DOI: https://doi.org/10.3390/biomedicines12020287
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38397889
تاريخ النشر: 2024-01-26
المؤلف: Fadime Canbolat وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة توصيل الأدوية المتقدمة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تطوير جزيئات النانو من الكيتوزان (NPs) المحملة بالكيرسيتين (Que) وحمض الفالبرويك (VPA) لتعزيز التأثيرات المضادة للأكسدة والحماية من الإجهاد التأكسدي في خطوط خلايا الأورام العصبية البشرية SH-SY5Y. تُظهر الأبحاث أن جزيئات النانو من الكيتوزان يمكن أن تحافظ بفعالية على حيوية الخلايا ضد الأضرار الناتجة عن H₂O₂، مع كون التركيبات الأكثر حماية هي 96 ميكروغرام/مل من جزيئات النانو المحملة بـ Que و2 ميكروغرام/مل من جزيئات النانو المحملة بـ VPA. تشير النتائج إلى أن النشاط المضاد للأكسدة للكيتوزان مرتبط بشكل أساسي بقدرته على تقليل الإجهاد التأكسدي داخل الخلايا بدلاً من القضاء مباشرة على الجذور الحرة.
تخلص الدراسة إلى أن التخليق الناجح لجزيئات النانو المحملة بالأدوية، والتي تتميز بتوزيع موحد للأدوية، يقدم إمكانيات كبيرة للإدارة الأنفية في علاج أمراض الجهاز العصبي المركزي. ومن الجدير بالذكر أن الجمع بين Que وVPA في جزيئات النانو قد يوفر تأثيرات وقائية تآزرية، حيث قد يساعد الإفراج المبكر عن Que في التخفيف من سمية VPA المعتمدة على الجرعة. تسلط هذه الرؤى الضوء على وعد استخدام جزيئات النانو المحملة بأدوية فردية وثنائية كعوامل علاجية لتخفيف الإجهاد التأكسدي في الحالات التنكسية العصبية، مما يمهد الطريق لدراسات مستقبلية في المختبر وفي الجسم الحي.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التطبيقات العلاجية والتحديات المرتبطة بحمض الفالبرويك (VPA)، وهو دواء يُستخدم عادةً لعلاج حالات مثل الصداع النصفي، الاضطراب ثنائي القطب، الصرع، والألم العصبي. بينما يكون VPA فعالاً عند تركيزات بلازما علاجية تتراوح بين 50-100 ميكروغرام/مل، فإن ارتباطه العالي بالألبومين (حوالي 95%) يمكن أن يؤدي إلى زيادة مستويات VPA الحرة، والتي تكون مسؤولة عن كل من تأثيراته الدوائية وسميته المحتملة. قد تنشأ آثار جانبية خطيرة، بما في ذلك سمية الكبد والتهاب البنكرياس، من الجرعات العالية من VPA، حيث يُعتبر الإجهاد التأكسدي مساهمًا كبيرًا في هذه الآثار الضارة. تم تحديد الكيرسيتين (Que) كمادة واقية محتملة ضد سمية VPA، لكن فعاليتها محدودة بسبب الأيض السريع وانخفاض التوافر البيولوجي.
لمعالجة هذه القيود، تقترح الورقة تطوير تركيبات جزيئات النانو (NP) لتعزيز توصيل الدواء والتوافر البيولوجي. يمكن أن تحسن جزيئات النانو من امتصاص وتوزيع الأدوية، وتقليل الأيض الأولي، وتمكين الإفراج المنضبط، مما يقلل من الآثار الجانبية ويعزز الفعالية العلاجية. تركز الدراسة بشكل خاص على جزيئات النانو المستندة إلى الكيتوزان، والتي تتسم بالتوافق الحيوي وتمتلك خصائص ملائمة لتوصيل الأدوية، بما في ذلك القدرة على تعزيز الامتصاص المخاطي وتوفير النشاط المضاد للأكسدة. تهدف الأبحاث إلى تخليق وتوصيف جزيئات النانو من الكيتوزان المحملة إما بـ Que أو VPA أو كليهما، وتقييم أنشطتها المضادة للأكسدة وسميتها في خطوط خلايا الأورام العصبية البشرية SH-SY5Y، ساعية في النهاية إلى التخفيف من الإجهاد التأكسدي المرتبط بعلاج VPA.
