Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Полимерные микрочастицы на основе полигидроксиалканоатов: получение, характеристика, применение

ВАК РФ 03.01.06, Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации по теме "Полимерные микрочастицы на основе полигидроксиалканоатов: получение, характеристика, применение"

На правах рукописи.

Шершнсва Анна Михайловна

ПОЛИМЕРНЫЕ МИКРОЧАСТИЦЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИГИДРОКСИАЛКАНОАТОВ: ПОЛУЧЕНИЕ, ХАРАКТЕРИСТИКА, ПРИМЕНЕНИЕ

03.01.06 - биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

11 НОЯ

Красноярск, 2015

005564364

005564364

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет».

Научный руководитель: доктор биологических наук,

Шишацкая Екатерина Игоревна,

Официальные оппоненты: Штильман Михаил Исаакович,

доктор химических наук, профессор, ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», руководитель учебно-научного центра «Биоматериалы»

Гроздова Ирина Дмитриевна

доктор биологических наук,

ФГБОУ ВО «Московский государственный

университет им. М.В. Ломоносова»

ведущий научный сотрудник кафедры

«Высокомолекулярные соединения»

химического факультета

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования «Южный Федеральный Университет»

Защита диссертации состоится «

/Л

2015 года в часов на 003.007.01 при Институте биофизики

заседании диссертационного совета СО РАН по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок д. 50, стр. 50. Тел.: 8 (391) 243-15-79, эл.почта: diss_sovet@ibp.ni

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биофизики СО РАН и на сайте wwvv.ibp.ni

Автореферат разослан « ¿У» ¿¿¿¿/ж

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

2015 года.

Зотина Татьяна Анатольевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В последние десятилетия интерес фармацевтики и связанных с ней наук постепенно переходит от разработки новых химических веществ к оптимизации их путей введения и доставки к клеткам-мишеням. Достижения в области разработки систем доставки лекарственных препаратов (ЛП) могут позволить значительно улучшить фармакокинетику, биораспределенпе и клеточное поглощение ЛП, имеющих такие недостатки, как плохая растворимость, низкая стабильность и токсичность. В настоящее время разрабатываются различные инструменты и методы доставки лекарственных средств, главным образом, на основе полимеров в качестве носителей [Xiong, 2010]. Благодаря гибкости полимерной цепи существует возможность проектирования различных функциональных лекарственных форм с высокой биосовместимостью, легким изготовлением и стабильностью препаратов, что определяет общий успех терапии [Langer, 2004; Lavigne, 2006].

Анализ литературы показывает, что полигидроксиалканоаты (ПГА) обладают физико-химическими свойствами, подходящими для различных применений в биомедицине, в том числе для конструирования микро- и наноносителей лекарственных препаратов [Hazer, 2012; Chen, 2013; Vilos, 2012]. Это полимеры, получаемые в результате микробного биосинтеза специализированных штаммов-продуцентов: Wautersia eutropha В5786 [Волова Т.Г. и др., 2003, 2006], Ralstonia etitropha Н16 [Reinecke and Steinbüchel, 2009], Pseudomonas putida KT2442 [Wang, 2011], Aeromonas hydrophila 4AK4 и AKJ1 [Xie and Chen, 2008; Jian et al„ 2010] и др. Особенностью данных полимеров является высокая биосовместимость, поскольку они представляют собой сложные эфиры, которые гидролизуются в организме, при этом продукты их распада участвуют в физиологических циклах клеток [Kaufman, 1983].

Большинство исследований, посвященных возможности использования ПГА в качестве микро- и наноносителей в фармакологии, главным образом, нацелены на создание систем доставки противоопухолевых препаратов [Zhang С., 2010; Kilicay Б., 2011; Althuri А., 2013]. В то же время свойства, присущие данному классу полимеров, расширяют область их применения, позволяя доставлять широкий спектр ЛП; с учетом возможности применения различных способов введения увеличивается количество заболеваний-мишеней.

Для применения инъекционной формы введения ЛП важны характеристики суспензии, состоящей из диспергированных в водной среде носителей. Одним из главных параметров таких суспензий является их коллоидная стабильность, так как при попадании твердых частиц (дисперсная фаза) в жидкую среду (дисперсионную среду) меняются электрокинетические показатели на границе раздела фаз, вследствие чего среда и фаза насыщаются противоположными зарядами. При этом частицы

стремятся минимизировать энергию поверхности, что стимулирует адсорбцию ионов на ней и может привести к агломерации частиц между собой. Величиной, характеризующей взаимодействие дисперсной фазы с дисперсионной средой, является электрокинетический потенциал (дзета(О-потенциал). Отсутствие данных о взаимосвязи f-потенциала, с такими характеристиками ПГА-микро- и наноносителей, как химический состав, способ получения, нагружение ЛП и отток препаратов из частиц, подтверждают необходимость настоящего исследования.

Кроме того, гидрофобность поверхности, характерная для всех изделий из ПГА, в том числе систем доставки в виде микроносителей в немодифицированном виде, может приводить к увеличению их захвата макрофагами и другими фагоцитарными клетками, а также увеличивать вероятность связывания с белками крови, сокращая время циркулирования в кровотоке [Внллемсон А.Л., 2005; Gupta А.К. et al, 2004]. Поэтому для улучшения бпосовместимости носителей на основе ПГА необходимо изменение свойств поверхности, путем увеличения степени их гидрофильности и возможности в дальнейшем присоединения лигандов для обеспечения направленного транспорта и действия системы.

Цель диссертационной работы - создание лекарственных форм продленного действия в виде микрочастиц на основе ПГА и изучение их характеристик с оценкой эффективности действия in vitro и in vivo.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

Разработка и оптимизация способов получения микрочастиц на основе ПГА эмульсионным методом и методом распылительного высушивания.

Выбор и применение способов модификации П(ЗГБ) для снижения молекулярной массы и гидрофобное™ поверхности частиц.

Исследование характеристик сконструированных микрочастиц -среднего диаметра, электрокинетического потенциала (дзета-потенциала) и морфологии, в зависимости от мономерного состава ПГА, молекулярной массы, способа получения и модификации с присоединением монометоксиполиэтиленгликоля (мПЭГ).

Изучение влияния степени включения различных лекарственных препаратов на характеристики микрочастиц-носителей.

Оценка эффективности действия микрочастиц с различными препаратами in vitro и in vivo.

Научная новизна

Впервые в работе сконструированы микрочастицы из низкомолекулярного поли-3-гидроксибутирата методом распылительного высушивания и установлено влияние параметров процесса получения (температура в сушильной камере, концентрация и скорость подачи полимерного раствора) на характеристики микрочастиц (средний диаметр, электрокинетический потенциал, выход). Показано, что варьируя химический

состав ПГА (соотношение мономеров 3-гидроксивалерата, 3-гидроксн-гексаноата, 4-гидроксибутирата), можно получать микрочастицы с различными характеристиками. Доказана возможность включения в состав микрочастиц разнообразных препаратов с удовлетворительными показателями эффективности инкапсулирования, оттока препаратов и коллоидной стабильности частиц в модельной среде in vitro. Установлено, что ПГА-микрочастицы не вызывают токсического эффекта при прямом контакте с мышиными фибробластами NIHЗТЗ, L929 и моноцитами периферической крови человека. Впервые проведены исследования поглащения микрочастиц различного размера фибробластами линии L929. В эксперименте на животных показано, что инкапсулированная форма цитостатического препарата, сопоставимо со свободной формой, тормозит развитие опухолевого процесса, при этом не оказывает токсического влияния на систему крови.

