Index of /oktatas/konyvek/fizkem/Gelek_MSc/hatoanyag-leadas hidrogelekbol_GyarmatiB

(1)

Hatóanyag-leadás hidrogélekből – a

szerkezet, a reszponzív tulajdonságok és a kölcsönhatások szerepe

Gyarmati Benjámin

2020. május 6.

(2)

Méretskálák hidrogélekben

Lizozim: 5 nm IgG: 10 nm Tömb gél

Pórusos gél

Hatóanyag Kötés

Li J, Mooney DJ. Designing hydrogels for controlled drug delivery. Nature Reviews Materials 2016;1:16071.

2/33

(3)

Méretskálák – terápiás célpontok

3/33

(4)

Kioldódási mechanizmusok

Idő

Me sh mére t/hatóa ny ag mére t

Gyors diffúzió

Lassú diffúzió

Immob.

Deformáció

Degradáció

Duzzadás

Mesh Ható- anyag

4/33

(5)

Diffúziókontrollált kioldódás (TetraPEG gélek)

Kum ulat ív kioldódás (%)

Idő

^1/2

(h

^1/2

)

Vermonden T, Censi R, Hennink WE. Hydrogels for Protein Delivery. Chemical Reviews 2012;112:2853-88.

5/33

(6)

Diffúziós tényező meghatározása

Fluorescence photobleaching recovery (FPR)

Idő (s) Idő (h)

Fluoreszcencia int. Kioldódott hatóanyag

Vermonden T, Censi R, Hennink WE. Hydrogels for Protein Delivery. Chemical Reviews 2012;112:2853-88.

6/33

„Kisütés” Visszaalakulás

(7)

(Gél)Degradáció-indukált kioldódás

van de Manakker F, Braeckmans K, Morabit Ne, De Smedt SC, van Nostrum CF, Hennink WE. Protein-Release Behavior of Self-Assembled PEG–β-Cyclodextrin/PEG–Cholesterol Hydrogels. Advanced Functional Materials 2009;19:2992-3001.

Idő (h)

Száraz tömeg (g)

Idő (h)

Kioldódott dextrán(%)

7/33

(8)

Reszponzív hidrogélek (mesh szabályozása)

T nő

Hoare TR, Kohane DS. Hydrogels in drug delivery: Progress and challenges. Polymer 2008;49:1993-2007.

8/33

Hidrofób domének

Hidrofób blokk Hidrofil blokk

(9)

Hőmérsékletérzékeny hatóanyag-leadás

Idő (h)

T (°C) Kioldódás sebessége (mg/h)

Térháló Hatóanyag

Másodlagos hatóanyag- hordozó

0 min 20 min 55 min

65 min 80 min 90 min

Hoare TR, Kohane DS. Hydrogels in drug delivery: Progress and challenges. Polymer 2008;49:1993-2007.

9/33

(10)

Singh NK, Lee DS. In situ gelling pH- and temperature-sensitive biodegradable block copolymer hydrogels for drug delivery.

Journal of Controlled Release 2014;193:214-27.

Bae KH, Wang L-S, Kurisawa M. Injectable biodegradable hydrogels: progress and challenges. Journal of Materials Chemistry B 2013;1:5371-88.

10/33

Hőmérsékletérzékeny hatóanyag-leadás

(11)

pH-érzékeny hatóanyag-leadás

11/33

Ferreira NN, Ferreira LMB, Cardoso VMO, Boni FI, Souza ALR, Gremião MPD. Recent advances in smart hydrogels for biomedical applications: From self-assembly to functional approaches. European Polymer Journal 2018;99:117-33.

(12)

Nem virális génvektorok

Polimer láncok Nukleinsavak

Samal SK, Dash M, Van Vlierberghe S, Kaplan DL, Chiellini E, van Blitterswijk C, et al. Cationic polymers and their therapeutic potential. Chemical Society Reviews 2012;41:7147-94.

12/33

(13)

Nem virális génvektorok

Samal SK, Dash M, Van Vlierberghe S, Kaplan DL, Chiellini E, van Blitterswijk C, et al. Cationic polymers and their therapeutic potential. Chemical Society Reviews 2012;41:7147-94.

