DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-71615-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39277667
تاريخ النشر: 2024-09-14
المؤلف: Rajaram Rajamohan وآخرون
الموضوع الرئيسي: ذوبانية الأدوية وأنظمة التوصيل
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تشكيل مجمعات الإدماج (ICs) بين الكيتوبروفين (KTP)، وهو دواء غير ستيرويدي مضاد للالتهابات (NSAID)، والميثيل-بيتا-سيكلوديكسترين (MCD) لتحسين قابلية الذوبان وخصائصه المضادة للالتهابات (AI). تؤكد الدراسة نسبة ستيوكيومترية 1:1 من KTP إلى MCD من خلال تغييرات في الامتصاص وشدة الفلورية. تشير دراسات قابلية الذوبان في الطور إلى أن تشكيل ICs يعزز بشكل كبير معدلات الذوبان لـ KTP. تكشف تقنيات التوصيف مثل FT-IR وNMR وFE-SEM وTG/DTA عن تغييرات كيميائية وشكلية ملحوظة في IC مقارنة بـ KTP الحر، حيث يظهر IC أنشطة AI وAA متفوقة.
تسلط الاستنتاجات الضوء على التخليق الناجح والتوصيف لمجمع KTP-MCD، مع طاقة معقدة مواتية للتوجه 1 ($\Delta E = -39.2821 \text{ kcal/mol}$) مقارنة بالتوجه 2 ($\Delta E = -29.6184 \text{ kcal/mol}$). تشير اختبارات السمية إلى أن IC لا يضر بخطوط خلايا HaCaT الطبيعية، بينما تشير الدراسات الأولية في المختبر إلى أن IC يعزز أنشطة AI وAA لـ KTP من خلال حمايته من ت denaturation البروتين وتعزيز إطلاقه. تقدم هذه الطريقة في تحسين تشكيل IC استراتيجية واعدة لتحسين فعالية NSAIDs الأخرى ذات الذوبان الضعيف في الماء دون التسبب في السمية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والأساليب المستخدمة في بحثهم. تشمل المواد الكيميائية المستخدمة فوسفات التيتانيوم البوتاسيوم (KTP) مع صيغة جزيئية C$_{16}$H$_{14}$O$_{3}$ ووزن جزيئي قدره 254.28، ومشتق الكربوهيدرات الجزيئي الكبير (MCD) مع صيغة جزيئية C$_{54}$H$_{94}$O$_{35}$ ووزن جزيئي تقريبي قدره 1303.311. تم الحصول على كلا المادتين من شركة Sigma-Aldrich Chemical Co. في سيول، كوريا الجنوبية، مع نقاوة 99% و98%، على التوالي. تم استخدام الماء المقطر كالمذيب طوال الإجراءات التجريبية.
بالنسبة للتجارب في المختبر، تم استخدام خلايا الكيراتينوسيت البشرية الخالدة، التي تم الحصول عليها من AddexBio. يتضمن القسم أيضًا تمثيلًا هيكليًا لـ KTP وMCD، كما هو موضح في الشكل 1، على الرغم من أن تفاصيل هذا الشكل غير موصوفة في النص. تؤسس هذه الإطار المنهجي الأساس للتحليل التجريبي اللاحق.
النتائج
تشير نتائج اختبار إطلاق LDH، الذي تم إجراؤه جنبًا إلى جنب مع اختبار MTT، إلى أن المركبات المختبرة، KTP وIC، لا تغير بشكل كبير إطلاق LDH من خلايا HaCat بعد 6 و24 ساعة من العلاج. عادةً ما يشير ارتفاع إطلاق LDH إلى تضرر سلامة غشاء الخلية وسمية عالية؛ ومع ذلك، فإن غياب التغييرات الكبيرة في مستويات LDH يشير إلى أن المركبات تحافظ على سلامة الغشاء وتظهر سمية خلوية ضئيلة. تدعم هذه النتائج الاستنتاج بأن المركبات المختبرة آمنة نسبيًا في النماذج الخلوية، كما يتضح من الحفاظ على سلامة أغشية الخلايا.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث دراسة قابلية الذوبان في الطور وتشكيل مجمعات الإدماج (ICs) بين الكيتوبروفين (KTP) والميثيل-β-سيكلوديكسترين (MCD). أكدت تحليل قابلية الذوبان في الطور نسبة ستيوكيومترية 1:1، مما يشير إلى أن قابلية ذوبان KTP تزداد بشكل كبير عند تكوينه مع MCD. استخدمت الدراسة طيفية UV-Vis لتحليل طيفي الامتصاص والفلورية، كاشفةً أن احتواء KTP داخل تجويف MCD لا يغير سلامته الهيكلية. تم تحديد ثابت الربط (K) باستخدام علاقة بنسي-هيلدبراند، مما يدل على وجود ألفة قوية بين KTP وMCD، مع قيم سلبية للطاقة الحرة لجيبس تشير إلى تكوين تلقائي.
