تطبيقات تصنيع وتسليم المخدرات من النانوية الحرير
Summary
النانوية ونظم تسليم المخدرات بأنها واعدة في الظهور لمجموعة واسعة من المؤشرات. هنا، نحن تصف طريقة بسيطة لكنها قوية لتصنيع الجسيمات النانوية الحرير باستخدام الهندسة العكسية الحرير دودة القز. هذه الجسيمات النانوية الحرير يمكن تحميلها بسهولة مع حمولة العلاجية واستكشاف في وقت لاحق لتطبيقات تسليم المخدرات.
Abstract
الحرير هو البوليمر الحيوي الواعد للتطبيقات الطبية والأدوية بسبب المتميز الميكانيكية خصائص، توافق مع الحياة والتحلل البيولوجي، وكذلك قدرتها على حماية وبعد الإفراج حمولتها ردا على الزناد. في حين الحرير يمكن صياغتها في أشكال مختلفة المادية، الجسيمات النانوية الحرير ونظم تسليم المخدرات بأنها واعدة في الظهور. لذلك، تغطي هذه المقالة الإجراءات لعكس شرانق الحرير الهندسة أن تسفر عن حل الحرير مجدد التي يمكن استخدامها لتوليد الجسيمات النانوية الحرير مستقرة. وتتميز هذه الجسيمات النانوية في وقت لاحق، المخدرات تحميل واستكشاف كنظام مضاد للسرطان تسليم المخدرات المحتملين. لفترة وجيزة، وعكس هندستها شرانق الحرير لأول مرة عن طريق إزالة الصمغ الشرانق، يليه حل الحرير، وتنظيف، لتسفر عن حل الحرير المائي. بعد ذلك، يتعرض الحل الحرير مجدد لnanoprecipitation لانتاج النانوية الحرير – طريقة بسيطة ولكنها قويةالذي يولد النانوية موحدة. تتميز النانوية الحرير وفقا لحجمها، وإمكانات زيتا، مورفولوجيا والاستقرار في الأوساط المائية، فضلا عن قدرتها على إيقاع حمولة العلاج الكيميائي وقتل خلايا سرطان الثدي البشرية. وعموما، فإن المنهجية المبينة غلة النانوية الحرير موحدة التي يمكن استكشافها بسهولة لعدد لا يحصى من التطبيقات، بما في ذلك استخدامهم لالنانوي المحتملين.
Introduction
وغالبا ما تستخدم أنظمة توصيل الدواء نانو الحجم للسيطرة على الافراج عن المخدرات وتقديم مجموعة متنوعة من الحمولات العلاجية – على سبيل المثال، والبروتينات، والببتيدات والصغيرة المخدرات الوزن الجزيئي – لاستهداف الخلايا والأنسجة. وغالبا ما يتم تضمين هذه الحمولات العلاجية في مختلف شركات الدواء الجزيئات، مثل الجسيمات الشحمية، والبوليمرات للذوبان في الماء (بما في ذلك dendrimers)، والمتناهية الصغر والنانوية 1. ويجري استكشاف النانوية (عادة في نطاق حجم 1 نانومتر إلى 1000 نانومتر) على نطاق واسع ناقلات المخدرات المحتملة، ولا سيما بالنسبة للسرطان تسليم المخدرات 2. وقد حفزت تطبيق ناجح لAbraxane (120 النانوية على أساس الزلال الحجم نانومتر محملة باكليتاكسيل) في الممارسة السريرية الروتينية 3 الميدان، بحيث العديد من الجسيمات النانوية لتسليم المخدرات تدخل الآن التجارب السريرية 4. تظهر الأورام الصلبة عموما الفقراء التصريف اللمفاوي ويكون الأوعية الدموية الراشحة وهو ما يعني أن نanoparticles تصل إلى 200 نانومتر سوف تكون مستهدفة بشكل سلبي لهذه الأورام بعد الحقن الوريدي. وتسمى هذه الظاهرة التي تستهدف السلبي نفاذية تعزيز والاستبقاء (EPR) تأثير وذكرت لأول مرة في عام 1986 5. تأثير EPR يمكن أن يؤدي إلى زيادة 50- إلى 100 أضعاف في تركيزات المخدرات داخل المكروية ورم لجرعة دواء معين عندما يتم تسليم حمولة المخدرات باستخدام نهج الناقل المخدرات الجزيئات وليس خال من المخدرات دون الناقل. النانوية