13/33

(14)

Biomolekula-indukált hatóanyag-leadás

Podual K, Doyle FJ, Peppas NA. Glucose-sensitivity of glucose oxidase-containing cationic copolymer hydrogels having poly(ethylene glycol) grafts. Journal of Controlled Release 2000;67:9-17.

Miyata T, Asami N, Uragami T. Preparation of an Antigen-Sensitive Hydrogel Using Antigen−Antibody Bindings.

Macromolecules 1999;32:2082-4.

Idő (min)

Idő (h)

Glükóz koncentrácó (mg/dl)

Duzzadásfok (V/V) Duzzadásfok (V/V) Gél

Immobilizált antigén Antigén

Szol

Antitest

14/33

(15)

Sejtszintű redox folyamatok

R₁ S^-

+ R₂ S

S R₃

R₁ S

S R₂

R₃ S^- +

Lu J, Holmgren A. The thioredoxin antioxidant system. Free Radical Biology and Medicine 2014;66:75-87.

Meng F, Hennink WE, Zhong Z. Reduction-sensitive polymers and bioconjugates for biomedical applications. Biomaterials 2009;30:2180-98.

15/33

(16)

Redukció-indukált hatóanyag-leadás

16/33

Meng F, Hennink WE, Zhong Z. Reduction-sensitive polymers and bioconjugates for biomedical applications. Biomaterials 2009;30:2180-98.

Li D, Kordalivand N, Fransen MF, Ossendorp F, Raemdonck K, Vermonden T, et al. Reduction-Sensitive Dextran Nanogels Aimed for Intracellular Delivery of Antigens. Advanced Functional Materials 2015;25:2993-3003.

Ma N, Li Y, Xu H, Wang Z, Zhang X. Dual Redox Responsive Assemblies Formed from Diselenide Block Copolymers.

Journal of the American Chemical Society 2010;132:442-3.

(17)

Redukció-indukált hatóanyag-leadás

17/33

Suma T, Miyata K, Anraku Y, Watanabe S, Christie RJ, Takemoto H, et al. Smart Multilayered Assembly for Biocompatible siRNA Delivery Featuring Dissolvable Silica, Endosome-Disrupting Polycation, and

Detachable PEG. ACS Nano 2012;6:6693-705.

Extracelulláris tér Endoszóma

Biokompatibilis PEG réteg

Kationos PASP réteg

Anionos szilika réteg Poliplex mag (siRNA + PASP)

Hasítás

(diszulfid redukció)

Polikationos héj (endoszóma bontása)

PEG eltávolítása

Oldódás Intracelluláris tér

Disszociáció Poliplex

(siRNA + PASP)

Diszulfid kötés

(18)

Hatóanyag-polimer kölcsönhatástípusok

18/33

(19)

A hatóanyag-leadás időfüggése

19/33

(20)

Kovalensen kötött hatóanyag kioldódása

Hidrolízisre hajlamos kötés, pK

_a

modulációval (erősebb elektronszívó csoport csökkenti a pK

_a

-t)

Schneider EL, Henise J, Reid R, Ashley GW, Santi DV. Hydrogel Drug Delivery System Using Self-Cleaving Covalent Linkers for Once-a-Week Administration of Exenatide. Bioconjugate Chemistry 2016;27:1210-5.

20/33

(21)

Hidrofób hatóanyagok szállítása

Thatiparti TR, Shoffstall AJ, von Recum HA. Cyclodextrin-based device coatings for affinity-based release of antibiotics.

Biomaterials 2010;31:2335-47.

21/33

(22)

Deformáció-indukált hatóanyag-leadás

Ca

²⁺

nélkül

Fiziológiás Ca

²⁺

konc.

Magas Ca

²⁺

konc.

Huebsch N, Kearney CJ, Zhao X, Kim J, Cezar CA, Suo Z, et al. Ultrasound-triggered disruption and self-healing of

reversibly cross-linked hydrogels for drug delivery and enhanced chemotherapy. Proc Natl Acad Sci U S A 2014;111:9762-7.

UH be UH ki

UH nélkül

UH, Ca

²⁺

nélkül

UH, fiziológiás Ca

²⁺

konc.

22/33

(23)

Deformáció-indukált hatóanyag-leadás

Huebsch N, Kearney CJ, Zhao X, Kim J, Cezar CA, Suo Z, et al. Ultrasound-triggered disruption and self-healing of

reversibly cross-linked hydrogels for drug delivery and enhanced chemotherapy. Proc Natl Acad Sci U S A 2014;111:9762-7.

