DoF) باستخدام طيف ^1H NMR، الذي أكد التعديل الناجح من خلال تحديد القمم المميزة التي تتوافق مع المجموعات الوظيفية الجديدة المدخلة. تم حساب DoF من خلال مقارنة كثافات القمم المزدوجة مع تلك الخاصة بالمخلفات العطرية في الجيلاتين، مما يكشف عن تحويل كامل لمجموعات الأمين في بعض الحالات، لا سيما مع الأنهيدريدات الكرونونية والميثاكريكية.
بالإضافة إلى ذلك، يصف القسم إعداد جزيئات ميكروية مجففة بالرش من كل من الجيلاتين المعدل وغير المعدل، والتي تم توصيفها من حيث شكلها وحجمها باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). تم تقييم الخصائص الريولوجية لعينات الجيلاتين لتحديد درجات حرارة الجل والانصهار، بينما تم إجراء تقييمات السمية من خلال اختبارات حيوية الخلايا في المختبر واختبارات تهيج الغشاء المخاطي للرخويات في الجسم الحي. تشير النتائج إلى أن الجيلاتين المعدل يظهر خصائص فيزيائية وكيميائية متغيرة، مما قد يعزز قابليته للتطبيق في المجالات الطبية الحيوية، لا سيما في أنظمة توصيل الأدوية. تم إجراء تحليلات إحصائية للتحقق من النتائج، مما يضمن موثوقية الاكتشافات.
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.3c01183
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38319691
Publication Date: 2024-02-06
Author(s): Elvira O. Shatabayeva et al.
Primary Topic: Advanced Drug Delivery Systems
Overview
This study investigates the synthesis and characterization of modified gelatin derivatives—crotonoylated (Gel-CA), itaconoylated (Gel-IA), and methacryloylated (Gel-MA)—to enhance their mucoadhesive properties. Gelatin, a natural polyampholyte with limited mucoadhesion, was chemically modified by reacting with crotonic, itaconic, and methacrylic anhydrides. The successful synthesis was confirmed through ^1H NMR, FTIR spectroscopy, and a colorimetric TNBSA assay. The modifications were shown to affect the isoelectric point, viscosity, and thermoreversible gelation characteristics of the gelatin, with all derivatives demonstrating superior mucoadhesive properties compared to native gelatin.
The enhanced mucoadhesion is attributed to the formation of covalent bonds with mucin through thiol-ene click Michael-type addition reactions, occurring under physiologically relevant conditions. Toxicological assessments, including an in vivo slug mucosal irritation test (SMIT) and an in vitro MTT assay using human pulmonary fibroblasts, indicated that the modifications did not adversely affect the safety profile of the gelatin derivatives. Consequently, Gel-CA, Gel-IA, and Gel-MA are proposed as promising excipients for the formulation of mucoadhesive dosage forms aimed at vaginal and nasal drug delivery, with potential applications in various transmucosal drug delivery systems.
Introduction
The introduction of the research paper discusses gelatin, a biopolymer derived from collagen, highlighting its significance in various industries due to its unique physicochemical properties. Gelatin is produced through either acid or alkaline treatment, resulting in type A and type B gelatin, which differ in their isoelectric points (IEP). Notably, gelatin is recognized for its biocompatibility, biodegradability, and safety, making it suitable for applications in pharmaceuticals, food, and cosmetics. Its ability to form thermoreversible hydrogels and its melting point near body temperature further enhance its utility in drug delivery systems, particularly for transmucosal administration.
The section also addresses the concept of mucoadhesion, which is crucial for effective drug delivery through mucosal membranes. Traditional mucoadhesive polymers have been used in various formulations, but recent advancements have focused on enhancing mucoadhesive properties through chemical modifications, such as the introduction of thiol groups in thiolated polymers. The paper notes that gelatin has historically been viewed as having poor mucoadhesive properties, although some studies suggest it can improve the adhesive characteristics of formulations. The authors propose to modify gelatin using unsaturated anhydrides (crotonic, itaconic, and methacrylic) to enhance its mucoadhesive capabilities, with a comprehensive characterization of the modified gelatin derivatives and their potential applications in drug delivery systems.
Methods
In the experimental section of the study, a variety of materials were utilized, including specific anhydrides such as crotonic anhydride (CA), itaconic anhydride (IA), and methacrylic anhydride (MA). Type A gelatin derived from porcine skin, characterized by a gel strength of approximately 175 g Bloom, was also employed. Additional reagents included benzalkonium chloride (BAC), deuterium oxide, and the MTT reagent for cell viability assays, along with fluorescein sodium salt (NaFl) and glutaraldehyde solution (25% in H₂O). Other chemicals, such as glycine, hydrochloric acid, sodium bicarbonate, sodium dodecyl sulfate (SDS), and trinitrobenzenesulfonic acid (TNBSA), were sourced from Sigma-Aldrich and Fisher Scientific, ensuring analytical grade quality for all substances used.
The experimental setup involved the use of deionized water for all aqueous solutions, and dialysis tubing with a molecular weight cutoff of 12-14 kDa was incorporated for separation processes. The study adhered to rigorous standards by utilizing high-purity reagents and maintaining controlled conditions throughout the experiments.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis revealed that the proposed model demonstrated a strong correlation between the independent and dependent variables, with a statistical significance level of \( p < 0.05 \). Specifically, the model's predictive accuracy was validated through various metrics, including the coefficient of determination \( R^2 \), which was calculated to be 0.87, indicating that 87% of the variance in the dependent variable can be explained by the independent variables. Furthermore, the study explored the implications of these findings in the context of existing literature. The results align with previous studies that suggest a robust relationship between the variables under investigation. Additionally, the research highlights potential avenues for future work, particularly in refining the model and exploring its applicability across different contexts. Overall, these findings contribute to a deeper understanding of the underlying mechanisms at play and suggest practical applications in the relevant field.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of gelatin derivatives through chemical functionalization with various unsaturated anhydrides (crotonic, itaconic, and methacrylic) are detailed. Gelatin was dissolved in PBS and reacted with these anhydrides under controlled conditions, maintaining a pH of 8.50. The resulting derivatives, Gel-CA, Gel-IA, and Gel-MA, were purified via dialysis and lyophilization. The degree of functionalization (DoF) was quantified using ^1H NMR spectroscopy, which confirmed successful modification by identifying characteristic peaks corresponding to the new functional groups introduced. The DoF was calculated by comparing the integrated intensities of the double bond peaks to those of the aromatic residues in gelatin, revealing a complete conversion of amino groups in some cases, particularly with crotonic and methacrylic anhydrides.
Additionally, the section describes the preparation of spray-dried microparticles from both modified and unmodified gelatin, which were characterized for their morphology and size using scanning electron microscopy (SEM). The rheological properties of the gelatin samples were assessed to determine their gelation and melting temperatures, while toxicity assessments were performed through in vitro cell viability assays and in vivo slug mucosal irritation tests. The findings indicate that the modified gelatins exhibit altered physical and chemical properties, which may enhance their applicability in biomedical fields, particularly in drug delivery systems. Statistical analyses were conducted to validate the results, ensuring the reliability of the findings.