シクロデキストリンNanospongeヒドロゲル中のイブプロフェンカプセル化の輸送特性：プロトンHR-MAS NMR分光研究
Summary
βシクロデキストリンナノスポンジポリマーネットワーク中にカプセル化イブプロフェンの運動レジメンは、パルス磁場勾配スピンエコー（PGSE）NMR技術を用いて調べました。合成、精製、薬物負荷、いくつかの観測時間で薬物の平均二乗変位を仕事にするNMRパルスシーケンスとデータ解析の実装が詳細に記載されています。
Abstract
エチレンジアミンテトラカルボン酸二無水物（EDTA）を有するβシクロデキストリン（β-CD）の化学的架橋は、シクロデキストリンのナノスポンジ（CDNSEDTA）と呼ばれる分岐ポリマーをもたらしました。 4及び1：8 CD-EDTAモル比つの異なる調製物を1で記載されています。対応する架橋されたポリマーは、均質な、無色の、薬物ロードされたヒドロゲルをもたらすイブプロフェンナトリウム塩（IP）の0.27 M水溶液と接触させました。
システムは、高分解能マジック角スピニング（HR-MAS）NMR分光法によって特徴付けられました。パルス磁場勾配スピンエコー（PGSE）NMRスペクトルは、D、T、異なる観察時間でポリマーゲル内部IPの平均二乗変位（MSD）を決定するために使用しました。 MSD = F（T d）は ：データは、さらに、MSDの時間依存性を研究するために処理しました。提案された方法論は、その異なる拡散体制を特徴付けることが有用です原則的に、溶質は、ハイドロゲルの内部に拡散すなわち正常か異常が発生することがあります。ポリマーの調製および精製、薬物を装填したヒドロゲルの取得、NMR試料調製、HR-MAS NMR分光法によるMSDの測定とMSDの時間依存性を達成するための最終的なデータ処理を含む完全なプロトコルはここで報告し、議論されています。提示された実験は、パラダイムケースを表し、データは、薬物送達のための潜在的な用途のポリマーホスト内に封入されたゲストの輸送特性の特性に革新的なアプローチの観点から議論されています。
Introduction
非共有結合性相互作用、潜在的な生化学的活性を有する小分子を経由して、封入することが可能なポリマー系の設計および製剤中の関心が高まっています。このような材料が選択的標的への活性成分の輸送でアプリケーションを検索し、これに関連してなどのpHの変化、温度、などの外部刺激の作用時に解放することが期待される、ヒドロゲルは、ナノメディシンのための汎用性と強力な材料であることが判明しました薬物1の制御放出の観点インチ高分子ヒドロゲルの形成は、水素結合の存在下で膨潤することができる三次元ネットワークにつながる鎖のii）の共有結合性架橋のようなI）の物理的、非共有結合性相互作用によって高分子鎖を相互接続することによって達成することができます水溶液またはIII）は、2つの上記の方法2-4の組み合わせ。
三ダイムの特に汎用性クラスシクロデキストリンのナノスポンジ（CDNS）を生じさせる8 –有機と無機化学種のカプセル化のためのnsional、膨潤性ポリマーは、テトラカルボン酸5を適切に、活性化誘導体との縮合を介した自然βシクロデキストリン（β-CD）から出発して得ることができます。 CDNSの合成、特性評価およびアプリケーションは、当社グループの連結研究テーマです。 11および環境化学12 – – 14過去数年の結果は、CDNSは、医薬活性成分の制御放出9中のアプリケーションと、腫れ、化学物質の吸収/含めること、および小薬物分子の放出の魅力的な性質を示すことを示しています。
これらの前提を考えると、二つの大きな問題が懸念ポリマーゲル中の活性化合物とゲルマトリックス15中の溶質の移動性の改善された理解を効率的にロード対処すべき</s>アップ。文献は、高分子ネットワーク16,17の小さな分子の拡散メカニズムに関連する実験研究と理論の両方を提供します。パルス磁場勾配スピンエコー（PGSE）NMR分光法は広く、溶媒18中の小分子の並進拡散または純粋な液体の自己拡散を研究するために使用される十分に確立された構造的な方法です。高分解能マジック角スピニング（HR-MAS）NMR技術の最近の発展により、異種の懸濁液に19、ゲルおよび膨潤性ポリマー20,21を移動する分子の高分解能NMRのデータを収集しました。実際、HR-MAS NMR分光法とPGSEパルスシーケンスを組み合わせた実験は、ホストの分子環境に溶質分子を観察するユニークな機会を提供します。ゲルマトリックス内に捕捉された薬物分子の輸送特性に重要なデータを得ることができます。高品質の実験データは、このようにobtaiすることができますNEDは、ナノ構造ホスト – ゲストシステムのより合理的な設計を可能にします。