محملة المخدرات المصممة للسرطان تسليم المخدرات لديهم للوصول إلى المكروية الورم وغالبا ما يجب أن تدخل حجرة داخل الخلايا المحددة، عادة عن طريق امتصاص التقامي، لالمخدرات لتحقيق التأثير العلاجي المطلوب في 3. النانوية المصممة لتسليم المخدرات داخل الخلايا تستغل الإلتقام كبوابة إلى الخلية وكذلك طريقا للتغلب على آليات المقاومة للأدوية. وغالبا ما تكون مصممة الافراج المخدرات من الجسيمات النانوية خصيصا لسccur في الجسيمات الحالة (أي lysosomotropic تسليم المخدرات) 6 حيث استجابة درجة الحموضة الناقل جسيمات متناهية الصغر (الليزوزومية الرقم الهيدروجيني حوالي 4.5) يمكن أن تكون بمثابة الزناد لإطلاق سراح المخدرات أو الليزوزومية الانزيمات التي تحرير حمولة من الناقل 7.
العديد من فئات مختلفة من المواد يمكن استخدامها لتوليد الجسيمات النانوية (على سبيل المثال، والمعادن والعديد من المواد العضوية وغير العضوية). ومع ذلك، البوليمرات الحيوية ومواد جذابة كما لما لها من توافق مع الحياة المعروفة، التحلل البيولوجي وسمية منخفضة 8 في الظهور. ويجري استكشاف العديد من البوليمرات الحيوية، بما في ذلك الزلال، الجينات، الشيتوزان والحرير. من هذه، برزت الحرير كمنافس واعدة للتنمية في نظم تسليم المخدرات 9. ويتم إنتاج الحرير من أنواع مختلفة من قبل عدد من المفصليات، بما في ذلك العناكب (على سبيل المثال، clavipes Nephila) ودودة القز (على سبيل المثال، دودة القز). ويستخدم الحرير دودة القز أكثر بكثير EXTENsively من حرير العنكبوت لدودة القز والمستأنسة تماما، وبالتالي الحرير لها يمثل مادة انطلاق استنساخه. دودة القز الحرير هو إدارة الغذاء والدواء (FDA) وافقت المواد للاستخدام البشري، وخاصة كمادة خياطة. أنه يحتوي على سجل السلامة قوية في البشر وكما هو معروف أن تتحلل في الجسم الحي 10. الملف الشخصى تدهور الحرير يمكن أن يكون ضبطها بما يتراوح بين ساعة (انخفاض البلورية الحرير) لمدة 12 شهرا أو أكثر (عالية البلورية الحرير). نواتج تحلل الحرير غير سامة واستقلاب في الجسم 10. هيكل الحرير يضفي القدرة على ربط الصغيرة المركبات ذات الوزن الجزيئي والأدوية البروتينية الجزيئات 11، مما يجعلها مادة جيدة لإطلاق سراح المخدرات التي تسيطر عليها. الأدوية البروتينية (على سبيل المثال، والأجسام المضادة) عرضة لتمسخ، والتجميع، انشقاق بروتين وتطهير من قبل النظام المناعي. ومع ذلك، والحرير استقرار البروتينات العلاجية ويرجع ذلك إلى قدرة التخزين المؤقت لإعادة nanocrystalline لهااملناطق وقدرته على تكييف محتوى الماء في المقياس النانوي 11. هذه الميزات الفريدة توفر الحماية المادية والحد من التنقل حمولة 11 وعادة لا ينظر مع البوليمرات (الحيوية) الأخرى. العديد من أجهزة التوصيل المضادة للسرطان المخدرات، على سبيل المثال الهلاميات المائية القائمة على الحرير 12 والأفلام 13-15 والجسيمات النانوية 16،17، والآن وضعت لاستغلال هذه الميزات (إعادة النظر في المراجع 18،19)
هنا، تميزت النانوية الحرير من خلال تحديد حجمها ورسوم على إطار زمني ممتد. دوكسوروبيسين، وهو دواء مضاد للسرطان ذات الصلة سريريا، وكان يستخدم كدواء نموذج للدراسات تحميل المخدرات والسمية الخلوية في الخلايا السلبية ثلاثية الثدي البشري السرطان الذين يعالجون النانوية الحرير محملة المخدرات.
