Transport eigenschappen van Ibuprofen ingekapseld in Cyclodextrine Nanosponge Hydrogels: A Proton HR-MAS NMR-spectroscopie Studie
Summary
De beweging regimes ibuprofen ingekapseld in β-cyclodextrine nanosponges polymeer netwerk worden bestudeerd met behulp van pulsed-field-gradient spin-echo (PGSE) NMR-techniek. Synthese, zuivering, geneesmiddelbelading, uitvoering van de NMR pulssequentie en gegevensanalyse uitwerken de gemiddelde kwadratische verplaatsing van het geneesmiddel op verschillende observatietijdstippen worden beschreven.
Abstract
De chemische verknoping van β-cyclodextrine (β-CD) met ethyleendiaminetetraazijnzuurdianhydride (EDTA) tot genoemd cyclodextrine nanosponges (CDNSEDTA) vertakte polymeren. Twee verschillende preparaten worden beschreven onder 1: 4 en 1: 8 CD-EDTA molverhoudingen. De overeenkomstige verknoopte polymeren werden in contact gebracht met 0,27 M waterige oplossing van ibuprofen natriumzout (IP) leidt tot homogene kleurloze geneesmiddel geladen hydrogels.
De systemen werden gekenmerkt door een hoge resolutie magic angle spinning (HR-MAS) NMR-spectroscopie. Gepulseerd veldgradiënt spin-echo (PGSE) NMR spectroscopie werd gebruikt om de gemiddelde kwadratische verplaatsing (MSD) van IP binnen de polymere gel bepalen in verschillende observatietijdstippen td. De data werden verder verwerkt om de tijdsafhankelijkheid van MSD bestuderen VIB = f (t d). De voorgestelde werkwijze is nuttig om de verschillende diffusie regimes die karakteriserenin principe kan de opgeloste ervaren in de hydrogel, namelijk normale of abnormale diffusie. De volledige protocols zoals de polymeerbereiding en zuivering, het verkrijgen van met geneesmiddel beladen hydrogels, de NMR monsterbereiding, de meting van MSD door HR-MAS NMR spectroscopie en de uiteindelijke gegevensverwerking de tijdsafhankelijkheid van MSD bereiken worden hier vermeld en besproken . De gepresenteerde experimenten vormen een paradigmatische zaak en de gegevens worden besproken in termen van innovatieve benadering van de karakterisering van de transport eigenschappen van een ingekapselde gast binnen een polymere scala aan mogelijke toepassing voor drug delivery.
Introduction
Er is een groeiende belangstelling voor het ontwerp en formulering van polymere systemen die vangende via niet-covalente binding, kleine moleculen met potentiële biochemische activiteit. Dergelijke materialen zullen naar verwachting toepassingen op het transport van de werkzame selectieve doel te vinden kort na het optreden van externe stimuli, zoals schommelingen in de pH, temperatuur, etc. Hierbij hydrogels bleek veelzijdig en krachtig materialen zijn nanomedicine gezien gecontroleerde afgifte van geneesmiddelen 1. De vorming van polymere hydrogelen kunnen worden bereikt door het onderling verbinden van de macromoleculaire ketens door i) fysische, non-covalente interacties zoals waterstofbindingen, ii) covalente verknoping van de keten leidt tot een driedimensionaal netwerk kunnen zwellen in de aanwezigheid van een waterige oplossing of iii) een combinatie van beide genoemde werkwijzen 2-4.
Een bijzonder veelzijdige klasse van drie-dimensional, zwelbare polymeren voor het inkapselen van organische en anorganische componenten kunnen worden verkregen uitgaande van natuurlijke β-cyclodextrine (β-CD) via condensatie met geschikte geactiveerde derivaten van een tetracarbonzuur 5-8 die tot cyclodextrine nanosponges (CDN). De synthese, karakterisering en toepassing van CDN's is een geconsolideerde onderzoeksthema van onze groep. Resultaten De afgelopen jaren blijkt dat CDN tonen intrigerende eigenschappen van zwelling, absorptie / opname van chemicaliën en afgifte van kleine geneesmiddel moleculen met toepassingen in gecontroleerde afgifte van farmaceutische werkzame bestanddelen 9-11 en milieuchemie 12-14.
