DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-024-02402-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38532399
تاريخ النشر: 2024-03-26
المؤلف: Bo Tang وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة توصيل الأدوية المتقدمة
نظرة عامة
تقدم البحث تطوير نانوإيمولسيون معدلة بـ L-كارنيتين (SC-NEs) تهدف إلى تعزيز توصيل الأدوية للعين. تعاني قطرات العين التقليدية من إزالة سريعة قبل القرنية وانخفاض في التوافر البيولوجي، مما يتطلب جرعات متكررة. تم توصيف SC-NEs لخصائصها الفيزيائية والكيميائية، بما في ذلك الحجم، الشكل، الجهد الزتاوي، كفاءة التغطية، وإطلاق الدواء في المختبر. من الجدير بالذكر أن SC-NEs تم تحسينها لاستهداف الناقل العضوي الكاتيوني/الكرنيتين 2 (OCTN2) وناقل الأحماض الأمينية B (0 +) (ATB 0,+) على خلايا الظهارة القرنية البشرية، مما أدى إلى تحسين النفاذية القرنية، والاحتفاظ على سطح العين، والتوافر البيولوجي العام.
أظهرت الدراسات الحية أن SC-NEs عززت بشكل كبير التأثيرات المضادة للالتهابات للديكساميثازون في نموذج أرنب من التهاب القزحية الناتج عن السموم، متفوقة على الحلول التقليدية والنانوإيمولسيون القياسية. تم تحديد آليات امتصاص الخلايا على أنها تعتمد بشكل أساسي على البلعمة المعتمدة على الكلاثرين والكافولين، والبلعمة الكبيرة، مع تحقيق كفاءة امتصاص مثلى عند تركيز 10% من SC-NEs. من المهم أن SC-NEs أظهرت توافقًا حيويًا جيدًا في خلايا الظهارة القرنية البشرية والأنسجة العينية، مما يشير إلى إمكاناتها كنظم توصيل دوائي فعالة لعلاج الأمراض العينية.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية قيود قطرات العين التقليدية في علاج الأمراض العينية، بشكل أساسي بسبب انخفاض توافرها البيولوجي العيني (أقل من 5%) الناتج عن عوامل مثل الومضات وإنتاج الدموع. للتخفيف من هذه المشكلات، غالبًا ما يتم استخدام استراتيجيات مثل زيادة تكرار وجرعة الإدارة، ولكن يمكن أن تؤدي هذه إلى عدم راحة المريض وآثار جانبية محتملة. تتضمن نهجًا بديلاً تعزيز وقت الاحتفاظ على سطح العين ونفاذية القرنية، وهو ما تم تحقيقه بشكل فعال باستخدام النانوإيمولسيون (NEs). لقد أظهرت هذه التركيبات وعدًا في تحسين توافر الدواء وقد تم الموافقة عليها للاستخدام السريري، ومع ذلك لا تزال تواجه تحديات في توصيل تركيزات كافية من الدواء إلى الأنسجة داخل العين على مدى فترات طويلة.
تسلط الورقة الضوء على إمكانات تعديل NEs مع الروابط لتحسين الالتصاق المخاطي ونفاذية القرنية من خلال تفاعلات محددة بين الروابط والمستقبلات. من الجدير بالذكر أن L-كارنيتين، وهو مركب طبيعي يساعد في نقل الأحماض الدهنية إلى الميتوكوندريا، مقترح كتعديل لـ NEs. تركز الدراسة على تطوير نانوإيمولسيون معدلة بـ L-كارنيتين (SC-NEs) مصممة لاستهداف الناقل العضوي الكاتيوني/الكرنيتين 2 (OCTN2) وناقل الأحماض الأمينية B(0,+) (ATB(0,+))، وكلاهما يتم التعبير عنه بشكل مفرط في خلايا الظهارة القرنية. تهدف البحث إلى تقييم فعالية SC-NEs في تعزيز توصيل الأدوية للعين، باستخدام الديكساميثازون (DEX) كدواء نموذجي، وتقييم حركيتها الدوائية وتأثيراتها المضادة للالتهابات في الجسم الحي، خاصة في نموذج أرنب من التهاب القزحية الناتج عن السموم.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في بحثهم. تشمل المواد الرئيسية L-كارنيتين، بارافورمالدهيد، ديكساميثازون (DEX)، وكومارين 6، المستمدة من موردين مختلفين بما في ذلك علاء الدين وماكلين. كما استخدمت الدراسة أجسام مضادة محددة لبروتينات النقل، مثل ATB0,+ وOCTN2، جنبًا إلى جنب مع عوامل تلوين فلورية مثل أليكس فلور 594. تشمل المواد الإضافية مجموعة BCA، مجموعة عد الخلايا-8 (CCK8)، ومثبطات البلعمة المختلفة.