بالإضافة إلى ذلك، أظهر IC معدلات ذوبان محسّنة مقارنة بـ KTP العاري، محققًا قابلية ذوبان شبه كاملة خلال 70 دقيقة. أكدت تقنيات تحليلية متنوعة، بما في ذلك NMR وFT-IR وتحليل الاستقرار الحراري، على النجاح في تشكيل IC وسلطت الضوء على استقراره الحراري المحسن مقارنة بـ KTP بمفرده. أوضحت حسابات DFT أيضًا أوضاع التفاعل داخل IC، مشيرةً إلى طاقات ربط مواتية ووجود روابط هيدروجينية بين KTP وMCD. أظهرت اختبارات السمية الخلوية في المختبر أن IC لم يتسبب في موت خلايا كبير في خطوط الخلايا الطبيعية، مما يشير إلى ملف أمان واعد. علاوة على ذلك، أظهر IC نشاطًا مضادًا للالتهابات معززًا، مما يحمي بشكل فعال من ت denaturation البروتين، مما يشير إلى فوائده العلاجية المحتملة. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية IC KTP:MCD في تحسين القابلية للذوبان، والاستقرار، والنشاط البيولوجي، مما يمهد الطريق لمزيد من الاستكشاف في التطبيقات الصيدلانية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-71615-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39277667
Publication Date: 2024-09-14
Author(s): Rajaram Rajamohan et al.
Primary Topic: Drug Solubulity and Delivery Systems
Overview
This research investigates the formation of inclusion complexes (ICs) between ketoprofen (KTP), a non-steroidal anti-inflammatory drug (NSAID), and methyl-beta-cyclodextrin (MCD) to improve the solubility and anti-inflammatory (AI) properties of KTP. The study confirms a 1:1 stoichiometric ratio of KTP to MCD through absorbance and fluorescence intensity changes. Phase solubility studies indicate that the formation of ICs significantly enhances the dissolution rates of KTP. Characterization techniques such as FT-IR, NMR, FE-SEM, and TG/DTA reveal notable chemical and morphological changes in the IC compared to free KTP, with the IC demonstrating superior AI and anti-arthritic (AA) activities.
The conclusions highlight the successful synthesis and characterization of the KTP-MCD IC, with a favorable complexation energy of orientation 1 ($\Delta E = -39.2821 \text{ kcal/mol}$) compared to orientation 2 ($\Delta E = -29.6184 \text{ kcal/mol}$). Toxicity assays indicate that the IC does not harm normal HaCaT cell lines, while preliminary in-vitro studies suggest that the IC enhances KTP’s AI and AA activities by protecting it from protein denaturation and promoting its release. This approach of optimizing IC formation presents a promising strategy for improving the efficacy of other poorly water-soluble NSAIDs without inducing toxicity.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods employed in their research. The chemicals used include potassium titanyl phosphate (KTP) with a molecular formula of C$_{16}$H$_{14}$O$_{3}$ and a molecular weight of 254.28, and macromolecular carbohydrate derivative (MCD) with a molecular formula of C$_{54}$H$_{94}$O$_{35}$ and an approximate molecular weight of 1303.311. Both substances were sourced from Sigma-Aldrich Chemical Co. in Seoul, South Korea, with purities of 99% and 98%, respectively. Distilled water served as the solvent throughout the experimental procedures.
For the in-vitro experiments, immortalized human keratinocyte cells were utilized, which were obtained from AddexBio. The section also includes a structural representation of KTP and MCD, as illustrated in Figure 1, although the specifics of this figure are not described in the text. This methodological framework establishes the basis for the subsequent experimental analysis.
Results
The results of the LDH release assay, conducted alongside the MTT assay, indicate that the tested compounds, KTP and IC, do not significantly alter LDH release from HaCat cells after 6 and 24 hours of treatment. Elevated LDH release typically indicates compromised cellular membrane integrity and high toxicity; however, the absence of significant changes in LDH levels suggests that the compounds maintain membrane integrity and exhibit minimal cytotoxicity. These findings support the conclusion that the tested compounds are relatively safe in cellular models, as demonstrated by the preserved integrity of the cell membranes.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the phase solubility study and the formation of inclusion complexes (ICs) between ketoprofen (KTP) and methyl-β-cyclodextrin (MCD). The phase solubility analysis confirmed a 1:1 stoichiometric ratio, indicating that the solubility of KTP significantly increases when complexed with MCD. The study employed UV-Vis spectrophotometry to analyze the absorbance and fluorescence spectra, revealing that the encapsulation of KTP within the MCD cavity does not alter its structural integrity. The binding constant (K) was determined using the Benesi-Hildebrand relation, demonstrating a strong affinity between KTP and MCD, with negative Gibbs free energy values indicating spontaneous complexation.
Additionally, the IC exhibited enhanced dissolution rates compared to bare KTP, achieving nearly complete solubility within 70 minutes. Various analytical techniques, including NMR, FT-IR, and thermal stability analysis, confirmed the successful formation of the IC and highlighted its improved thermal stability over KTP alone. The DFT calculations further elucidated the interaction modes within the IC, indicating favorable binding energies and the presence of hydrogen bonding between KTP and MCD. In vitro cytotoxicity assays showed that the IC did not induce significant cell death in normal cell lines, suggesting a promising safety profile. Furthermore, the IC demonstrated enhanced anti-inflammatory activity, effectively protecting against protein denaturation, thereby indicating its potential therapeutic benefits. Overall, the findings underscore the efficacy of the KTP:MCD IC in improving solubility, stability, and biological activity, paving the way for further exploration in pharmaceutical applications.