Теоретическая и практическая значимость

Материал дает фундаментальную теоретическую основу для дальнейших разработок в фармакологии с использованием бактериальных ПГА в качестве лекарственных форм доставки препаратов.

Практическая ценность работы заключается в подтверждении возможности реализации получения наноразмерной лекарственной формы, где в качестве носителя выступают ПГА, а для обеспечения их специфичности к клеткам-мишеням, к данным формам будут присоединены функциональные группы (например, -NH2 группы ферментов или белков) с использованием мПЭГ-мостиков.

Основные положения, выносимые на защиту

• Зависимость характеристик микрочастиц (среднего диаметра, электрокинетического потенциала, морфологии) от химического состава и молекулярной массы полигидроксиалканоатов, от метода получения (эмульгирование, распылительное высушивание).

Длительный отток исследованных противовоспалительных, антибактериальных и цитостатических препаратов из полимерных микрочастиц при сохранении стабильности частиц в модельной среде in vitro.

• Микрочастицы с цнтостатическими препаратами эффективно ингибнруют рост клеток HeLa in vitro и опухолевый процесс у мышей с солидной формой карциномы Эрлиха.

Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены и обсуждены на 2nd Russian-Hellenic Symposium with International Participation and Young Scientists School «BIONANOTOX-2011» (Греция, 2011); XL1X Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2011), Международной научно-практической конференции «Фармацевтические и медицинские биотехнологии» в рамках Московского международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2012); 2"°" научном семинаре с молодежной школой «Биотехнология новых материалов

и окружающая среда» (Красноярск, 2012); 5th International Congress "Biomaterials and Nanobiomaterials: Recent Advances Safety-Toxicology and Ecology Issues", «BIONANOTOX-2014» (Греция, 2014); Международной научной конференции «Молодёжь и наука: проспект Свободный» (Красноярск, 2015).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 2 статьи в зарубежных журналах и 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК; 6 публикаций в сборниках докладов научных конференций.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии во всех этапах исследования: от постановки цели и задач, выбора методов исследований до проведения экспериментов с последующей интерпретацией и обобщением результатов, а также в подготовке докладов и публикаций.

Объем п структура диссертации. Диссертация изложена на 149 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части (объекты и методы исследования, результаты исследований и их обсуждение), выводов, списка литературы. Работа иллюстрирована 15 таблицами и 45 рисунками. Библиографический указатель включает 248 источников, из них 223 на иностранных языках.

Работа выполнена при финансовой поддержке Гранта Правительства РФ №11.G34.31.0013 «Биотехнология новых биоматериалов» (2010-2014 гг.); грантов Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности д/с 07/12 от 10.07.2012 КФ-256 и д/с 47/12 от 06.09.2012 КФ-316 (2012г.); при поддержке Гранта Американского фонда гражданских исследований и развития для независимых государств бывшего Советского Союза (CRDF) №RUNXO-002-KR-06 (2012 г.).

Автор выражает благодарность своему научному руководителю Шншацкой Е.И. за консультации и неоценимую помощь при выполнении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве основных объектов исследования служили высокоочищенные образцы полигидроксиалканоатов (ПГА): гомополимер 3-гидроксимасляной кислоты (П(ЗГБ); Mw=1479 кДа; Сх=72%) и сополимеры 3-гидроксимасляной кислоты с 3-гидроксивапериановой, П(ЗГБ-со-ЗГВ) (Mw от 1500 до 2000 кДа; Сх=51-67%), с 4-гидроксимасляной -П(ЗГБ-со-4ГБ) (Mw от 410 до 970 кДа; Сх=50-55%) и с 3-гидроксигексановой кислотами, П(ЗГБ-со-ЗГГ) (Mw=440 кДа; Сх=56%), синтезированными методами микробиологического синтеза в лаборатории хемоавтотрофного биосинтеза Института биофизики СО РАН.

Состав ПГА определяли хроматографией метиловых эфиров жирных кислот с применением хромато-масс-спектрометра GCD plus («Hewelett

Packard», США). Молекулярную массу и молекулярно-массовое распределение ПГА исследовали с использованием гель-проникающей хроматографии Waters Breeze System («Waters», США). 'H ЯМР спектр молекулярной структуры полимеров определены на спектрометре Bruker-AvanceIII-600MHz (США).

Снижение молекулярной массы ПГА проводили с помощью термического воздействия, а так же с использованием реакции этсрификации с борогидридом натрия (Рапгеас, Испания) [Baran Е.Т. et al., 2002]. Синтез блок-сополимера П(ЗГБ) с монометоксиполиэтиленгликолем (Sigma, США) осуществлен методом трансэтерификации [Shah M. et al., 2010].

Получение полимерных микро- и наночастиц осуществляли двумя методами: испарением растворителя из двух- и трехкомпонентной эмульсии с использованием высокоскоростного гомогенизатора (Heidolph, Германия) и методом распылительного высушивания на специализированной установке Mini Spray Dryer В-290 (BUCHI Laboratory Equipment, Швейцария).

Морфологию микрочастиц изучали с применением сканирующей электронной микроскопии на микроскопах S-5500 и ТМ-3000 («Hitachi», Япония). Напыление образцов золотом проводили в установке K575XD Turbo (Emitech, Англия). Размеры и размерное распределение микрочастиц определяли на анализаторе частиц Zetasizer Nano ZS (Malvern, Великобритания) с использованием метода динамического светорассеивания. Поверхностный заряд микрочастиц охарактеризован величиной электрокинетического потенциала (дзета(£)-потенциала), которая определялась электрофоретической подвижностью частиц в суспензии с применением уравнения Генри на Zetasizer Nano ZS.

В качестве лекарственных препаратов для инкапсулирования в полимерные микрочастицы использовали противовоспалительные препараты: Диклофенак (Хемофарм концерн, Россия) и Дексаметазон (КАРК, Россия); антибиотик - Цефтриаксон (ЗАО Лекко, Россия); и противоопухолевые препараты - Паклитаксел-ЛЭНС и Доксорубицин-ЛЭНС (Верафарм, Россия).

Величину включения лекарственного препарата в полимерные микрочастицы и его отток in vitro определяли спектрофотометрированнем (спектрофотометр Сагу 60 UV-Vis, Agilent Technologies, США).

Определение цнтотокснчности ПГА микрочастиц и их адгезионных свойств исследовали в экспериментах с использованием линии фибробластов NUI ЗТЗ и L929, а так же в экспресс оценке активации моноцитов периферической крови. Жизнеспособность клеток оценивали по МТТ-тесту в реакции с 3-(4,5-диметилтиазол-2-ил)-2,5-дифенилтетразол бромидом (Sigma, США).

Исследования in vitro эффективности действия микрочастиц, нагруженных антибиотиком, определяли с использованием диско-диффузионного метода в отношении грамположительных бактерий Staphylococcus aureus и грамотрицательных бактерий Escherichia coli и

Pseudomonas spp. Эффективность действия разработанных частиц с противоопухолевым препаратом - Паклитакселом оценивали в культуре опухолевых клеток HeLa с помощью МТТ-теста и окрашивания Live/DeadViability/Cytotoxicity Kit и AnnexinV-FITC Apoptosis Detection Kit (Sigma, США).

Изучение in vivo эффективности действия микрочастиц,

нагруженных противоопухолевым препаратом - Доксорубицином, проводили на лабораторных мышах линии Balb/c с солидной формой карциномы Эрлиха (КЭ) в сравнении с традиционной терапией.