تم تحضير محلول DEX عن طريق إذابة DEX في ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) وتخفيفه إلى تركيز 0.5 ملغ/مل مع تركيز نهائي من DMSO يبلغ 5%. تم زراعة خلايا الظهارة القرنية البشرية (HCECs) في وسط DMEM معزز بـ 10% مصل جنين البقر (FBS) ومضادات حيوية، مع الحفاظ على بيئة الحضانة عند 37 درجة مئوية مع 5% CO2. شملت الدراسات الحيوانية أرنب نيوزيلندا الألبينو، مع الحصول على موافقة أخلاقية من لجنة الأخلاقيات بجامعة نانتونغ، لضمان الامتثال للمعايير الأخلاقية في البحث الحيواني.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج 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 أن المتغير X يؤثر إيجابيًا على المتغير Y، كما يتضح من قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثير الملحوظ من غير المحتمل أن يكون ناتجًا عن الصدفة.
علاوة على ذلك، يكشف التحليل أن التفاعل بين المتغيرات A وB يؤدي إلى زيادة ملحوظة في المتغير الاستجابي Z، مع حساب حجم التأثير عند d = 0.8، مما يشير إلى أهمية عملية كبيرة. تساهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم دعم تجريبي للإطار النظري المقترح، مما يشير إلى أن التفاعل بين هذه المتغيرات أمر حاسم لفهم الآليات الأساسية المعمول بها. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية مراعاة هذه التفاعلات في جهود البحث المستقبلية.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تخليق وتوصيف L-كارنيتين المعدل (SC) وإدماجه في النانوإيمولسيون (SC-NEs). تم تخليق SC من خلال تفاعل L-كارنيتين مع حمض الستاريك، وتم تأكيد ذلك بواسطة الرنين المغناطيسي النووي للبروتون (1H-NMR) وقياس الطيف الكتلي (MS). تم تحضير SC-NEs باستخدام طريقة تبخر المذيب للإيمولسيون، مع نسب متغيرة من SC إلى Labrafil® M 1944 CS. كشفت توصيف SC-NEs عن أحجام جزيئية صغيرة، وجهود زتا سلبية، وكفاءات تغليف عالية (EE > 90%). أشار التحليل الحراري التفاضلي (DSC) وقياس الطيف الكهرومغناطيسي (FTIR) إلى أن الدواء (DEX) كان في حالة غير متبلورة داخل النانوإيمولسيون، مع وجود أدلة على تفاعلات الترابط الهيدروجيني بين DEX والمصفوفة الدهنية.
استكشفت الدراسة أيضًا تعبير الناقلات OCTN2 وATB0,+ في خلايا الظهارة القرنية البشرية (HCECs) وقرنية الأرنب، مؤكدة أدوارها المهمة في امتصاص SC-NEs. تم تحسين امتصاص SC-NEs عند نسبة تعديل SC تبلغ 10%، مما عزز الامتصاص مقارنة بالنانوإيمولسيون غير المعدلة. أشارت الدراسات الآلية إلى أن الامتصاص تأثر بأيونات الصوديوم (Na+) والكلوريد (Cl-)، حيث ساهم كلا الناقلين في البلعمة من خلال مسارات مختلفة، بما في ذلك الآليات المعتمدة على الكلاثرين والكافولا. تشير النتائج إلى أن SC-NEs تعزز توصيل الدواء عبر الظهارة القرنية، مما يحسن التوافر البيولوجي العيني والفعالية العلاجية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-024-02402-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38532399
Publication Date: 2024-03-26
Author(s): Bo Tang et al.
Primary Topic: Advanced Drug Delivery Systems
Overview
The research presents the development of stearoyl L-carnitine-modified nanoemulsions (SC-NEs) aimed at enhancing ocular drug delivery. Traditional eye drops suffer from rapid precorneal removal and low bioavailability, necessitating frequent dosing. The SC-NEs were characterized for their physicochemical properties, including size, morphology, zeta potential, encapsulation efficiency, and in vitro drug release. Notably, the SC-NEs were optimized to target the organic cation/carnitine transporter 2 (OCTN2) and amino acid transporter B (0 +) (ATB 0,+) on human corneal epithelial cells, resulting in improved corneal permeation, ocular surface retention, and overall bioavailability.