Protocol
Representative Results
Discussion
هي الأساليب المختلفة المتاحة لإنتاج الجسيمات النانوية الحرير، بما في ذلك الكحول البولي فينيل مزج 20، رذاذ تجفيف 21، التمليح من 22، microdot الشعرية طباعة 23، CO فوق الحرجة 2 هطول الأمطار 24 و nanoprecipitation 16،25 (إعادة النظر في المرجع 26).</su…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was supported by a Marie Curie FP7 Career Integration Grant 334134 within the seventh European Union Framework Program.
Materials
| Acetone | VWR International, Radnor, PA, USA | 20066.33 | |
| Automated Critical Point Dryer | Leica Microsystems, Wetzlar, Germany | EM CPD300 | |
| Balancing | Mettler Toledo, Greifensee, Switzerland | NewClassic MS | |
| Black polystyrene microplate , 96 well | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | 3991 | |
| Capillary cell (DTS 1070) | Malvern Instrument, Worcestershire, UK | DTS107 | |
| Carbon adhesive disc | Agar Scientific, Essex, UK | G3347N | |
| Centrifuge | Hermle Labortechnik, Wehingen, Germany | Z323K | |
| Centrifuge | Beckman Coulter, Brea, CA, USA | Avanti J-E, Rotor: J20 | |
| Centrifuge | Beckman Coulter, Brea, CA, USA | Optima L-70K, Rotor: 50.2 Ti, Adaptor 303392 | |
| Coater, low vacuum | Leica Microsystems, Wetzlar, Germany | EM ACE200 | |
| Cuvettes, polystyrene, disposable | Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | FB55147 | |
| Doxorubixin | LC Laboratories, Boston, MA, USA | D4000 | |
| Electronic pipetting, Easypet | Eppendorf, Hamburg, Germany | N/A | |
| FE-SEM | Hitachi High-Technologies, Krefeld, Germany | SU6600 | |
| Fetal Bovine Serum | Thermo Scientific, Waltham, MA, USA | 16000-044 | |
| Freeze dryer | Martin Christ, Osterode, Germany | Epsilon 2-4 | |
| Heat inactivated Bombyx mori silk cocoons | Tajima Shoji, Kanagawa, Japan | N/A | |
| Hotplate with Stirrer | Bibby Scientific, Stanffordshire, UK | US 152 | |
| Incubator | Memmert, Schwabach, Germany | INB 200 | |
| Insulin, human recombinant, zinc solution | Thermo Scientific, Waltham, MA, USA | 12585-014 | |
| Lithium bromide | Acros Organics, Geel, Belgium | AC199870025 | |
| MDA-MB-231 | ATCC, Manassas, VA, U.S.A | N/A | |
| Micropipette and tips | Eppendorf, Hamburg, Germany | N/A | |
| Microplate Reader | Molecular devices, Sunnyvale, CA, USA | SpectraMax M5 | |
| Oak Ridge High-Speed Centrifuge Tubes, 50 ml | Thermo Scientific, Waltham, MA, USA | N/A | |
| Open-Top Thickwall Polycarbonate tube, 4 ml | Beckman Coulter, Brea, CA, USA | 355645 | |
| Penicilin/streptomycin | Thermo Scientific, Waltham, MA, USA | 15140-122 | |
| RPMI medium | Thermo Scientific, Waltham, MA, USA | 11875-093 | |
| Serological pipettes, 5 ml | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | ||
| Silicon wafers | Agar Scientific, Essex, UK | G3391 | |
| Slide-A-Lyzer Dialysis cassettes, 3.5K MWCO, 15 ml | Thermo Scientific, Waltham, MA, USA | 87724 | |
| Sodium carbonate anhydrous | Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | S/2840/62 | |
| Specimen stubs for SEM | Agar Scientific, Essex, UK | G301 | |
| Ultrasonic homogenizer | Bandelin, Berlin, Germany | Sonoplus HD 2070 | |
| UV transparent microplate, 96 well | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | 3635 | |
| Vortex | IKA, Staufen, Germany | Genius 3 | |
| Zetasizer | Malvern Instrument, Worcestershire, UK | Nano ZS | |
| Zetasizer Software version 7.11 | DLS software | ||
| Micro Modulyo | Thermo Fisher | 230 | Freeze drying system |
References
- Haley, B., Frenkel, E. Nanoparticles for drug delivery in cancer treatment. Urol. Oncol. 26 (1), 57-64 (2008).