本研究では、以下のステップのための詳細なプロトコルを記述した：i）合成とCDNSの二つの異なる製剤の精製CDNSEDTAと呼ばれる、EDTAポリマー（ 図1）で架橋された、および別のCD /架橋剤のモルによって特徴づけられます比1：4（CDNSEDTA 1：4）と1：8（CDNSEDTA 1：8）。 ⅱ）の両方CDNSEDTA 1のための薬物を装填したヒドロゲルの調製：4とCDNSEDTA 1：8。このステップでは、モデル薬物分子、人気のある非ステロイド系抗炎症イブプロフェンナトリウム塩（IP）のような、使用しました。 ⅲ）CDNSEDTA内のIPの輸送特性の徹底的な調査はPGSE-HRMAS NMR分光法を介してヒドロゲル。ここで提案する方法は、MSDの時間依存性の分析を行ったハイドロゲル内の封入された薬剤の平均二乗変位（MSD）の測定に基づいています。
私たちワットマトリックス中の薬物のMDSの時間依存性に焦点を当てている – – 唯一の薬剤の拡散係数の決意に基づいて連結方法に比べて情報のより広いスペクトルを提供する上で概説した方法論は、ことを強調しっぽいです。我々は最近、このアプローチはCDNSヒドロゲル内に閉じ込められたIPが経験した、正常と異常拡散体制の識別のために許可されたことが21を実証しました。
そこで我々は、ポリマー合成/精製、薬物負荷ヒドロゲルの形成、HR-MAS NMR特性評価およびMDSデータのデータ処理のステップバイステップの説明はのためのナノ構造システムを特徴付けることに興味科学者のための強力なツールキットであると信じています閉じ込めおよび小分子の放出。
Protocol
Representative Results
Discussion
我々はCDNSEDTAヒドロゲルの2つの代表的な製剤内にカプセル化小薬物分子の拡散体制を決定するために実験的な方法論を提示します。 HR-MAS PGSE NMRは、その後、マイクロメートルスケールでの距離を監視し、（第2までの数ミリ秒の範囲内で）与えられた拡散時間に小分子の平均二乗変位の決意を可能にします。動きの一つのタイプは、各研究システムで観察される – （170ミリ秒50）の範囲で観察…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors gratefully acknowledge PRIN 2010-2011 NANOMED prot. 2010 FPTBSH and PRIN 2010-2011 PROxy prot. 2010PFLRJR_005 for funding.
Materials
| HR-MAS probe | BRUKER | N/A | Probe for NMR measurements on semi-solid samples |
| NMR Spectrometer | BRUKER | DRX 500 | FT NMR spectrometer for liquid ans semi-solis state |
| β-cyclodextrin (β-CD) | Alfa-Aesar | J63161 | Reagent |
| Ethylenediaminetetracetic (EDTA) dianhydride | Sigma-Aldrich | 332046 | Reagent |
| Dimethylsulfoxide (DMSO) | Alfa-Aesar | D0798 | Solvent |
| Triethylamine | Sigma-Aldrich | 471283 | Base (reagent) |
| Ibuprofen (IP) sadium salt | Sigma-Aldrich | I1892 | Antinflammatory drug |
| Excel 2010 | Microsoft | N/A | speadsheet for data analysis |
| Origin 8 SR0 | OriginLab Co. | speadsheet for data analysis |
Referenzen
- Sharpe, L. A., Daily, A. M., Horava, S. D., Peppas, N. A. Therapeutic applications of hydrogels in oral drug delivery. Expert Opin. Drug Deliv. 11, 901-915 (2014).
- Hennik, W. E., van Nostrum, C. F. Novel crosslinking methods to design hydrogels. Adv. Drug Deliv. Rev. 54, 13-36 (2002).
- Yu, L., Ding, J. D. Injectable hydrogels as unique biomedical materials. Chem. Soc. Rev. 37, 1473-1481 (2008).
