Propriétés Transport d'Ibuprofen encapsulé dans cyclodextrine Nanosponge hydrogels: une étude Spectroscopie RMN Proton HR-MAS
Summary
Les régimes de mouvement de l'ibuprofène encapsulé dans le réseau de polymère nanoéponges ß-cyclodextrine sont étudiées à l'aide spin-écho technique (PGSE) RMN à champ pulsé-gradient. Synthèse, purification, la charge de médicament, la mise en œuvre de la séquence d'impulsions RMN et l'analyse de données pour travailler sur le déplacement quadratique moyen de la drogue à plusieurs reprises d'observation sont décrits en détail.
Abstract
La réticulation chimique du β-cyclodextrine (β-CD) avec un dianhydride éthylènediaminetétraacétique (EDTA) a conduit à des polymères ramifiés appelés nanoéponges de cyclodextrine (CDNSEDTA). Deux préparations différentes sont décrites avec 1: 4 et 1: rapports molaires 8 CD-EDTA. Les polymères réticulés correspondants ont été mis en contact avec une solution aqueuse 0,27 M de sel de sodium de l'ibuprofène (IP), conduisant à des hydrogels homogènes incolores chargées de médicament.
Les systèmes ont été caractérisés par une grande résolution l'angle magique (HR-MAS) spectroscopie RMN. Pulsed champ de gradient écho de spin (PGSE) spectroscopie RMN a été utilisé pour déterminer le déplacement carré moyen (MSD) de la propriété intellectuelle à l' intérieur du gel polymère à différents moments d'observation t d. Les données ont été traitées ultérieurement dans le but d'étudier la dépendance temporelle de TMS: TMS = f (t d). La méthodologie proposée est utile pour caractériser les différents régimes de diffusion que,En principe, le soluté peut rencontrer à l'intérieur de l'hydrogel, à savoir la diffusion normale ou anormale. Les protocoles complets, y compris la préparation de polymère et de la purification, l'obtention d'hydrogels chargés de médicament, la préparation des échantillons de RMN, la mesure des TMS par spectroscopie HR-MAS RMN et le traitement de données final pour atteindre la dépendance temporelle des TMS sont ici rapportés et discutés . Les expériences présentées représentent un cas paradigmatique et les données sont discutées en termes d'approche novatrice pour la caractérisation des propriétés de transport d'un client encapsulé dans un polymère hôte d'application potentielle pour la délivrance de médicaments.
Introduction
Il y a un intérêt croissant dans la conception et la formulation des systèmes polymères capables de piégeant, par l'intermédiaire d'interactions non-covalentes, de petites molécules ayant une activité biochimique potentiel. Sont attendus tels matériaux pour trouver des applications dans le transport du principe actif à la cible sélective et libérer sur l'action des stimuli externes, tels que les variations de pH, température, etc. Dans ce contexte, les hydrogels se sont avérés être des matériaux polyvalents et puissants pour nanomédecine en vue de la libération contrôlée de médicaments 1. La formation d'hydrogels polymères peut être obtenue en reliant entre elles les chaînes macromoléculaires par i), les interactions non covalentes physiques telles que les liaisons hydrogène, ii) la reticulation covalente des chaînes menant à un réseau tridimensionnel capable de gonfler en présence de une solution aqueuse ou iii) une combinaison des deux méthodes précitées 2-4.
Une classe particulièrement polyvalent trois-dimensional, les polymères pouvant gonfler pour l'encapsulation des espèces organiques et inorganiques peuvent être obtenus à partir de β-cyclodextrine naturelle (β-CD) par condensation avec des dérivés activés convenables d'un acide tétracarboxylique 5-8 donnant lieu à des nanoéponges de cyclodextrine (CDN). La synthèse, la caractérisation et l'application de CDNS est un thème de recherche consolidé de notre groupe. Les résultats de ces dernières années indiquent que CDNS montrent des propriétés intéressantes de gonflement, absorption / inclusion de produits chimiques, et la libération de petites molécules de médicaments, avec des applications dans la libération contrôlée de principes actifs pharmaceutiques 9 – 11 et chimie de l' environnement 12-14.