Статистическую обработку результатов проводили с использованием стандартного пакета программы Microsoft Excel и программ STATISTICA 8.0 и MatLab 7.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Влияние химического строения полимера на свойства микрочастиц

Различия базовых физико-химических свойств исследуемых полимеров влияли на характеристики полученных микрочастиц. Микрочастицы на основе П(ЗГБ) и П(ЗГБ-со-ЗГВ) с небольшим содержанием 3-гидроксивалерата (3-ГВ, 6,5 мол.%) имели незначительную рельефность поверхности и практически правильную сферическую форму (рис.1).

Рисунок 1. РЭМ-стшки микрочастиц па основе ПГА различного хгшического состава: а - П(ЗГБ),

б - П(ЗГБ-со-ЗГВ) 6,5 мол. %, в - П(ЗГБ-со-ЗГВ) 37,0мол.%, г - П(ЗГБ-со-ЗГГ) 7,0 мол. %, д - П(ЗГБ-со-4ГБ) б, 1 мол. %, е - П(ЗГБ-со-4ГБ) 16,0мол.%. Маркер 5 ¡.ш

Поверхность микрочастиц, полученных из сополимеров с высоким содержанием 3-ГВ (37,0 мол.%) и 4-гидрокси-бутирата (4-ГБ, 16,0 мол.%) имела значительно более выраженный рельеф с усилением шероховатости и морщинистости, присутствовали частицы неправильной формы (рис.1).

■йр ' .¿SSM ЩВврЙ 16 Жрцр ' \ - * -

щщ

■i ■ "' >v/i

Средний диаметр микрочастиц из сополимерных образцов был больше по сравнению с частицами, полученными из гомополимера (рис. 2а). П(ЗГБ)-микрочастицы имели средний диаметр около 700 - 750 нм. С увеличением содержания 3-ГВ в сополимере до 37,0 мол.% средний диаметр микрочастиц увеличился практически в 2 раза и составил 1250 нм. В еще большей степени данный эффект наблюдался при включении в полимер 3-гидроксигексаноата (3-ГГ). Возможным объяснением данного эффекта является стерическое препятствие для плотной упаковки полимерных молекул, обусловленное наличием значительного количества боковых алкильных групп. Так, средний диаметр частиц П(ЗГБ-со-ЗГГ) составил 1140 нм. Размеры микрочастиц, полученных на основе П(ЗГБ-со-4ГБ), достоверно выше по сравнению с другими сополимерными микрочастицами и составили 2300 нм и 2600 нм для включения 4-ГБ 6,1 мол.% и 16,0 мол.% соответственно (рис. 2а).

(а)

(б)

S ЗООО Э- 2500 -

I 2000 -£

15оо | 1000 5" 500

Тип ИГА

7 S

: * |

-J0 -35

Рисунок 2. Средний диаметр (а) и С-потенциал (б) микрочастиц на основе ПГА различного химического состава: 1 - П(ЗГБ), 2 - П(ЗГБ-со-ЗГВ) 6,5 мол.%, 3 - П(ЗГБ-со-ЗГВ) 10,5 мол.%, 4 - П(ЗГБ-со-ЗГВ) 20,0 мол.%, 5 - П (ЗГБ-со-ЗГВ) 37,0 мол.%, 6 - П(ЗГБ-со-ЗГГ) 7,0 мол.% 7 - П(ЗГБ-со-4ГБ) 6,1 мол.%, 8 - П(ЗГБ-со-4ГБ) 16,0мол.%

Известно, что величина С-потенциала является одной из важнейших характеристик микрочастиц, широко используемой для прогнозирования стабильности дисперсий [Wu L. et al., 2011]. Согласно литературным данным, абсолютное значение С-потенциала свыше 30 мВ обеспечивает хорошую, а свыше 60 мВ - отличную физическую стабильность [Müller R.H., 2001 j. При этом абсолютное значение С-потенциала, равное 5 мВ, указывает на склонность частиц к быстрой агломерации.

При исследовании С-потенциала микрочастиц из ПГА в денонсированной воде получены следующие результаты (рис. 26): наиболее низкие отрицательные значения С-потенциала характерны для микрочастиц на основе П(ЗГБ-со-ЗГТ) (-32,2±0,2мВ) и П(ЗГБ-со-4ГБ) (около -28,0 мВ). Самое высокое значение С-потенциала имели П(ЗГБ)-микрочастицы (-10,7±0,1мВ).

Полученные результаты свидетельствуют о существовании зависимости среднего диаметра и С-потенциала микрочастиц от мономерного состава ПГА. Доказано, что микрочастицы из сополимеров обладают более

низкими значениями ("-потенциала относительно гомополимера, что определяет их лучшую стабильность. Показано, что присутствие в составе молекул ПГА мономеров 3-ГВ, 3-ГГ, 4-ГБ ведет к увеличению размеров микрочастиц, по сравнению с П(ЗГБ).

Синтез блок-сополимера на основе П(ЗГБ)

Известно, что добавление полиэтиленгликоля (ПЭГ), или «ПЭГилирование», является наиболее распространенным и предпочтительным методом «маскировки» наночастиц на основе большинства полимерных материалов от иммунного распознавания [Gref R., 2000; Owens D.E., 2006]. Кроме того, ПЭГ используют, чтобы создать так называемый «эффект стерической стабилизации», когда молекулы ПЭГ образуют защитный гидрофильный слой, который предотвращает взаимодействие частиц друг с другом (агрегацию), а также с компонентами крови и сосудистой стенки.

Синтез блок-сополимера П(ЗГБ)-мПЭГ осуществлен методом трансэтерификации, на рисунке 3 представлен 'Н ЯМР спектр полученного образца.

äS

v

*Л1

\/

33352=553 53

33556

ладчч--

е f

Рисунок 3. 'II ЯМР спектры блок-сополимера П(3ГБ) -мПЭГ

\ !\ ■!

Средневесовая молекулярная масса полученного блок-сополимера составила около 2 кДа. Частицы из П(ЗГБ)-мПЭГ

7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 43 4.0 3.5 3.0 23 2.0 1.5 ррт ПОЛуЧвНЫ

эмульсионным методом. Средний диаметр частиц составил 177,9 ±0,8 нм, индекс полидисперсности - 0,241 ± 0,004. Фракция частиц диаметром от 50 до 200 нм составила 58 %, от 200 до 400 нм - 36 % и от 400 до 900 нм -

11,6%.

Кроме того, ПЭГ используют для создания так называемого «эффекта стерической стабилизации», когда молекулы ПЭГ образуют защитный гидрофильный слой, который предотвращает взаимодействие частиц друг с другом (агломерацию), а также с компонентами крови и сосудистой стенки. Среднее значение {"-потенциала частиц на основе синтезированного

блок-сополимера составило -36,2±0,3 мВ, и таким образом, частицы имеют удовлетворительную стабильность в суспензиях.

В целом, частицы, полученные на основе П(ЗГБ)-мПЭГ, имели достоверно меньшие значения среднего диаметра и ("-потенциала но сравнению с частицами, полученными на основе немодифицированного П(ЗГБ) (рис. 2 а,б).

Влияние снижения молекулярной массы П(ЗГБ) на свойства микрочастиц

Структурные характеристики полимера являются определяющими для свойств системы доставки и характера высвобождения лекартсвенных препаратов из них, На рисунке 4 представлены 'н ЯМР спектры П(ЗГБ) после обработки борогидридом натрия (ЫаВН4). Очевидно, что структура основной полимерной цепи не изменяется, чему соответствует наличие пиков а, Ь и с.

ь

I

О-СМ;

А

Рисунок 4. 'Н ЯМР спектры П(ЗГБ) после обработки ЫаВН4

Однако изменяется концевой сегмент цепи.