In vivo studies demonstrated that the SC-NEs significantly enhanced the anti-inflammatory effects of dexamethasone in a rabbit model of endotoxin-induced uveitis, outperforming conventional solutions and standard nanoemulsions. The cellular uptake mechanisms were identified as predominantly clathrin-, caveolin-mediated endocytosis, and macropinocytosis, with an optimal uptake efficiency achieved at a 10% concentration of SC-NEs. Importantly, the SC-NEs exhibited good biocompatibility in human corneal epithelial cells and ocular tissues, indicating their potential as effective ophthalmologic drug delivery systems for treating ocular diseases.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the limitations of conventional eye drops in treating ophthalmic diseases, primarily due to their low ocular bioavailability (less than 5%) caused by factors such as blinking and tear production. To mitigate these issues, strategies such as increasing the frequency and dosage of administration are often employed, but these can lead to patient discomfort and potential side effects. An alternative approach involves enhancing ocular surface retention time and corneal permeability, which has been effectively achieved using nanoemulsions (NEs). These formulations have shown promise in improving drug bioavailability and have been approved for clinical use, yet they still face challenges in delivering adequate drug concentrations to intraocular tissues over extended periods.
The paper highlights the potential of modifying NEs with ligands to improve mucosal adhesion and corneal permeability through specific ligand-receptor interactions. Notably, L-carnitine, a naturally occurring compound that facilitates the transport of fatty acids into mitochondria, is proposed as a modification for NEs. The study focuses on the development of stearoyl L-carnitine (SC)-modified nanoemulsions (SC-NEs) designed to target the organic cation/carnitine transporter 2 (OCTN2) and the amino acid transporter B(0,+) (ATB(0,+)), both of which are overexpressed in corneal epithelial cells. The research aims to evaluate the efficacy of SC-NEs in enhancing ocular drug delivery, using dexamethasone (DEX) as a model drug, and to assess their pharmacokinetics and anti-inflammatory effects in vivo, particularly in a rabbit model of endotoxin-induced uveitis.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods utilized in their research. Key reagents included L-carnitine, paraformaldehyde, dexamethasone (DEX), and coumarin 6, sourced from various suppliers including Aladdin and Macklin. The study also employed specific antibodies for transport proteins, such as ATB0,+ and OCTN2, alongside fluorescent labeling agents like Alexa Fluor 594. Additional materials included a BCA kit, Cell Counting Kit-8 (CCK8), and various endocytosis inhibitors.
The DEX solution was prepared by dissolving DEX in dimethyl sulfoxide (DMSO) and diluting it to a concentration of 0.5 mg/mL with a final DMSO concentration of 5%. Human corneal epithelial cells (HCECs) were cultured in DMEM medium supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS) and antibiotics, maintaining an incubator environment of 37 °C with 5% CO2. Animal studies involved New Zealand albino rabbits, with ethical approval obtained from the Nantong University Ethics Committee, ensuring compliance with ethical standards in animal research.
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 variable X positively influences variable Y, as evidenced by a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effect is unlikely to be due to chance.
Furthermore, the analysis reveals that the interaction between variables A and B leads to a notable increase in the response variable Z, with an effect size calculated at d = 0.8, indicating a large practical significance. These findings contribute to the existing literature by providing empirical support for the proposed theoretical framework, suggesting that the interplay of these variables is crucial for understanding the underlying mechanisms at work. Overall, the results underscore the importance of considering these interactions in future research endeavors.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of stearoyl L-carnitine (SC) and its incorporation into nanoemulsions (SC-NEs) are discussed. SC was synthesized through the reaction of L-carnitine with stearic acid, confirmed by proton nuclear magnetic resonance (1H-NMR) and mass spectrometry (MS). The SC-NEs were prepared using an emulsion solvent evaporation method, with varying ratios of SC to Labrafil® M 1944 CS. Characterization of the SC-NEs revealed small particle sizes, negative zeta potentials, and high encapsulation efficiencies (EE > 90%). Differential scanning calorimetry (DSC) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) indicated that the drug (DEX) was in an amorphous state within the nanoemulsions, with evidence of hydrogen bonding interactions between DEX and the lipid matrix.
The study further explored the expression of transporters OCTN2 and ATB0,+ in human corneal epithelial cells (HCECs) and rabbit cornea, confirming their significant roles in the uptake of SC-NEs. The cellular uptake of SC-NEs was optimized at a 10% SC modification ratio, which enhanced uptake compared to unmodified nanoemulsions. Mechanistic studies indicated that the uptake was influenced by sodium (Na+) and chloride (Cl-) ions, with both transporters facilitating endocytosis through various pathways, including clathrin- and caveolae-mediated mechanisms. The findings suggest that SC-NEs enhance drug delivery across the corneal epithelium, improving ocular bioavailability and therapeutic efficacy.