Termoczułe nanożele jako nośniki leków

Termoczułe nanożele jako nośniki
leków
Nanotechnologia jest dynamicznie rozwijającą się gałęzią nauki.
Wprowadza ona nowe spojrzenie na procesy biologiczne i ich zrozumienie
na poziomie „nano” czyli w wymiarze 10 - 9 . Najnowsze osiągnięcie
naukowców dotyczy innowacyjnych nośników leków, jakim są nanożele
zdolne do zmian właściwości pod wpływem temperatury. Umożliwia to
wykorzystanie ich do dostarczenia i uwolnienia leku bezpośrednio w
pożądanym miejscu. Po raz pierwszy w tej dziedzinie nauki posłużono się
dwoma niezależnymi metodami w celu przeprowadzenia szczegółowej
analizy struktury powstałych nanożeli i ich wytrzymałości. Wyniki analiz
są rezultatem współpracy kilku ośrodków naukowych i zostały
opublikowane na łamach Nature Scientific Reports.
W ostatnich latach wielkie zainteresowanie naukowców zaczęła wzbudzać
nanotechnologia i tworzone na jej drodze nanomateriały. W związku z jej
dynamicznym rozwojem i możliwościami jakie ze sobą niesie, a także rosnącą
świadomością etyki prowadzonych badań, zaistniała potrzeba stworzenia zasad
regulujących stosowanie metod z obszaru nanotechnologii. W konsekwencji 7
lutego 2008 roku został przyjęty przez Komisję Wspólnot Europejskich tzw.
Kodeks postępowania dotyczącego odpowiedzialnego prowadzenia badań w
dziedzinie nanonauk i nanotechnologii. Stanowi on zbiór zaleceń do pracy z
nanomateriałami i powinien być traktowany jako instrument służący za podstawę
dalszych przedsięwzięć, których celem jest bezpieczne i etyczne prowadzenie
badań w dziedzinie nanotechnologii [1]. W celu regulacji badań nad
nanomateriałami i nienadużywania tego terminu, Międzynarodowa Organizacja
Normalizacyjna zdefiniowała termin nanomateriał jako „materiał, którego jeden z
wymiarów zewnętrznych nie przekracza nanoskali lub którego struktura lub
struktura powierzchniowa mieści się w nanoskali”. Termin „nanoskala”
zdefiniowano jako zakres od około 1 nm do 100 nm [2].
Wiele medycznych badań naukowych koncentruje się na opracowaniu
uniwersalnego nośnika, który charakteryzuje się łatwym umieszczeniem i
stabilnym przechowywaniem w jego centrum leku oraz jego kontrolowane
uwalnianie pod wpływem czynnika stymulującego w docelowym miejscu w
organizmie chorego.
Naukowcy opracowali innowacyjne, termoczułe nanożele i
scharakteryzowali ich struktury metodami SANS i dynamiki molekularnej.
Źródło: Wikimedia Commons, autor: Qspheroid4, licencja: CC BY-SA 4.0
Międzynarodowy zespół naukowców z Niemiec, Rosji, Danii i Francji szczegółowo
scharakteryzował strukturę opracowanego przez nich nanożelu. Zbudowany
jest on z polimerów, które zmieniają swoje właściwości pod wpływem zmiany
temperatury. Kuliste cząsteczki nanożelu zostały otrzymane na drodze
polimeryzacji i składają się z dwóch otoczek: wewnętrznej – utworzonej z polimeru
o nazwie poli(N-izopropylakryloamid) czyli PNIPAm, oraz zewnętrznej –
składającej się z poli(N-izopropyloakryloamid) czyli PNIPMAm. Proces
polimeryzacji został wykonany na tzw. rdzeniu nanożelu, który stanowiła
cząsteczka krzemionki. Do celów porównawczych wykorzystano jedną partię
nanożeli, w której zachowano rdzeń, natomiast w drugiej partii cząsteczka
krzemionki została chemicznie usunięta. Utworzono w ten sposób wypustkę
stanowiącą miejsce potencjalnego załadowania leku.