5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 и 2.0 1.5 ррш СИНГЛвНТНЫЙ

пик 3.71 (пик с/

на рис.4) по данным двумерных спектров (прямые С-Н корреляции) показывает соответствующий кросс-пик с сигналом углерода при 5.16 м.д. Данные сигналы в 'Н и |3С-ЯМР спектрах по литературным данным соответствуют группе 0-СН3 [Сильверстейн Р. И др., 2011].

Из результатов, представленных в таблице 1, видно, что с увеличением времени обработки полимера борогидридом натрия происходит снижение средневесовой (Мш) и среднечисловой (Мп) молекулярных масс.

Максимальное снижение молекулярной массы приходится в первые 30 минут обработки, когда М\у снижается в 42 раза относительно исходной. Далее снижение происходит медленнее в 1-1,5 раза. После 24 часов обработки 1ЧаВН4, зафиксированы минимальные значения М\у полимера, которые составили около 6 кДа, при исходном значении 1479,5 кДа.

Таблица 1 Молекулярно-массовое распределение образцов полимера после обработки ИаВН^, изменение поверхностных характеристик микрочастиц на основе данных полимеров

Время обработки (час) Молекулярная масса, Да Средний диаметр, нм Индекс полидисперсности Дзета-потенциал, мВ

Мп Mw

Исходный образец 615810 1479500 1358,0±24,75 0,264±0,026 -21,6±0,61

0,5 22168 34526 1155,0±34.07 0,159±0,026 -18,2±0,23

1 19737 32664 1125,0±17,90 0,126±0,054 -13,8±1,08

2 16296 24237 1032,0±60,02 0,224±0,029 -16,9+0,81

4 17526 24350 777,4±16,05 0,121±0,061 -25,9± 1,32

6 12463 19639 817Д±2,60 0Д32±0,025 -9,6±0,77

24 1599 6178 - - -

На основе низкомолекулярного полимера получены микрочастицы методом испарения растворителя из двухкомпонентной эмульсии. Микрочастицы имели сферическую форму (рис. 5). Показано, что со снижением молекулярной массы полимера уменьшался средний диаметр микрочастиц: от 1358 ± 25 нм у исходных образцов до 817 ± 3 нм для образцов, средневесовая молекулярная масса которых снижена в 75 раз.

В отношении ("-потенциала не выявлено четкой зависимости от изменения молекулярно-массового распределения полимера (табл,1).

Рисунок 5 - Микрочастицы на основе П(ЗГБ) после обработки МаВН4 в течение: а - 0,5 часа: 6 — 2 часа. Маркер 1 мкм

Таким образом, показано, что обработка исходного высокомолекулярного полимера П(ЗГБ) борогидридом натрия приводит к снижению его средневесовой и среднечисловой молекулярных масс, что, в свою очередь, оказывает влияние на размерные характеристики микрочастиц.

Применение метода распылительного высушивания для получения

микрочастиц

Производителем установки распылительного высушивания Mini Spray Dryer В-290 (BUCHI Laboratory Equipment, Швейцария) рекомендовано использование полимеров поли(Ь-лактида), полиф,Ь-лактида) и сополимеров на их основе для получения микрочастиц [Arpagaus С., 2007].

В настоящей работе впервые проведены эксперименты по подбору и анализу технологических параметров для получения на данной установке П(ЗГБ)-микрочастиц.

В качестве параметров процесса, влияющих на характеристики полимерных микрочастиц, выбраны: температура в сушильной камере (75, 85 и 95°С) и скорость подачи полимерного раствора (1,5; 3,2 и 5,0 мл/мин).

Микрофотографии полученных микрочастиц представлены на рис. б.

1,5 мл/мин 3,25 мл/мин 5 мл/мин

Рисунок 6. РЭМ-снгшки микрочастиц, полученных методом распылительного высушивания из растворов П(ЗГБ) разной концентрации при температуре в сушильной камере 75°С и варьировании скорости подачи раствора (мл/мин). Маркер ЗОмкм

Установлено, что увеличение скорости подачи раствора и температуры в сушильной камере приводит к увеличению выхода микрочастиц при низкой концентрации раствора полимера. С увеличением концентрации полимерного раствора увеличивается ('-потенциал микрочастиц. При этом на размер микрочастиц достоверно влияет лишь изменение одного параметра -температуры в сушильной камере (табл.2).

Следует отметить, что С-потенциал ПГА-микрочастиц, полученных эмульсионным методом, колебался от -10 до -32 мВ (рис, 26). Величина

¿-потенциала микрочастиц, полученных методом распылительного высушивания, существенно ниже, от -66 до -115 мВ (табл.2). Разница ('-потенциалов, возможно, связана с адсорбцией на поверхности микрочастиц поверхностно-активных веществ, используемых в эмульсионном методе, и отсутствующих в методе распылительного высушивания.

Таблица 2,- Характеристики микрочастиц, полученных методом распылительного высушивания из растворов П(ЗГБ) концентрацией 0,5; 1,0 и 1,5 % при варьировании параметров процесса получения

Параметры процесса Выход микрочастиц от исходной массы полимера, % Средний диаметра, нм Дзета-потенциал, мВ

Температура, °С Скорость подачи раствора, мл/мин

0,5% раствор П(ЗГБ)

75 1,5 10,0 2077 ± 62 -72,8 ± 1,2

3,2 30,0 3161± 59 -83,7 ±0,7

5,0 37,5 3129 ±211 -77,6 ±0,8

85 1,5 5,0 6416 ± 616 -69,5 ± 1,4

3,2 35,0 8604 ±330 -77,0 ± 2,5

5,0 42,5 4846± 91 -66,6 ± 0,7

95 1,5 60,0 3710 ± 296 -68,7 ± 0,5

3,2 63,5 6063 ± 742 -81,6 ± 1,6

5,0 63,8 6983 ±285 -92,7 ±4,1

1,0% раствор П(ЗГБ)

75 1,5 33,2 6513 ±475 -95,7 ± 0,6

3,2 . 86,7 4866 ±531 -94,5 ± 1,7

5,0 84,7 5561 ±516 -93,2 ± 2,4

85 1,5 78,2 5677 ± 706 -87,1 ±0,5

3,2 90,5 5674± 182- -92,4 ±0,7

5,0 39,5 5149 ±332 -89,0 ± 3,4

95 1,5 75,7 4201 ±247 -81,6 ±0,6

3,2 71,0 6997 ± 520 -77,4 ± 0,3

5,0 78,7 6141 ±487 -90.8 ± 1,2

1,5% раствор Г1(ЗГБ)

75 1,5 49,0 3812 ±334 - И 5,0 ± 2,1

3,2 38,2 3639± 818 -105,0 ±3,5

5,0 83,0 4142± 526 -107,0 ±3,2

85 1,5 30,6 5866 ±222 -101,0 ±2,2

3,2 47,3 4094 ± 208 -99,8 ± 1,1

5,0 46,3 4322± 570 -103,0 ±2,0

95 1,5 84.0 5431 ±442 -103,0 ± 1,1

3,2 76,3 4338 ± 507 -102,0 ±2,0

5,0 68,3 5228 ± 409 -99,3 ± 0,3

В целом, показано, что применение метода распылительного высушивания позволяет упростить технологию получения П(ЗГБ)-микрочастиц и получать микрочастицы без использования поверхностно-активных веществ.

Влияние включения лекарственных препаратов на свойства микрочастиц и кинетику оттока препаратов в модельную среду

Получена серия микрочастиц на основе П(ЗГБ) с различными включениями лекарственных препаратов (антибактериальных, противовоспалительных, цитостатических) с использованием эмульсионного метода (рис.7).