- Ma, M., Kuang, Y., Gao, Y., Zhang, Y., Gao, P., Xu, B. Aromatic-Aromatic Interactions Induce the Self-Assembly of Pentapeptidic Derivatives in Water To Form Nanofibers and Supramolecular Hydrogels. J. Am. Chem. Soc. 132, 2719-2728 (2010).
- Trotta, F., Tumiatti, W. . Patent WO. , (2003).
- Trotta, F., Tumiatti, W., Cavalli, R., Zerbinati, O., Roggero, C. M., Vallero, R. Ultrasound-assisted synthesis of cyclodextrinbased nanosponges. Patent WO. , (2006).
- Trotta, F., Cavalli, R. Characterization and applications of new hyper-cross-linked cyclodextrins. Compos. Interface. 16, 39-48 (2009).
- Cavalli, R., Trotta, F., Tumiatti, W. Cyclodextrin-based nanosponges for drug delivery. J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. 56, 209-213 (2006).
- Trotta, F., et al. Cyclodextrin-based nanosponges as a vehicle for antitumoral drugs. Patent WO. , (2009).
- Vyas, A., Shailendra, S., Swarnlata, S. Cyclodextrin based novel drug delivery systems. J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. 62, 23-42 (2008).
- Swaminathan, S., Vavia, P. R., Trotta, F., Torne, S. Formulation of beta-cyclodextrin based nanosponges of itraconazole. J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. 57, 89-94 (2007).
- Mamba, B. B., Krause, R. W., Malefetse, T. J., Gericke, G., Sithole, S. P. Cyclodextrin nanosponges in the removal of organic matter to produce water for power generation. Water SA. 34, 657-660 (2008).
- Mamba, B. B., Krause, R. W., Malefetse, T. J., Nxumalo, E. N. Monofunctionalized cyclodextrin polymers for the removal of organic pollutants from water. Environ.Chem. Lett. 5, 79-84 (2007).
- Mhlanga, S. D., Mamba, B. B., Krause, R. W., Malefetse, T. J. Removal of organic contaminants from water using nanosponge cyclodextrin polyurethanes. J. Chem. Technol. Biot. 82, 382-388 (2007).
- Lehmann, S., Seiffert, S., Richtering, W. Spatially Resolved Tracer Diffusion in Complex Responsive Hydrogels. J. Am. Chem. Soc. 134, 15963-15969 (2012).
- Ferrer, G. G., Pradas, M. M., Ribelles, J. L. G., Colomer, F. R., Castilla-Cortazar, I., Vidaurre, A. Influence of the nature of the porous confining network on the sorption, diffusion and mechanical properties of hydrogel IPNs. Eur. Polym. J. 46, 774-782 (2010).
- Santoro, M., Marchetti, P., Rossi, F., Perale, G., Castiglione, F., Mele, A., Masi, M. Smart approach to evaluate drug diffusivity in injectable agar-carbomer hydrogels for drug delivery. J. Phys. Chem B. 115, 2503-2510 (2011).
- Johnson, C. S. Diffusion ordered nuclear magnetic resonance spectroscopy: principles and applications. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectroscopy. 34, 203-256 (1999).
- Viel, S., Ziarelli, F., Caldarelli, S. Enhanced diffusion-edited NMR spectroscopy of mixtures using chromatographic stationary phases. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 100, 9696-9698 (2003).
- Alam, T. M., Hibbs, R. M. Characterization of heterogeneous solvent diffusion environments in anion exchange membranes. Macromolecules. 47, 1073-1084 (2014).
- Ferro, M., Castiglione, F., Punta, C., Melone, L., Panzeri, W., Rossi, B., Trotta, F., Mele, A. Anomalous diffusion of Ibuprofen in cyclodextrin nanosponges hydrogels: an HR-MAS NMR study. Beilstein J. Org. Chem. 10, 2715-2723 (2014).
- Wolf, G., Kleinpeter, E. Pulsed Field Gradient NMR Study of Anomalous Diffusion in a Lecithin-Based Microemulsion. Langmuir. 21, 6742-6752 (2005).
- Rossi, F., Castiglione, F., Ferro, M., Marchini, P., Mauri, E., Moioli, M., Mele, A., Masi, M. Drug-Polymer interactions in hydrogel-based drug-delivery systems: an experimental and theoretical study. Chem. Phys. Chem. , (2015).