Mechanizm funkcjonowania innowacyjnego nanożelu opiera się na zmianach
temperatury.
W temperaturze objętościowej przemiany fazowej (ang. volume phase transition
temperature) i powyżej jej wartości zmienia się zdolność hydrożelu do
absorbowania roztworu, w którym się znajduje – dla PNIPAm i PNIPMAm wynosi
ona odpowiednio 32 st. C i 42 st. C. Oznacza to, że powyżej 42 stopni Celsjusza
obydwie osłonki nie są zdolne pochłaniać otaczającego ich płynu, podczas gdy
poniżej 32 stopni Celsjusza obydwie bardzo dobrze go absorbują.
Przeprowadzenie testów w zakresie temperaturowym od 32 st. C do 42 st. C
pozwala więc rozróżnić zdolności sorpcyjne obydwu osłonek – w wybranej
temperaturze z tego przedziału tylko zewnętrzna osłonka jest nasiąknięta,
podczas gdy pory wewnętrznej pozostają zamknięte.
Dwuosłonowość nanożelu sprawia, że w płynach ustrojowych człowieka lek jest
chroniony przez wewnętrzną osłonkę, podczas gdy zewnętrzna pozostaje w
kontakcie z otoczeniem i ma za zadanie zapewnić wysoką stabilność koloidalną
nanożelu.
Zmieniając temperaturę miejsca docelowego, w którym nanożel się już znajduje
rozluźnia się strukturę wewnętrznej osłonki, powodując tym samym uwolnienie
leku w miejscu docelowym.
W celu dokładnego scharakteryzowania struktury nanocząsteczek naukowcy
posłużyli się metodami niskokątowego rozpraszania neutronów (ang. small-angle
neutron scattering, SANS) i dynamiki molekularnej (ang. molecular dynamics,
MD). Przestudiowano zmiany struktury w skrajnych temperaturach,
wykraczających poza opisany przedział (tj 52 st. C i 20 st. C) oraz temperaturę 40
st. C. Wyniki potwierdziły zachowania i zdolności sorpcyjne nanożeli w zależności
od temperatury. Co ciekawe, udało się ustalić dokładne wartości promieni
kulistych cząsteczek nanożeli, co pozwoliło na uzyskanie dokładnych informacji na
temat ładowności nośnika. Wiadomo więc jaka ilość leku może zostać umieszczona
w nośniku.
Dzięki badaniom z użyciem dynamiki molekularnej możliwe było przeprowadzenie
symulacji uwalniania leku w zależności od temperatury. Wyniki otrzymane na
podstawie MD pokrywały się z SANS, uwiarygodniając właściwości nanożeli [3].
Wyniki przeprowadzonych analiz udowodniły, że dwuosłonkowe nanożele
mogą posłużyć jako wydajne nośniki leków. Ich innowacyjność i
funkcjonalność opiera się na dostarczeniu leku w stanie nienaruszonym do
miejsca docelowego i uwolnienie go poprzez manipulację
temperaturą. Duże nadzieje pokłada się w nanotechnologii i
nanomateriałach. Ma to swoje podstawy. Dotychczasowe badania
pokazują, że potencjał ich jest wielki, a nauka wkracza w nową erę
pojmowania i opracowywania metod leczenia w skali nano.
inż. Adrianna Grzelak, biotechnolog
Piśmiennictwo:
1. Code of Conduct for responsible nanosciences and nanotechnologies research
2. Zalecenia Komisji Europejskiej z dnia 18 października 2011 r. dotyczące
definicji nanomateriału 2011/696/UE
3. Schmid A.J. et al., Multi-Shell Hollow Nanogels with Responsive Shell
Permeability, Nature Scientific Reports 6, 2016; Article number 22736
Data publikacji: 11.07.2016r.