- Sun, T., Zhang, Y. S., Pang, B., Hyun, D. C., Yang, M., Xia, Y. Engineered nanoparticles for drug delivery in cancer therapy. Angew. Chem. Int. Ed. 53 (46), 12320-12364 (2014).
- Davis, M. E., Chen, Z. G., Shin, D. M. Nanoparticle therapeutics: an emerging treatment modality for cancer. Nat. Rev. Drug Discov. 7 (9), 771-782 (2008).
- Sheridan, C. Proof of concept for next-generation nanoparticle drugs in humans. Nature Biotechnol. 30 (6), 471-473 (2012).
- Matsumura, Y., Hitoshi, M. A New Concept for Macromolecular Therapeutics in Cancer Chemotherapy: Mechanism of Tumoritropic Accumulation of Proteins and the Antitumor Agent Smancs. Cancer Res. 46, 6387 (1986).
- De Duve, C., De Barsy, T., Poole, B., Trouet, A., Tulkens, P., Van Hoof, F. Lysosomotropic agents. Biochem. Pharmacol. 23 (18), 2495-2531 (1974).
- Duncan, R., Richardson, S. C. W. Endocytosis and intracellular trafficking as gateways for nanomedicine delivery: opportunities and challenges. Mol. Pharm. 9 (9), 2380-2402 (2012).
- Vishakha, K., Kishor, B., Sudha, R. Natural Polymers – A Comprehensive Review. Int. J. Pharm. Biomed. Res. 3 (4), 1597-1613 (2012).
- Pritchard, E. M., Kaplan, D. L. Silk fibroin biomaterials for controlled release drug delivery. Expert. Opin. Drug Del. 8 (6), 797-811 (2011).
- Thurber, A. E., Omenetto, F. G., Kaplan, D. L. In vivo bioresponses to silk proteins. Biomaterials. 71, 145-157 (2015).
- Pritchard, E. M., Dennis, P. B., Omenetto, F., Naik, R. R., Kaplan, D. L. Physical and chemical aspects of stabilization of compounds in silk. Biopolymers. 97 (6), 479-498 (2012).
- Seib, F. P., Pritchard, E. M., Kaplan, D. L. Self-Assembling Doxorubicin Silk Hydrogels for the Focal Treatment of Primary Breast. Adv. Funct. Mater. 23 (1), 58-65 (2013).
- Seib, F. P., Kaplan, D. L. Doxorubicin-loaded silk films: drug-silk interactions and in vivo performance in human orthotopic breast cancer. Biomaterials. 33 (33), 8442-8450 (2012).
- Seib, F. P., Coburn, J., et al. Focal therapy of neuroblastoma using silk films to deliver kinase and chemotherapeutic agents in vivo. Acta. Biomater. 20, 32-38 (2015).
- Coburn, J. M., Na, E., Kaplan, D. L. Modulation of vincristine and doxorubicin binding and release from silk films. J. Control. Release. 220, 229-238 (2015).
- Seib, F. P., Jones, G. T., Rnjak-Kovacina, J., Lin, Y., Kaplan, D. L. pH-dependent anticancer drug release from silk nanoparticles. Adv. Healthc. Mater. 2 (12), 1606-1611 (2013).