طرق
توضح قسم “المواد والطرق” التصميم التجريبي والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يتفصل في اختيار المواد، بما في ذلك الكواشف والمعدات المحددة المستخدمة، بالإضافة إلى البروتوكولات المتبعة لضمان قابلية التكرار ودقة النتائج. تشمل المنهجية كلاً من الأساليب النوعية والكمية، مع تسليط الضوء على أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها للتحقق من النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم تقنيات أخذ العينات، والضوابط التجريبية، وأي اعتبارات أخلاقية ذات صلة تم أخذها في الاعتبار خلال البحث. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتقديم نظرة شاملة على التقنيات والعمليات التي تدعم استنتاجات الدراسة، مما يضمن إمكانية تقييم البحث بشكل نقدي وتكراره من قبل باحثين آخرين في هذا المجال.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة حول جزيئات النانو (NPs) التي تم تخليقها عبر طريقة التداخل الأيوني عن خصائص شكلية مميزة وملفات استقرار. تشير صور المجهر الإلكتروني الماسح (FE-SEM) والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM) إلى أن NP1 وNP3 كروية، بينما تظهر NP2 وNP4 هيكلًا شريطيًا. تظهر أحجام الجسيمات المتوسطة وقيم الجهد الساكن، كما هو ملخص في الجدول 1، أن NP1 لها حجم 153.6 ± 12.81 نانومتر وجهد ساكن قدره 16.6 ± 4.12 مللي فولت، بينما NP2 وNP3 وNP4 لها أحجام 180.5 ± 8.23 نانومتر، 93.2 ± 7.25 نانومتر، و198.7 ± 9.13 نانومتر مع قيم جهد ساكن متCorresponding 15.1 ± 3.42 مللي فولت، 8.89 ± 3.82 مللي فولت، و27.2 ± 3.67 مللي فولت، على التوالي. من الجدير بالذكر أن NP3 تظهر استقرارًا أقل مقارنةً بالآخرين.
تتجاوز كفاءة التضمين للكيرسيتين (Que) وحمض الفالبرويك (VPA) في جزيئات النانو 95%، مع سعات تحميل دوائية تبلغ حوالي 62.22% لـ Que في NP2 و39.16% في NP4، بينما يكون تحميل VPA في NP3 وNP4 حوالي 37.71% و25.75%، على التوالي. معدل تحميل الدواء الثنائي في NP4 حوالي 64.91%. تؤكد طيفيات الأشعة تحت الحمراء (FT-IR) على الدمج الناجح للأدوية في مصفوفة الكيتوزان، مع قمم مميزة تتوافق مع المجموعات الوظيفية لـ Que وVPA. بالإضافة إلى ذلك، تشير ملفات الإفراج إلى إفراج سريع عن Que خلال الساعات العشر الأولى، بينما يظهر VPA إفراجًا مفاجئًا يبدأ في الساعة الثلاثين في NP4 وفي الساعة الخمسين في NP3، مما يشير إلى حركيات إفراج مختلفة بناءً على تركيبة NP.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق جزيئات النانو من الكيتوزان (NPs) وتوصيفها من حيث قدرتها على توصيل الكيرسيتين (Que) وحمض الفالبرويك (VPA) مع إظهار خصائص مضادة للأكسدة. شمل التخليق إذابة الكيتوزان وفوسفات الصوديوم ثلاثي (STPP) في محاليل حمضية، تليها التداخل الأيوني وإضافة Que أو VPA. تضمنت تقنيات التوصيف مجهر المسح الإلكتروني الميداني (FE-SEM)، والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، وتحليل الجهد الساكن، وطيف الأشعة تحت الحمراء (FT-IR). تم تحديد كفاءة التضمين وسعة التحميل لجزيئات النانو باستخدام مطيافية UV-Vis، وتم تقييم حركيات الإفراج في محلول ملحي مخفف بالفوسفات (PBS).