Рисунок 7. РЭМ-снимки полимерных микрочастиц, нагруженных диклофенаком (а), дексаметазоном (б) и паклитакселом (в) 10 % от массы полимера. Маркер 1 (а,б) и 2 (в) мкм

Для микрочастиц, нагруженных противовоспалительными препаратами — диклофенаком и дексаметазоном, характерна правильная сферическая форма. При формировании микрочастиц, нагруженных противоопухолевым препаратом - паклитакселом, рбразцы также имели сферическую форму с гладкой поверхностью, однако присутствовали частицы неправильной формы, не более 10 % от общего урожая.

С увеличением степени нагружения микрочастиц дексаметазоном, цефтриаксоном и паклитакселом отмечено увеличение среднего диаметра частиц (табл. 3), что, скорее всего, обусловлено влиянием молекулярной массы препаратов (для дексаметазона 392,5; цефтриаксона 554,5 и паклитаксела 853,9 г/моль), т.к. включение объемных молекул препаратов влияло на укладку полимерных цепей в процессе формирования частиц. При инкапсулировании в микрочастицы диклофенака не обнаружено зависимости размера частиц от количества включенного ЛП (табл. 3). Это может быть объяснено тем, что диклофенак имеет меньшую молекулярную массу (296,2 г/моль) и, с учетом отсутствия конденсированных циклов в молекуле, более гибкую структуру по сравнению с дексаметазоном, который представлен метилированным производным фторпреднизолона; цефтриаксоном (сложной карбоновой кислоты в виде динатриевой соли) и паклитакселом (дитерпеноидным алкалоидом тисового дерева).

Далее исследована кинетика высвобождения включенных препаратов и коллоидная стабильность сконструированных форм в модельной среде (в сбалансированном фосфатном буфере, рН 7,4).

Таблица 3. - Характеристики микрочастиц с содержанием препаратов

Инкапсулированный препарат Исходная концентрация, % Средний диаметр, нм Дзета-потенциал, мВ Эффективность инкапсулирования, % Выход, %

Дикпофенак 1 663,0 ±29,9 -17,2 ±0,7 49,5 ±3,0 62,0 ± 2,9

5 517,8 ± 7,1 -10,9 ±0,4 37,2 ±2,2 61,4 ± 2,1

10 647,0 ±43,1 -14,8 ±0,6 29,1 ±2,9 60.5 ± 1,9

Дексаметазои 1 453,4 ±4,7 -20,7 ± 0,4 63,6 ±5,5 59,1 ±3,5

5 528,8 ±25,3 -12,1 ±0,2 57,0 ±3,4 55,2 ± 2,6

10 811,4 ± 16,2 -18,9 ±0,3 18,5 ±2,9 60,4 ± 2,8

Диклофенак/ Дексаметазон 10/1 630,0 ± 10,3 -19,2 ±0,2 66,4/82,5 55,0 ±2,5

Цефтриаксон 1 648,0 ± 17,0 -18,3 ±0,4 81,5 ±3,1 61,2 ±2,3

5 751.6 ±32,2 -22,3 ± 0,3 74,6 ± 4,9 63,5 ± 1,8

10 812,0 ±24,0 -23,5 ±0,1 62,3 ± 6,5 66.5 ± 1,0

Доксорубицин 1 448,4 ± 9,7 -19,2 ±0,6 79,4 ±6,6 71,0 ±2,3

5 462,2 ± 11,6 -16,7 ±0,3 75,5 ±2,5 78,5 ±2,0

¡0 433,0 ± 10,4 -16,1 ±0,5 67,1 ±4,5 73,9 ±3,4

Паклитаксел 1 673,0 ±9,7 -24,8 ± 0,5 34,6 ±5,1 77,7 ±2,5

5 924,1 ± 133,2 -29,8 ± 0,2 25,3 ±3,4 62,6 ±2,1

10 1299,0 ±251,4 -29,8 ± 0,6 19,5 ±4,4 83,4 ±2,6

При инкубировании микрочастиц, нагруженных цефтриаксоном, выход препарат спустя трое суток составил 1,33 ± 0,04; 3,1 ± 2,4% и 9,3 ± 0,7 % от включенного для микрочастиц, нагруженных 1, 5 и 10 % от массы полимера соответственно. К концу эксперимента (31 сутки) отток цефтриаксона для данных образцов составил 9,4 ± 1,2; 23,8 ± 1,5 и 45,9 ± 1,4 % от исходного содержания в микрочастицах (рис. 8).

| 50

5 I 45 ¡1 « II «

¡6 зо

1* 25 I . 20

* ? 15

1 | 10

н

о

,1'' ».! I

—

Рисунок 8. Кривые высвобождения цефтриаксона из П(3ГБ)-микрочастиц в сбалансированный фосфатный буфер с содержанием препарата 1, 5 и 10 % от массы полимера

15

25

30 35

Врр»в, суч

На начальной стадии эксперимента отток доксорубицина из микрочастиц для всех образцов имел небольшие различия (рис. 9а). Так спустя сутки выход доксорубицина составил 8,7 ± 0,9; 12,0 ± 0,8 и 13,5 ± 1,4% от включенного для микрочастиц, нагруженных 1, 5 и 10 % от массы полимер соответственно. В конце наблюдения был зафиксирован максимальный выход препарата из полимерного матрикса с 10 %

нагружением и составил 37,5 ± 1,8 % от включенного. При этом содержание препарата в среде при инкубировании микрочастиц с 1 и 5 % нагружением к концу эксперимента составило 25,6 ± 2,1 и 29,3 ± 1,8 % от включенного соответственно (рис. 9а).

1 40 " I 35 ¡1 30

^ 5 25 н 20

I!

}

И V

—4

| 25

¡1

5 1 20 I Е

15 1*

I»

з а в!

И

:

ли*; ,

?

л-

нн-

-н

_____{

20

15 20 25

30 35 Вргая, сут

30 35 в 0 5 А Врет, сут £

Рисунок 9. Кривые высвобождения доксорубицина (А) и паклитаксела (Б) из П(ЗГБ)-микрочастиц в сбалансированный фосфатный буфер с содержанием препаратов 1, 5 и 10 % от массы полимера

Кинетика оттока паклитаксела представлена на Рис. 96. Наибольший выход препарата к концу наблюдения зафиксирован у микрочастиц с максимальной нагрузкой и составил 21,0 ± 1,3 % от включенного. Выход паклитаксела из микрочастиц, нагруженных 1 и 5 % от массы полимера, при этом не превышал 7,8 ± 0,8 и 15,1 ± ОД % соответственно.

I35

я 3 30

V о

II25

I 6 20 I* 15

• I 10

II 5

Ш 1

\

-4-

20 25

§ 6 !* * 1

40 35 30 25 20 15 10 5 О

• 3 ' 10%

. !

..______—

-4

10 15 20 25 30 35

Время, сут

30 35 и и

А Время, сут ^

Рисунок 10. Кривые высвобождения диклофенака (А) и дексаметазона

(Б) из П(ЗГБ)-микрочастиц в сбалансированный фосфатный буфер с

содержанием препаратов 1, 5 и 10 % от массы полимера

В первые сутки наблюдения доля высвободившегося диклофенака

составляла в среднем 5,1 ± 0,9; 10,7 ± 1,5 и 21,3 ± 2,1 % от включенного для

микрочастиц, нагруженных 1, 5 и 10 % от массы полимера соответственно

(рис. 10а). При этом отток дексаметазона для всех образцов в первые сутки

наблюдения составлял около 10 % от включенного (рис. 106). Максимальное

значение доли высвободившегося дексаметазона к концу эксперимента характерно для микрочастиц, нагруженных препаратом 10 % от массы полимера, которое составило 36,7 ±2,1 % от включенного (рис. 106).

