Een Facile en efficiënte aanpak voor de productie van omkeerbare Disulfide Cross-linked micellen
Summary
To deliver cancer drugs to tumor sites with high specificity and reduced side effects, new methods based on nanoparticles are required. Here, we describe disulfide cross-linked micelles that can be easily prepared by hydrogen peroxide-mediated oxidation and are able to dissociate efficiently under a reducing tumor environment to release payloads.
Abstract
Nanogeneeskunde is een nieuwe vorm van therapie die de unieke eigenschappen van deeltjes die nanometer schaal voor biomedische toepassingen benut. Verbetering van de drug delivery om therapeutische resultaten te maximaliseren en drugs geassocieerde bijwerkingen te verminderen zijn enkele van de hoekstenen van het huidige nanomedicine. Nanodeeltjes in het bijzonder hebben een brede toepassing in de behandeling van kanker gevonden. Nanodeeltjes die een hoge mate van flexibiliteit in het ontwerp, toepassing en productie op basis van de tumor micro bieden worden geprojecteerd effectiever met snelle vertaling in de klinische praktijk. Het polymere micellaire nano-carrier is een populaire keuze voor drug delivery applicaties.
In dit artikel beschrijven we een eenvoudig en doeltreffend protocol voor het synthetiseren van met geneesmiddel beladen, disulfide verknoopte micellen basis van de zelf-assemblage van een welomschreven amfifiele dendritische lineair copolymeer (telodendrimer, TD). TD is samengesteld uit polyethyleen glycol (PEG) als hydrofiel segment en een gethioleerde cholinezuur cluster als kernvormende hydrofoob deel verbonden stapsgewijs een met amine beëindigd middels PEG-oplossing op basis peptidechemie. Geneesmiddelen voor chemotherapie, zoals paclitaxel (PTX), kunnen worden geladen met een standaard werkwijze met oplosmiddelverdamping. De O 2 gemedieerde oxidatie werd eerder gebruikt om intra-micellaire disulfide cross-links van vrije thiol groepen op de TD's te vormen. De reactie was traag en niet haalbaar voor grootschalige productie. Onlangs werd een H 2 O 2 bemiddelde oxidatiewerkwijze onderzocht als een meer haalbare en efficiënte aanpak en het was 96 keer sneller dan de eerder beschreven methode. Met deze benadering hebben 50 g PTX-loaded, disulfide verknoopte nanodeeltjes met succes geproduceerd met een smalle deeltjesgrootteverdeling en geneesmiddelbelading hoge efficiency. De stabiliteit van de verkregen miceloplossing wordt geanalyseerd met verstoren aandoeningen zoals co-incubatie wet een detergens natriumdodecylsulfaat, met of zonder een reductiemiddel. De met geneesmiddel beladen, disulfide verknoopte micellen toonde dat de hemolytische activiteit in vergelijking met hun niet-verknoopt tegenhangers.
Introduction
Nanotechnologie is een snel opkomende gebied dat een aantal biomedische gebieden 1 heeft geprofiteerd. Nanodeeltjes mogelijkheden voor het ontwerpen en afstemmen eigenschappen die niet haalbaar zijn met andere soorten conventionele therapeutica. Nano-carriers verbeteren van de stabiliteit van geneesmiddelen tegen biologische afbraak, te verlengen drug circulatie tijd, oplosbaarheid drugsproblematiek te overwinnen, en kan verfijnd voor gerichte toediening van geneesmiddelen en voor co-leveren imaging agenten 1,2 zijn. Nanodeeltjes gebaseerde afgiftesystemen houden belofte in kanker beeldvorming en behandeling. Tumor vasculatures zijn lekkende macromoleculen en kan leiden tot preferentiële ophoping van circulerende nanodeeltjes op tumorplaatsen via de verhoogde permeabiliteit en retentie (EPR) effect 3. Onder de verschillende nano-dragers (bijvoorbeeld liposomen, hydrogels, en polymere micellen) dat actief als dragers voor anti-kanker medicijnen worden nagestreefd, hebben polymere micellen opgedaan grote populariteit in the afgelopen tien jaar 4,5.
Polymere micellen een thermodynamisch systeem, op intraveneuze toediening, kan mogelijk worden onder de kritische micel concentratie (CMC) verdund, wat leidt tot de dissociatie in unimers. Verknoping strategieën zijn toegepast om dissociatie in micellaire unimers minimaliseren. Echter overmatig gestabiliseerd micellen voorkomen dat het geneesmiddel uit los op de doelwitplaatsen, waardoor de totale therapeutische werkzaamheid verminderen. Verschillende chemische middelen zijn beproefd om de verknoping afbreekbaar reactie op redox of externe stimuli, zoals reduceerbare disulfidebindingen 6,7 en pH-splitsbare 8 of hydrolyseerbare esterbindingen 9,10.