تم تقييم النشاط المضاد للأكسدة لجزيئات النانو باستخدام اختبارات قضاء الجذور الحرة DPPH وABTS، مما يكشف أن جزيئات النانو المحملة بـ Que (NP2 وNP4) أظهرت نشاطًا مضادًا للأكسدة كبيرًا، مقارنةً أو متجاوزةً لذلك من مضاد الأكسدة القياسي هيدروكسي التولوين البوتيلي (BHT). في المقابل، أظهرت جزيئات النانو الفارغة (NP1) وجزيئات النانو المحملة بـ VPA (NP3) فعالية مضادة للأكسدة أقل. أظهرت اختبارات السمية على خلايا الأورام العصبية SH-SY5Y أنه بينما أظهرت NP4 بعض التأثيرات السامة عند تركيزات عالية، لم تؤثر التركيبات الأخرى سلبًا على حيوية الخلايا. من الجدير بالذكر أن المعالجة المسبقة بجزيئات النانو قبل التعرض لبيروكسيد الهيدروجين عززت حيوية الخلايا، مما يشير إلى تأثير وقائي مضاد للأكسدة ضد الإجهاد التأكسدي. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات جزيئات النانو المستندة إلى الكيتوزان كحاملات فعالة لـ Que وVPA مع خصائص مضادة للأكسدة مفيدة للتطبيقات العصبية الواقية.
DOI: https://doi.org/10.3390/biomedicines12020287
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38397889
Publication Date: 2024-01-26
Author(s): Fadime Canbolat et al.
Primary Topic: Advanced Drug Delivery Systems
Overview
This study investigates the development of chitosan nanoparticles (NPs) loaded with quercetin (Que) and valproic acid (VPA) to enhance antioxidant effects and protect against oxidative stress in human neuroblastoma SH-SY5Y cell lines. The research demonstrates that chitosan NPs can effectively sustain cell viability against H₂O₂-induced damage, with the most protective formulations being 96 µg/mL Que-loaded NPs and 2 µg/mL VPA-loaded NPs. The findings suggest that the antioxidant activity of chitosan is primarily linked to its ability to reduce intracellular oxidative stress rather than directly scavenging free radicals.
The study concludes that the successful synthesis of drug-loaded chitosan NPs, characterized by a uniform distribution of drugs, presents significant potential for intranasal administration in treating central nervous system diseases. Notably, the combination of Que and VPA in NPs may offer synergistic protective effects, with the early release of Que potentially mitigating the dose-dependent toxicity of VPA. These insights highlight the promise of using optimized single and dual drug-loaded NPs as therapeutic agents to alleviate oxidative stress in neurodegenerative conditions, paving the way for future in vitro and in vivo studies.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the therapeutic applications and challenges associated with valproic acid (VPA), a medication commonly used for conditions such as migraine, bipolar disorder, epilepsy, and neuropathic pain. While VPA is effective at therapeutic plasma concentrations of 50-100 µg/mL, its high binding affinity to albumin (approximately 95%) can lead to increased levels of free VPA, which are responsible for both its pharmacological effects and potential toxicity. Serious side effects, including hepatotoxicity and pancreatitis, may arise from high doses of VPA, with oxidative stress being a significant contributor to these adverse effects. The antioxidant quercetin (Que) has been identified as a potential protective agent against VPA-induced toxicity, but its efficacy is limited by rapid metabolism and low bioavailability.