Полученные результаты оттока противовоспалительных препаратов позволили перейти к дальнейшему исследованию возможности комбинированного нагружения микрочастиц диклофенаком и дексаметазоном. Полученные микрочастицы имели правильную сферическую форму и средний диаметр 630 ± 10 нм.

Рисунок 11. (А) Кривые высвобождения противовоспалительных препаратов из микрочастиц на основе П(ЗГБ); (Б) Изменение размерного распределения (гистограмма) и С,-потенциала макрочастиц (кривая) при инкубировании в сбалансированном фосфатном буфере

Показано, что выход диклофенака из микрочастиц при комбинированном нагружении происходил с большей скоростью, чем дексаметазона (рис. 11 а). Начиная с шестых суток и до конца эксперимента, доля высвободившегося дексаметазона не превышала 15,5 ± 1,5 %, диклофенака — 31,4 ± 1,9%.

Наблюдение за динамикой коллоидной стабильности суспензий позволяет избежать эффекта «слипания» системы, или агломерации частиц в водных средах. Такого рода нежелательный эффект может служить причиной тромбоэмболий и окклюзий сосудов. Роль привносимого системой ЛП в ионном составе среды также имеет место.

В ходе наблюдения за сконструированными формами зафиксированы колебания (-потенциала и размеров микрочастиц (рис. 116, 12, 13), что может быть связано с увеличением концентрации ЛП в модельной среде, которая способствовала увеличению количества свободных ионов, а, следовательно, минимизированию энергии на поверхности частиц.

Для микрочастиц, нагруженных дексаметазоном, характерно увеличение ¿-потенциала ко вторым суткам до -3 мВ, что объясняет образование агломератов размером до 1153 ± 63 нм (рис. Т2г). Начиная с третьих суток наблюдения, величина электрокинетического потенциала стабилизировалась и варьировала в пределах от -11,9 ± 0,4 до -23,7 ± 0,4 мВ с изменением размеров образованных агломератов от 617,7 ± 16,9 до 11 17 ± 110 нм (рис.12в).

I 800

□1 «5 СИОН

исх 1

П1 в5 С110% 2 3 6 9 17 24 31

17 24 31

Время, сут 2 1

5 010%

Время, су г

□ 1 Я5 □ 10% 2 3 6 9 17 24 31

. 1 нсх 1 2 3 6 9 17 24 31

|||ртщр

В Врой, сут р Время, сут

Рисунок 12. Изменение размерного распределения и потенциала микрочастиц, нагруженных диклофенаком (А, Б) и дексаметазоном (В, Г), при инкубировании в сбалансированном фосфатном буфере

В отношении микрочастиц с комбинированным нагружением противовоспалительных препаратов видно, что уже после первых суток инкубирования частицы агломерируют с увеличением размера агломератов до 2157 ± 230 нм, что в 3,4 раза больше относительно исходных размеров (рис. 11 б). Далее, через 6 суток размер агломератов уменьшался до 2000 нм, и сохранялся на этом уровне до конца эксперимента. При этом отмечено снижение величины С-потенциала относительно исходного значения (табл.3), начиная с шестых суток до -26,7 ± 0,3 мВ с дальнейшим сохранением на этом уровне до конца эксперимента.

15 о 10%

6 9 17 24 31

исх I

Время, с> г

Рисунок 13. Изменение размерного распределения (А) и С-потенциала микрочастиц (Б), нагруженных цефтриаксоном, при инкубировании в сбалансированном фосфатном буфере

Также, отмечено незначительное снижение ^-потенциала микрочастиц, нагруженных цефтриаксоном, начиная с шестых суток, по мере выхода препарата в среду, до -21,9 ± 0,4; -23,0 ± 0,8 и -24,1 ± 0,5 мВ к концу

эксперимента, для микрочастиц, нагруженных I, 5 и 10 % от массы полимера соответственно (рис. 136). При этом явление агломерации для данных образцов не характерно, и размерное распределение частиц при наблюдении практически не изменялось (рис. 13а).

□ 1 а 5 □ 10%

lililí

5 010%

6 9 17 24 31

Время, сут

Рисунок 14. Изменение размерного распределения и ("-потенциала микрочастиц, нагруженных доксорубицином (А, Б) и пакпитакселом (В, Г), при инкубировании в сбалансированном фосфатном буфере

В отношении стабильности лекарственных форм инкапсулированного доксорубицина также отмечены колебания ^-потенциала в ходе наблюдения (рис. 146). Для данных образцов, нагруженных доксорубицином 1 % от массы полимера, к концу наблюдения зафиксировано образование из микрочастиц агломератов размером до 725,0 ± 28,1 нм. Однако, при увеличении степени нагружения микрочастиц доксорубицином до 5 и 10 % от массы полимера наблюдалось наиболее стабильное состояние суспензии частиц с незначительными колебаниями размерных характеристик. Для паклитаксел-нагруженных микрочастиц характерны высокие значения размера и низкие отрицательные значения ("-потенциала (рис. 14в, г).

В целом, колебания ("-потенциала, характерные для микрочастиц, нагруженных выбранными препаратами, приводили к непродолжительной и обратимой агломерации частиц, что свидетельствует об удовлетворительной стабильности сконструированных форм ЛП в модельной среде.

Таким образом, показана возможность включения в состав [ТГА-микрочастиц разнообразных препаратов, что позволяет сделать вывод о перспективности использования данного класса полимеров для создания лекарственных форм, а также дает возможность перейти к экспериментам эффективности их действия in vitro и in vivo.

Биосовместимость и адгезионные свойства микрочастиц из ПГА т уМго

Для определения потенциальной цитотоксичности разработанных носителей исследовали жизнеспособность фибробластов линии ШН ЗТЗ, культивируемых в присутствии ПГА-микрочастиц, простершшзованных

НгОг-плазмой (рис. 15).

САвтсклавироеание ■ Н202 плазма

или автоклавированием, с использованием МТТ-теста

Рисунок 15. Количество клеток, адгезированных на поверхности микрочастиц

спустя 3 часа после посева:

1 — П(ЗГБ)

2 — П(ЗГБ-со-ЗГВ) 6,5мол.%,

3 - П(ЗГБ-со-ЗГВ) 10,5 мол.%,

4 - П(ЗГБ-со-ЗГВ) 20,0 мол. %,

5 - П(ЗГБ-со-ЗГГ) 7,0 мол. %,

6 - ЩЗГБ-со-ЗГГ) 37,0мол.%, 7- П(ЗГБ-со-4ГБ) 6,1 мол.%,

8 - П(ЗГБ-со-4ГБ) 16,0 мол.%. В качестве контроля - полистирол

Контроль 1

Тип ПГА

Результаты показали отсутствие цитотоксического эффекта микрочастиц из ПГА, после стерилизации обоими способами. При этом количество жизнеспособных клеток, адгезированных на поверхности матриксов, простерилизованных Н202-плазмой, по сравнению с автоклавированными во всех вариантах было выше (рис. 15).

ЩЗГБ) П(ЗГБ-со-ЗГВ) П(ЗГЪ-со-ЗГВ) П(ЗГЪ-со-ЗГГ) 1КЗГБ-СО-4ГБ) ЩЗГБ-СО-4ГБ)

6,5 мол."/» 3" мол.% 7 мол.% 6.1 мол.% 16 мол.%

Рисунок 16. Окрашенные БАР1 фибробласты линии ШН ЗТЗ на микрочастицах после стерилизации в автоклаве (а) и обработки плазмой Н¡О2 (б) через 3 дня после посева

Результаты подсчета клеток с использованием флуоресцентного красителя БАР1 дали следующие результаты: спустя трое суток после засева клетки были хорошо распластаны и формировали монослой (рис.16).