We hebben eerder gemeld het ontwerpen en synthetiseren van micellaire nanopartikels bestaande uit dendritische cholinezuur (CA) blokken en lineair polyethyleen glycol (PEG) copolymeren, hierna telodendrimers (TD) 11-15 </sup>. Deze TD worden weergegeven als PEG nK -CAy (waarbij n = molecuulgewicht in kilodalton (K), y = aantal cholinezuur (CA) eenheden). Ze worden gekenmerkt door hun geringe omvang, lange houdbaarheid en een hoge efficiëntie inkapselen geneesmiddelen zoals paclitaxel (PTX) en doxorubicine (DOX) bij de hydrofobe kern. De bouwstenen van TD, zoals PEG, lysine en CA, biocompatibel, en de aanwezigheid van een corona PEG kan een "stealth" nanodeeltjes karakter geven, dat niet-specifieke opname van micellaire nanopartikels door het reticulo-endotheliale systeem.
Gethioleerde lineaire dendritische polymeren kunnen gemakkelijk worden gegenereerd door het introduceren van cysteïnen in de dendritische oligo-lysine ruggengraat van onze standaard TDS. Dit artikel een gemakkelijke protocol voor de productie van een omkeerbaar verknoopt micellaire geneesmiddelafgiftesysteem door de invoering disulfide verknopingen in de hydrofobe kern van TD (figuur 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
Verscheidene nanodeeltjes zijn onderzocht op hun mogelijke toepassing in geneesmiddelafgifte. Liposomaal doxorubicine en paclitaxel (PTX) -geladen humaan serumalbumine nano-aggregaten van de door de FDA goedgekeurd voor de behandeling van kanker nanotherapeutics. Hoewel klinisch effectieve, beide nanotherapeutics relatief "grote" groot en ze hopen zich in de lever en longen. Polymere micellen met relatief kleinere deeltjes en hogere drug laadcapaciteit zijn in opkomst nanocarriers voor drug delivery. Hun uniek…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Ms.Alisha Knudson for the editorial help. They would also like to acknowledge the financial support from the NIH/NCI (3R01CA115483, to K.S.L.), the DoD PRMRP Award (W81XWH-13-1-0490, to K.S.L.), the NIH/NCI (1R01CA199668, to Y.L.), and the NIH/NICHD (1R01HD086195, to Y.L.).
Materials
| MeO-PEG5K-NH2 | Rapp Polymere | 125000-2 | |
| Fmoc-Lys(Fmoc)-OH | Aaptec | AFK107 | |
| Fmoc-Lys(Boc)-OH | Anaspec | AS-20132 | |
| Fmoc-Cys(Trt)-OH | Aapptec | AAC105 | |
| Dimethylformamide | Fisher Scientific | BP1160-4 | |
| Ethyl ether | Fisher Scientific | E134-20 | |
| N,N-Diisopropylethylamine | Sigma Aldrich | D125806 | |
| Trifluoroacetic acid | Sigma Aldrich | T6508 | Corrosive, handle with care |
| 4-methyl piperidine | Alfa-Aesar | L-02709 | |
| Ebes linker | Anaspec | AS-61924 | |
| Cholic acid | Sigma Aldrich | C1129 | |
| 1,2-Ethanedithiol | Sigma Aldrich | 02390 | Handle inside fume hood. Bleach gloves after usage |
| Triisopropylsilane | Sigma Aldrich | 233781 | |
| Chloroform (anhydrous) | Sigma Aldrich | 288306 | |
| Hydrogen peroxide solution 30% | Aaron Industries | NA | |
| HoBt-Cl | Aaptec | CXZ096 | |
| DIC | Sigma Aldrich | D125407 | |
| Female athymic nude mice (Nu/Nu strain), 6–8 weeks age | Harlan (Livermore, CA) | ||
Riferimenti
- Zhang, L., et al. Nanoparticles in medicine: therapeutic applications and developments. Clin. Pharmacol. Ther. 83, 761-769 (2008).
- Wang, A. Z., Langer, R., Farokhzad, O. C. Nanoparticle Delivery of Cancer Drugs. Annu. Rev. Med. 63, 185-198 (2012).
- Iyer, A. K., Khaled, G., Fang, J., Maeda, H. Exploiting the enhanced permeability and retention effect for tumor targeting. Drug Disc. Today Targets. 11, 812-818 (2006).
- Morachis, J. M., Mahmoud, E. A., Almutairi, A. Physical and chemical strategies for therapeutic delivery by using polymeric nanoparticles. Pharmacol. Rev. 64, 505-519 (2012).