To address these limitations, the paper proposes the development of nanoparticle (NP) formulations to enhance drug delivery and bioavailability. NPs can improve the absorption and distribution of drugs, reduce first-pass metabolism, and enable controlled release, thereby minimizing side effects and enhancing therapeutic efficacy. The study specifically focuses on chitosan-based NPs, which are biocompatible and possess favorable properties for drug delivery, including the ability to enhance mucosal absorption and provide antioxidant activity. The research aims to synthesize and characterize chitosan NPs loaded with either Que, VPA, or both, and to evaluate their antioxidant activities and cytotoxicity in human neuroblastoma SH-SY5Y cell lines, ultimately seeking to mitigate the oxidative stress associated with VPA treatment.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the selection of materials, including specific reagents and equipment used, as well as the protocols followed to ensure reproducibility and accuracy of results. The methodology encompasses both qualitative and quantitative approaches, highlighting any statistical analyses performed to validate findings.
Additionally, the section may describe the sampling techniques, experimental controls, and any relevant ethical considerations taken into account during the research. Overall, this section serves to provide a comprehensive overview of the techniques and processes that underpin the study’s conclusions, ensuring that the research can be critically evaluated and replicated by other scholars in the field.
Results
The results of the study on nanoparticles (NPs) synthesized via the ionic chelation method reveal distinct morphological characteristics and stability profiles. Scanning electron microscopy (FE-SEM) and transmission electron microscopy (TEM) images indicate that NP1 and NP3 are spherical, while NP2 and NP4 exhibit a strip-like structure. The mean particle sizes and zeta potential values, as summarized in Table 1, show that NP1 has a size of 153.6 ± 12.81 nm and a zeta potential of 16.6 ± 4.12 mV, whereas NP2, NP3, and NP4 have sizes of 180.5 ± 8.23 nm, 93.2 ± 7.25 nm, and 198.7 ± 9.13 nm with corresponding zeta potentials of 15.1 ± 3.42 mV, 8.89 ± 3.82 mV, and 27.2 ± 3.67 mV, respectively. Notably, NP3 shows lower stability compared to the others.
The encapsulation efficiency for quercetin (Que) and valproic acid (VPA) in the NPs exceeds 95%, with drug-loading capacities of approximately 62.22% for Que in NP2 and 39.16% in NP4, while VPA loading in NP3 and NP4 is around 37.71% and 25.75%, respectively. The dual-drug-loading rate in NP4 is approximately 64.91%. The Fourier-transform infrared (FT-IR) spectra confirm the successful incorporation of the drugs into the chitosan matrix, with characteristic peaks corresponding to the functional groups of Que and VPA. Additionally, the release profiles indicate a rapid release of Que within the first 10 hours, while VPA exhibits a burst release starting at the 30th hour in NP4 and the 50th hour in NP3, suggesting differential release kinetics based on the NP formulation.
Discussion
In this study, chitosan nanoparticles (NPs) were synthesized and characterized for their potential to deliver quercetin (Que) and valproic acid (VPA) while exhibiting antioxidant properties. The synthesis involved dissolving chitosan and sodium tripolyphosphate (STPP) in acidic solutions, followed by ionic chelation and the addition of Que or VPA. Characterization techniques included Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), zeta potential analysis, and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR). The encapsulation efficiency and loading capacity of the nanoparticles were determined using UV-Vis spectrometry, and in vitro release kinetics were evaluated in phosphate-buffered saline (PBS).
The antioxidant activity of the NPs was assessed using DPPH and ABTS radical scavenging assays, revealing that Que-loaded NPs (NP2 and NP4) exhibited significant antioxidant activity, comparable to or exceeding that of the standard antioxidant butylated hydroxytoluene (BHT). In contrast, blank NPs (NP1) and VPA-loaded NPs (NP3) demonstrated lower antioxidant efficacy. Cytotoxicity tests on SH-SY5Y neuroblastoma cells indicated that while NP4 showed some cytotoxic effects at high concentrations, the other formulations did not adversely affect cell viability. Notably, pretreatment with NPs prior to hydrogen peroxide exposure enhanced cell viability, suggesting a protective antioxidant effect against oxidative stress. Overall, the study highlights the potential of chitosan-based NPs as effective carriers for Que and VPA with antioxidant properties beneficial for neuroprotective applications.