В целом, выявленные в результате окрашивания и подсчета адгезированных клеток данные свидетельствуют об отсутствии цитотоксичности ПГА- микрочастиц.

Влияние размера микрочастиц на жизнеспособность и на поглощение частиц фибробластами L929

При оценке воздействия П(ЗГБ-со-ЗГВ)-частиц разных размеров (166, 426 и 1900 нм) с содержанием флуоресцентного красителя Nile Red на жизнеспособность мышиных фибробластов линии L929 с использованием МТТ-теста, показано отсутствие негативного эффекта токсичности частиц во всех экспериментальных группах.

При проведении исследования поглощения П(ЗГБ-со-ЗГВ) частиц различного размера клетками, установлено, что внутрь клеток способны проникать только частицы со средним диаметром 166 и 426 нм (рис. 17а,б). При этом крупные микрочастицы со средним диаметром 1900 нм не проникали через клеточную мембрану (рис. 17в).

Рисунок 17. Конфокальные микрофотографии фибробластов L929 при контакте с П(ЗГБ-со-ЗГВ)-частиц разного размера: а - 166; б - 426 и в — 1900 нм; наложение окраски цитоскелета красителем FITC на окрашивание наночастиц с включением флуоресцентного красителя Nile Red

Интересно, что после проникновения частицы, как правило, находились в цитоплазме вблизи ядер. При этом частицы оказались нетронутыми лизосомами, поскольку в противном случае лизис частиц лизосомальными ферментами привел бы к высвобождению красителя Nile Red в среду и окрашиванию всех органелл клеток.

Адгезия моноцитов периферической крови на микрочастицах

Культивирование моноцитов крови в присутствии полимерных частиц является системой экспресс-оценки реактивности макрофагальной системы на образец. Для определения количества адгезированной на микрочастицах популяции моноцитов использовали МТТ-тест. Показано, что количество адгезированных клеток зависело от размеров частиц. На частицах размером меньше 200 нм адгезированных клеток зафиксировано в 2 раза больше, чем на частицах размером 500 нм. Также отмечено, что количество адгезированных клеток зависело не только от размеров частиц, но и от

22

химического состава полимера, используемого для их получения. Так, на частицах размером 500 им, полученных из П(ЗГБ), количество адгезированных клеток было в 2 раза меньше, чем на частицах того же размера, полученных из П(ЗГБ-со-4ГБ) 6,1 мол.%.

Полученные результаты позволяют заключить, что in vitro адгезия неактивированных моноцитов на подложках из наночастиц зависит от их размеров, а также от химического состава ПГА.

Исследование эффективности действия разработанных форм in vitro

Бактерицидное действие сконструированных форм антибактериальных

препаратов in vitro

Антибактериальную активность П(ЗГБ)-микрочастиц с цефтрнаксоном определяли с использованием диско-диффузионного метода на культурах клеток Escherichia coli, Pseudomonas species и Staphylococcus aureus. В качестве контроля использовали коммерческий диск антибактериального препарата (с содержанием 0,03 мг препарата, BioRad, Франция). Концентрация включенного цефтриаксона при внесении микрочастиц в культуры клеток в виде суспензии составила 10, 15 и 20 мг/мл.

Наиболее выраженный антибактериальный эффект после внесения диска отмечен в отношении E.coli (табл. 1) с зоной задержки роста 37,0 мм; для Pseudomonas spp. зона задержки составила 20,0 мм и для S.aureus- 26,0 мм, что соответствует допустимым значениям чувствительности данных микроорганизмов согласно МУК 4.2.1890-04 (табл. 4).

Таблица 4. Диаметр зон задержки роста E.coli, Pseudomonas spp. и S. aureus

Образец Диаметр зоны ингибирования, мм

E.coli S. aureus Pseudomonas spp.

Доступные диапазоны 29-35 22-28 14-20

П(ЗГБ)-микрочастицы, ненагруженные препаратом отсутствует отсутствует отсутствует

Физиологический раствор отсутствует отсутствует отсутствует

Коммерческий диск (0,03 мг) 37,0 26,0 20,0

П(ЗГБ)-микрочастицы, с содержанием цефтриаксона 10 мг/мл 32,5 23,0 отсутствует

Г1(ЗГБ)-микрочастицы, с содержанием цефтриаксона 15 мг/мл 38,0 28,0 26,0

П(ЗГБ)-микрочастицы, с содержанием цефтриаксона 20 мг/мл 41,5 30,0 30,0

Отмечена эффективная задержка роста культуры E.coli, с увеличением концентрации цефтриаксона в микрочастицах от 10 до 20 мг/мл диаметр зон ингибирования увеличивался от 32,5 до 41,5 мм, что свидетельствует о наличии высокой чувствительности микроорганизмов к данному антибиотику в форме ПГА-частиц (табл.4). В отношении S.aureus отмечен лучший антибактериальный эффект по сравнению с Pseudomonas spp., что скорее всего также связано с наибольшей чувствительностью клеток к данному препарату.

В качестве контролей взяты П(ЗГБ) микрочастицы без препаратов и физиологический раствор, используемый для суспендирования микрочастиц (табл.4). В обоих случаях ингибирования роста анализируемых культур не наблюдалось, что исключает возможность влияния химического состава полимера и среды, используемой для суспендирования, на полученные результаты.

Таким образом, показана эффективность действия разработанных микрочастиц, содержащих цефтриаксон, с подавлением роста анализируемых культур в пределах допустимых значений. В целом, использование инкапсулированного препарата обеспечило нерезкий, но длительный ингибнрующий эффект в зависимости от величины включения лекарственного препарата.

Эффективность действия сконструированных форм противоопухолевых

препаратов in vitro

Оценку эффективности действия полимерных микрочастиц, нагруженных противоопухолевым препаратом - паклитакселом, проводили в культуре опухолевых клеток HeLa относительно препарата в свободной форме в тех же концентрациях: 0,6; 3,2 и 6,0 мг/мл, используя МТ'Г тест и окрашивание клеток флуоресцентными красителями Live-Dead и Annexin V-FITC-PI. Краситель Live-Dead применяли для определения соотношения живых и мертвых клеток, а Annexin V-FITC-P1 - для выявления апоптоза и некроза.

При использовании микрочастиц с самой высокой нагрузкой (6 мг/мл) эффект депонированного паклитаксела сопоставим со свободной формой, как по времени начала действия, так и по выраженности воздействия на клетки (рис. 18). Частицы с самой низкой концентрацией (0,6 мг/мл) менее эффективно тормозили рост опухолевых клеток, количество которых к третьим суткам эксперимента составило 0,52*105/мл. В первые сутки выход препарата был низким, на уровне 0,018 мг/мл (рис. 96), и этой концентрации было недостаточно для подавления роста клеток.

Инкубация клеток HeLa совместно с паклитакселом в микрочастицах и в свободной форме в течение 24 часов в стандартных условиях (37 °С, 5 % С02) вызывала апоптоз и некроз в культуре. При введении в культуру паклитаксела в свободной форме с увеличением концентрации от 0,6 до

6,0 мг/мл происходило увеличение количества некротических клеток от 15 до 50 % от общего числа. В условиях культивирования клеток с П(ЗГБ)-формой паклитаксела доля некротических клеток была ниже и с увеличением концентрации от 0,6 до 6,0 мг/мл возрастала от 7 до 36 % от общего числа. В тоже время, при инкубировании клеток в контроле количество клеток с ранним апоптозом и клеток с постапоптотическим некрозом не превышало 4 % от общего числа, а некротические клетки отсутствовали.