Compte tenu de ces prémisses, deux grandes questions à traiter concernent le chargement efficace du composé actif dans le gel polymère et une meilleure compréhension des solutés mobilité dans les matrices de gel 15 </sup>. La littérature fournit à la fois des études expérimentales et des théories relatives à des mécanismes de diffusion de petites molécules dans les réseaux macromoléculaires 16,17. Écho de spin (PGSE) , la spectroscopie par impulsions de champ à gradient de RMN est une méthode de structure bien établie largement utilisée pour étudier la diffusion translationnelle de petites molécules dans des solvants 18 ou de l'auto-diffusion des liquides purs. Les développements récents de haute résolution l' angle magique (HR-MAS) la technologie de RMN ont permis de recueillir des données haute résolution RMN de molécules mobiles dans des suspensions hétérogènes 19, gels et polymères gonflables 20,21. En effet, le dispositif expérimental combinant la spectroscopie HR-MAS RMN et la séquence d'impulsions PGSE offre une occasion unique d'observer les molécules de soluté dans un environnement moléculaire de l'hôte. Des données importantes sur les propriétés de transport de la molécule de médicament piégé dans une matrice de gel peuvent ainsi être obtenus. les données expérimentales de haute qualité peuvent ainsi être obtened permettant une conception plus rationnelle des systèmes nanostructurés hôte-invité.
Dans le présent travail , nous décrivons les protocoles détaillés pour les étapes suivantes: i) la synthèse et la purification de deux formulation différente de CDNS réticulé avec des polymères EDTA (figure 1), dénommée CDNSEDTA, et caractérisé par différents CD / agent de réticulation molaire rapport 1: 4 (CDNSEDTA 1: 4) et 1: 8 (CDNSEDTA 1: 8); ii) la préparation d'hydrogels chargés de médicament pour les deux CDNSEDTA 1: 4 et CDNSEDTA 1: 8. Dans cette étape, nous avons utilisé, comme molécule modèle de médicament, le sel de sodium de l'ibuprofène non-stéroïdiens anti-inflammatoire populaire (IP); iii) l'enquête approfondie sur les propriétés de transport de la propriété intellectuelle au sein du CDNSEDTA hydrogels par spectroscopie PGSE-HRMAS RMN. La méthode que nous proposons ici est basé sur la mesure du déplacement carré moyen (MSD) du médicament encapsulé dans l'hydrogel suivie par l'analyse de la dépendance temporelle de la MSD.
Nous wish de souligner que la méthodologie décrite ci-dessus – qui se concentre sur la dépendance temporelle du MDS du médicament dans la matrice – fournit un spectre plus large de l'information par rapport à la méthodologie consolidée sur la base de la détermination du coefficient de diffusion du médicament seulement. Nous avons récemment démontré 21 que cette approche a permis la discrimination des régimes de diffusion normales et anormales rencontrées par IP confiné dans hydrogels cdns.
Nous croyons donc que la description étape par étape de synthèse du polymère / purification, la formation des hydrogels chargés de médicament, HR-MAS RMN caractérisation et le traitement des données des données MDS, est un outil puissant pour les scientifiques intéressés à caractériser les systèmes nanostructurés pour la confinement et la libération de petites molécules.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nous présentons une méthodologie expérimentale pour déterminer le régime de diffusion d'une petite molécule de médicament encapsulé dans deux formulations représentatives des hydrogels CDNSEDTA. HR-MAS PGSE RMN permet la détermination du déplacement quadratique moyen de petites molécules dans un temps de diffusion donné (dans l'intervalle de quelques millisecondes jusqu'à seconde), puis distances de surveillance dans les échelles micrométriques. Dans la gamme observée (50 – 170 msec), un seu…
Divulgations
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 |
References
- 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).