- Wongpinyochit, T., Uhlmann, P., Urquhart, A. J., Seib, F. P. PEGylated Silk Nanoparticles for Anticancer Drug Delivery. Biomacromolecules. 16 (11), 3712-3722 (2015).
- Seib, F. P., Kaplan, D. L. Silk for Drug Delivery Applications: Opportunities and Challenges. Isr. J. Chem. 53 (9-10), 1-12 (2013).
- Yucel, T., Lovett, M. L., Kaplan, D. L. Silk-based biomaterials for sustained drug delivery. J. Control. Release. 190, 381-397 (2014).
- Wang, X., Yucel, T., Lu, Q., Hu, X., Kaplan, D. L. Silk nanospheres and microspheres from silk/pva blend films for drug delivery. Biomaterials. 31 (6), 1025-1035 (2010).
- Qu, J., Wang, L., Hu, Y., You, R., Li, M. Preparation of Silk Fibroin Microspheres and Its Cytocompatibility. J. Biomater. Nanobiotechnol. 4, 84-90 (2013).
- Lammel, A., Hu, X., Park, S., Kaplan, D., Scheibel, T. Controlling silk fibroin particle features for drug delivery. Biomaterials. 31 (16), 4583-4591 (2010).
- Gupta, V., Aseh, A., Rìos, C. N., Aggarwal, B. B., Mathur, A. B. Fabrication and characterization of silk fibroin-derived curcumin nanoparticles for cancer therapy. Int. J. Nanomedicine. 4, 115-122 (2009).
- Zhao, Z., et al. Generation of silk fibroin nanoparticles via solution-enhanced dispersion by supercritical CO2. Ind. Eng. Chem. Res. 52 (10), 3752-3761 (2013).
- Tudora, M., Zaharia, C., Stancu, I. Natural silk Fibroin micro-and nanoparticles with potential uses in drug delivery systems. U.P.B. Sci. Bull., Series B. 75 (1), 43-52 (2013).
- Zhao, Z., Li, Y., Xie, M. B. Silk Fibroin-Based Nanoparticles for Drug Delivery. Int. J. Mol. Sci. 16 (3), 4880-4903 (2015).
- Rockwood, D., Preda, R., Yücel, T. Materials fabrication from Bombyx mori silk fibroin. Nat. Protoc. 6 (10), 1-43 (2011).
- Seib, F. P., Müller, K., Franke, M., Grimmer, M., Bornhäuser, M., Werner, C. Engineered extracellular matrices modulate the expression profile and feeder properties of bone marrow-derived human multipotent mesenchymal stromal cells. Tissue. Eng. Part A. 15 (10), 3161-3171 (2009).
- Lai, P., Daear, W., Löbenberg, R., Prenner, E. J. Overview of the preparation of organic polymeric nanoparticles for drug delivery based on gelatine, chitosan, poly(d,l-lactide-co-glycolic acid) and polyalkylcyanoacrylate. Colloids Surf., B, Biointerfaces. 118, 154-163 (2014).
- Subia, B., Kundu, S. C. Drug loading and release on tumor cells using silk fibroin-albumin nanoparticles as carriers. Nanotechnology. 24 (3), 035103 (2013).
- Zhang, Y. Q., Shen, W. D., Xiang, R. L., Zhuge, L. J., Gao, W. J., Wang, W. B. Formation of silk fibroin nanoparticles in water-miscible organic solvent and their characterization. J. Nanopart. Res. 9 (5), 885-900 (2006).
- Jin, H. J., Kaplan, D. L. Mechanism of silk processing in insects and spiders. Nature. 424 (6952), 1057-1061 (2003).
- Yhr Bae, ., Park, K. Targeted drug delivery to tumors: myths, reality and possibility. J. Control. Release. 153 (3), 198-205 (2011).
- Lammel, A., Schwab, M., Hofer, M., Winter, G., Scheibel, T. Recombinant spider silk particles as drug delivery vehicles. Biomaterials. 32 (8), 2233-2240 (2011).
- Holliday, D. L., Speirs, V. Choosing the right cell line for breast cancer research. Breast. Cancer. Res. 13, 215 (2011).