«3,2

5,5

5 4=5

4

3.5 3 2.5 2 1.5 1

0.5 О

k I

частицы препарат 1 день

частицы препарат частицы

2 день 3 день

Рисунок 18. МТТ-тест: влияние концентрации свободного и инкапсулированного паклитаксела на количество

жизнеспособных клеток в культуре НеЬа: концентрация препарата 0,6; 3,2; 6,0мг/мл

Таким образом, в культуре HeLa продемонстрирована эффективность действия паклитаксела, депонированного в П(ЗГБ)-микрочастицы, при максимальной степени нагрузки с содержанием препарата в частицах 6,0 мг/мл.

Эффективность действия сконструированных форм противоопухолевых

препаратов in vivo

Эффективность действия полимерных микрочастиц, содержащих противоопухолевый препарат - доксорубицин, проводили на лабораторных мышах линии Balb/c с солидной формой карциномы Эрлиха (КЭ). Спустя 7 суток после прививания клеток КЭ в бедро животных распределяли на 5 групп: 1-я группа - интактные животные, 2-я животные с привитой КЭ, не получавшие лекарственной терапии (К"). Животным 3-й группы на 7-е сутки после прививания клеток КЭ и далее еженедельно вводили по 0,2 мг свободного доксорубицина внутривенно (К4"). Животным 4-й и 5-й (экспериментальных) групп й место пальпации опухоли вводили в 0,2 мл физиологического раствора, соответственно, одну и две цикловые дозы инкапсулированного доксорубицина, что соответствует 75 мг/м2и 150 мг/м2 инкапсулированного доксорубицина.

Исходные значения диаметра бедра животных во всех группах перед началом терапии были одинаковыми и составили в среднем 0,75 ± 0,03 см. Спустя 28-м суток после прививания клеток КЭ в группе К" данный показатель значительно возрос (1,70 ± 0,01 см), в то время как в группе К+ составил - 1,05 ± 0,03 см. Животные экспериментальных групп, получившие

одну и две цикловые дозы доксорубицина в форме микрочастиц, имели более высокие значения данного показателя, 1,48 ± 0,05 и 1,77 ± 0,06 см соответственно, что, скорее всего, связано с отеком мышечных тканей, вследствие разрушения П(ЗГБ)-микрочастиц и оттока токсичного доксорубицина в окружающие ткани.

После первой недели терапии в группе К+ некрозы в опухолевой ткани имели обширные поля ближе к центральным отделам опухоли, по периферии (зона инфильтративного роста) опухолевая ткань сохранялась. В экспериментальных группах некрозы в опухолевой ткани также сформированы в виде крупных полей, располагающихся в центральных отделах, п более мелких, рассеянных хаотично по периферическим отделам. К третьей недели терапии подавление опухолевого процесса в группе К и экспериментальных группах было сопоставимо и составило около 70 % от площади опухолевой ткани.

При анализе картины крови у животных экспериментальных групп не обнаружено систематических изменений, выходящих за границы физиологической нормы и значимых различий по сравнению с интактными животными.

Результаты экспериментальной оценки противоопухолевой эффективности доксорубицина на модели животных с солидной формой КЭ показали возможность введения цитостатического препарата местно в область формирования опухоли. В целом, цитостатический препарат, вводимый лабораторным животным в инкапсулированной форме сопоставимо со свободной формой, тормозил развитие опухолевого процесса.

ВЫВОДЫ

1. Сконструирована серия микрочастиц эмульсионным методом (от 670 до 2600 нм) и методом распылительного высушивания (от 2080 до 8600 нм); доказано влияние параметров процесса получения (температура, концентрация и скорость подачи раствора полимера) на ("-потенциал и размер микрочастиц.

2. С применением методов этерификации и трансэтерификации осуществлено снижение молекулярной массы П(ЗГБ) (М\у от 1479,5 до 6,2 кДа) и увеличение гидрофилыюсти поверхности путем присоединения к П(ЗГБ) монометокисполиэтиленгликоля со снижением отрицательного значения ("-потенциала (до -36,2 мВ) по сравнению с микрочастицами, полученными на основе П(ЗГБ) (-10,7 мВ).

3. Доказано, что присутствие в составе молекул ПГА мономеров 3-гидроксивалерата, 3-гидроксигексаноата, 4-гидроксибутирата ведет к увеличению размеров микрочастиц (от 670 до 2600 нм), и к снижению ('-потенциала (от-10,7 до-32,2 мВ).

4. Нагружение микрочастиц антибактериальными, противовоспалительными и противоопухолевыми препаратами оказывает влияние на эффективность инкапсулирования (от 19,5 % для паклитаксела до 81,5 % для цефтриаксона); на размер (от 430 нм для доксорубицина до 1300 нм для паклитаксела); и на ('-потенциал (от -11 мВ для диклофенака и до -30 мВ для паклитаксела); показана удовлетворительная стабильность сконструированных форм в модельной среде в течение месяца.

5. В культуре опухолевых клеток HeLa доказана эффективность действия депонированного паклитаксела; бактерицидное действие депонированного цефтриаксона подтверждено подавлением роста культур (E.coli, Pseudomonas spp. и S.aureas) в пределах допустимых значений их чувствительности. На модели солидной формы карциномы Эрлиха показана противоопухолевая эффективность депонированного доксорубицина, а также пригодность П(ЗГБ) в качестве микроносителя для местного введения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Goreva, A.V. Microparticles prepared from biodegradable polyhydroxyalkanoates as matrix for encapsulation of cytostatic drug / A.V. Goreva, E.I. Shishatskaya, A.M. Kuzmina fShershneva). T.G. Volova, A.J. Sinskey // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. - 2013. - V.24. -P.1905-1915

2. Eke, G. In vitro and Transdermal Penetration of PHBV Micro/Nanoparticles / G. Eke, A.M. Kuzmina (Shershneva). A.V. Goreva, E.I. Shishatskaya, N. Hasirci, V. Hasirci // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. - 2014. - V.25. -P. 1471-1481

3. Шишацкая, Е.И. Исследование лекарственной эффективности доксорубицина, депонированного в микрочастицы из резорбируемого «Биопластотана», на лабораторных животных с солидной формой карциномы Эрлиха / Е.И. Шишацкая, А.В. Горева, A.M. Кузьмина (Шершнева) // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 2012. - Т. 154, №12. -С. 741-745

4. Шершнева. A.M. Исследование электрокинетического потенциала микроносителей для лекарственных препаратов из резорбируемых полимеров «Биопластотан» / A.M. Шершнева, А.В. Муруева, Е.И. Шишацкая, Т.Е. Волова // Биофизика. - 2014. - Т.59, № 4. - С. 684-691

5. Шершнева, A.M. Конструирование микрочастиц на основе резорбируемых полимеров «Биопластотан» с применением метода распылительной сушки / A.M. Шершнева, Е.И. Шишацкая // Журнал Сибирского федерального университета. Серия Биология. - 2014. - Т.7, №2. - С. 195-208

6. Мензянова, Н.Г. Показатели функциональной активности макрофагальных клеток в оценке реакции на биоразрушаемые имплантаты / Н.Г. Мензянова, Е.Д. Николаева, Д.В. Чернобровкина, A.M. Шершнева, Е.И. Шишацкая // Журнал Сибирского федерального университета. Серия Биология. - 2015. -Т.8, №2. - С. 254-263

Подписано в печать: 8.10.2015 г. Формат ПЛ-2,0. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Отпечатано в ООО «Электробытгехника», ИНН 2460002113, г. Красноярск, ул. Бограда, 93а, тел.:(391) 221-76-76, e-mail: gortip@mail.ru.