Kezelés nélkül Elnyújtott leadás

Pulzáló leadás Leadás

UH hatására Diffúziós

leadás

23/33

(24)

Mucin előfordulása:

• Gastrointesztinális rendszer

• Szájüreg

• Orrnyálkahártya

• Szem

• Tüdő stb.

Nyálkahártyák, mucin

Nagy molekulatömegű fehérje (tipikusan 0.2-50 MDa)

PTS régió (proline, threonine and serine) glikozilált

24/33

Khutoryanskiy VV. Advances in Mucoadhesion and Mucoadhesive Polymers. Macromolecular Bioscience 2011;11:748-64.

(25)

Lehetőség erős kölcsönhatásokra: H-híd, diszulfid híd, gélszerű állag

A mucin szerkezete, kölcsönhatások

Oligoszacharid egységek

Alegységek

Sialic acid

Fehérje lánc

^25/33

(26)

Polimer – mucin köcsönhatás: Izoterm titrálásos kalorimetria (ITC)

Nagy mintatérfogat (1 ml), a minták hozzáadagolását követően mérjük az izoterm állapothoz szükséges hőteljesítményt

Elegyítés, keveredés

Szubsztrát hozzáadása (egyensúlyi reakció)

26/33

(27)

ITC titrálási görbe

RNase A enzim titrálása ciklikus foszfáttal

Molekulatömeg- és

szerkezetfüggő kölcsönhatás- erősség

PAA 2 kDa (1), PMAA 100 kDa (2), PAA 450 kDa (3)

27/33

(28)

Polimer – mucin kölcsönhatás kolloid méretben

Turbiditás maximum: aggregátumok kialakulása, majd hígulás

28/33

Sogias IA, Williams AC, Khutoryanskiy VV. Why is Chitosan Mucoadhesive? Biomacromolecules 2008;9:1837-42.

Khutoryanskiy VV. Advances in Mucoadhesion and Mucoadhesive Polymers. Macromolecular Bioscience 2011;11:748-64 Albarkah YA, Green RJ, Khutoryanskiy VV. Probing the Mucoadhesive Interactions Between Porcine Gastric Mucin and Some Water-Soluble Polymers. Macromolecular Bioscience 2015;15:1546-53.

.

(29)

Fluoreszcens kitozán

Fluoreszcencia depolarizáció

• Kismolekulák esetén gyors depolarizáció

• Makromolekulák esetén maradó polarizáció, steady-state mérhető

Pol. fény Fluoreszcens jelzés

Gyors rotáció

Lassú rot.

Pol. fény Depol.

fény

29/33

Qaqish R, Amiji M. Synthesis of a fluorescent chitosan derivative and its application for the study of chitosan–mucin interactions. Carbohydrate Polymers 1999;38:99-107.

(30)

Növekvő molekulatömeggel

növelhető a mukoadhézió mértéke (több kölcsönhatási pont)

Fluoreszcencia depolarizáció

Kitozán: polikation

• Negatív kontroll: albumin

• Pozitív kontroll: dextrán szulfát (polianion)

30/33

Qaqish R, Amiji M. Synthesis of a fluorescent chitosan derivative and its application for the study of chitosan–mucin interactions. Carbohydrate Polymers 1999;38:99-107.

Biopolimer/kitozán mólarány Biopolimer/kitozán mólarány

Polarizáció változása (%) Polarizáció változása (%)

(31)

Mechanikai mérések, ex vivo

Szakító vizsgálat

31/33

(32)

Mukoadhézió – in vivo

Tiolált hialuronsav

Kontroll minták

Tiolált polimer Szemcsepp

Tiolált polimer

Nem tiolált polimer

Idő (h) Idő (h)

32/33

Yang G, Espandar L, Mamalis N, Prestwich GD. A cross-linked hyaluronan gel accelerates healing of corneal epithelial abrasion and alkali burn injuries in rabbits. Veterinary Ophthalmology 2010;13:144-50.

Ludwig A. The use of mucoadhesive polymers in ocular drug delivery. Advanced Drug Delivery Reviews 2005;57:1595-639.

(33)