- Kamaly, N., Xiao, Z., Valencia, P. M., Radovic-Moreno, A. F., Farokhzad, O. C. Targeted polymeric therapeutic nanoparticles: design, development and clinical translation. Chem. Soc. Rev. 41, 2971-3010 (2012).
- Li, Y. L., et al. Reversibly stabilized multifunctional dextran nanoparticles efficiently deliver doxorubicin into the nuclei of cancer cells. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 48, 9914-9918 (2009).
- Miyata, K., et al. Block catiomer polyplexes with regulated densities of charge and disulfide cross-linking directed to enhance gene expression. J. Am. Chem. Soc. 126, 2355-2361 (2004).
- Chan, Y., Wong, T., Byrne, F., Kavallaris, M., Bulmus, V. Acid-labile core cross-linked micelles for pH-triggered release of antitumor drugs. Biomacromolecules. 9, 1826-1836 (2008).
- Rijcken, C. J., Snel, C. J., Schiffelers, R. M., van Nostrum, C. F., Hennink, W. E. Hydrolysable core-crosslinked thermosensitive polymeric micelles: synthesis, characterisation and in vivo studies. Biomaterials. 28, 5581-5593 (2007).
- Talelli, M., et al. Core-crosslinked polymeric micelles with controlled release of covalently entrapped doxorubicin. Biomaterials. 31, 7797-7804 (2010).
- Xiao, K., et al. A self-assembling nanoparticle for paclitaxel delivery in ovarian cancer. Biomaterials. 30, 6006-6016 (2009).
- Li, Y., et al. A novel size-tunable nanocarrier system for targeted anticancer drug delivery. J. Control. Release. 144, 314-323 (2010).
- Li, Y., et al. Well-defined, reversible disulfide cross-linked micelles for on-demand paclitaxel delivery. Biomaterials. 32, 6633-6645 (2011).
- Li, Y., et al. Well-defined, reversible boronate crosslinked nanocarriers for targeted drug delivery in response to acidic pH values and cis-diols. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 51, 2864-2869 (2012).
- Li, Y., et al. A smart and versatile theranostic nanomedicine platform based on nanoporphyrin. Nat. Commun. 5, (2014).
- Belenki, B. G., Gankina, E. S. Thin-Layer chromatography of polymers. J. Chromatogr. A. 141, 13-90 (1977).
- Kaiser, E., Colescott, R. L., Bossinger, C. D., Cook, P. I. Color test for detection of free terminal amino groups in the solid-phase synthesis of peptides. Anal. Biochem. 34, 595-598 (1970).
- Pandey, P. S., Rai, R., Singh, R. B. Synthesis of cholic acid-based molecular receptors: head-to-head cholaphanes. J. Chem. Soc., Perkin Trans 1. , 918-923 (2002).
- Riddles, P. W., Blakeley, R. L., Zerner, B. Reassessment of Ellman’s reagent. Methods Enzymol. 91, 49-60 (1983).
- Ahuja, S., Rasmussen, H. Overview of HPLC method development for pharmaceuticals. HPLC Method Development for Pharmaceuticals. , 1-11 (2007).
- Li, Y., Pan, S., Zhang, W., Du, Z. Novel thermo-sensitive core-shell nanoparticles for targeted paclitaxel delivery. Nanotechnology. 20 (6), 065104 (2009).
- Kato, J., et al. Disulfide cross-linked micelles for the targeted delivery of vincristine to B-cell lymphoma. Mol. Pharm. 9, 1727-1735 (2012).
- Lu, S. C. Regulation of glutathione synthesis. Mol. Aspects Med. 30, 42-59 (2009).
- Xiao, K., et al. “OA02” peptide facilitates the precise targeting of paclitaxel-loaded micellar nanoparticles to ovarian cancer in vivo. Cancer Res. 72, 2100-2110 (2012).
- Koo, A. N., et al. Disulfide-cross-linked PEG-poly(amino acid)s copolymer micelles for glutathione-mediated intracellular drug delivery. Chem. Commun. 28, 6570-6572 (2008).
- McLellan, L. I., Wolf, C. R. Glutathione and glutathione-dependent enzymes in cancer drug resistance. Drug. Resist. Update. 2, 153-164 (1999).
- Karala, A. R., Lappi, A. K., Saaranen, M. J., Ruddock, L. W. Efficient peroxide-mediated oxidative refolding of a protein at physiological pH and implications for oxidative folding in the endoplasmic reticulum. Antioxid. Redox Signal. 11, 963-970 (2009).
- Gabizon, A., et al. Cancer nanomedicines: closing the translational gap. Lancet. 384, 2175-2176 (2014).