Gezien deze gebouwen, twee belangrijke problemen die moeten worden aangepakt betreffen de efficiënt laden van de actieve verbinding in de polymere gel en een beter begrip van de mobiliteit opgeloste stoffen in de gel matrices 15 </sup>. De literatuur biedt zowel experimentele studies en theorieën met betrekking tot de diffusie mechanismen van kleine moleculen in macromoleculaire netwerken 16,17. Een gepulseerd veld-gradiënt spin-echo (PGSE) NMR spectroscopie is een gevestigde methode structurele wijd gebruikt om de translationele diffusie van kleine moleculen in oplosmiddelen 18 of zelfdiffusie zuivere vloeistoffen bestuderen. De recente ontwikkelingen van hoge resolutie magic angle spinning (HR-MAS) NMR-technologie maakt het mogelijk om hoge resolutie NMR-gegevens van de mobiele moleculen te verzamelen in heterogene schorsingen 19, gels en zwelbare polymeren 20,21. Inderdaad, de experimentele opstelling combinatie van HR-MAS NMR-spectroscopie en de PGSE pulssequentie biedt een unieke gelegenheid om de opgeloste moleculen waarnemen in moleculaire omgeving van de gastheer. Belangrijke gegevens over de transporteigenschappen van de omsloten geneesmiddel molecuul binnen een gelmatrix kan aldus worden verkregen. Hoge kwaliteit experimentele gegevens kan dus obtai zijnned waardoor een meer rationele ontwerp van nanogestructureerde gastheer-gast systemen.
In dit werk beschrijven we de gedetailleerde protocollen voor de volgende stappen: i) synthese en zuivering van twee verschillende formulering van CDN verknoopt met EDTA polymeren (figuur 1), aangeduid als CDNSEDTA en gekenmerkt door verschillende CD / verknoper molair verhouding: 1: 4 (CDNSEDTA 1: 4) en 1: 8 (CDNSEDTA 1: 8); ii) de bereiding van met geneesmiddel beladen hydrogels zowel CDNSEDTA 1: 4 en CDNSEDTA 1: 8. In deze stap gebruik gemaakt, als model geneesmiddelmolecuul de populaire niet-steroïdale anti-inflammatoire ibuprofen natriumzout (IP); iii) het grondig onderzoek van de transport eigenschappen van IP binnen de CDNSEDTA hydrogels via PGSE-HRMAS NMR-spectroscopie. De werkwijze die we voorstellen is hier gebaseerd op de meting van de gemiddelde kwadratische verplaatsing (MSD) van het ingekapselde geneesmiddel in de hydrogel, gevolgd door de analyse van de tijdsafhankelijkheid van de MSD.
we wish benadrukken dat de bovengenoemde methode – die gericht is op de tijdsafhankelijkheid van MDS het geneesmiddel in de matrix – wordt een breder spectrum van informatie in vergelijking met de geconsolideerde methode berust op het bepalen van alleen de drug diffusiecoëfficiënt. We hebben onlangs aangetoond 21 dat deze aanpak toegestaan voor de discriminatie van normale en abnormale diffusie regimes ervaren door IP opgesloten in CDN hydrogels.
Wij geloven een dat de stap-voor-stap beschrijving van polymeersynthese / zuivering vorming van de met geneesmiddel beladen hydrogels, HR-MAS NMR karakterisatie en verwerken van MDS data, is een krachtige toolkit voor wetenschappers vindt het karakteriseren nanogestructureerde systemen voor de opsluiting en het vrijkomen van kleine moleculen.
Protocol
Representative Results
Discussion
We presenteren een experimentele methode om de verspreiding regime van een kleine molecule drug ingekapseld binnen twee representatieve formuleringen van CDNSEDTA hydrogels te bepalen. HR-MAS NMR PGSE maakt de bepaling van de gemiddelde kwadratische verplaatsing van kleine moleculen in een bepaalde diffusie tijd (in de orde van enkele milliseconden tot seconde), dan controle afstanden in de micrometer schaal. In het traject waargenomen (50-170 msec) slechts één type beweging wordt waargenomen voor elke onderzochte sys…
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).
