Preparación y caracterización de lipofílico Doxorrubicina micelas profármaco
Summary
Un protocolo para la preparación y caracterización de doxorrubicina lipofílica profármaco cargado 1,2-sn distearoyl- glicero-3-phosphoethanolamine- N – [amino (polietilenglicol) -2000] se describe (DSPE-PEG) micelas.
Abstract
Micelles have been successfully used for the delivery of anticancer drugs. Amphiphilic polymers form core-shell structured micelles in an aqueous environment through self-assembly. The hydrophobic core of micelles functions as a drug reservoir and encapsulates hydrophobic drugs. The hydrophilic shell prevents the aggregation of micelles and also prolongs their systemic circulation in vivo. In this protocol, we describe a method to synthesize a doxorubicin lipophilic pro-drug, doxorubicin-palmitic acid (DOX-PA), which will enhance drug loading into micelles. A pH-sensitive hydrazone linker was used to conjugate doxorubicin with the lipid, which facilitates the release of free doxorubicin inside cancer cells. Synthesized DOX-PA was purified with a silica gel column using dichloromethane/methanol as the eluent. Purified DOX-PA was analyzed with thin layer chromatography (TLC) and 1H-Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (1H-NMR). A film dispersion method was used to prepare DOX-PA loaded DSPE-PEG micelles. In addition, several methods for characterizing micelle formulations are described, including determination of DOX-PA concentration and encapsulation efficiency, measurement of particle size and distribution, and assessment of in vitro anticancer activities. This protocol provides useful information regarding the preparation and characterization of drug-loaded micelles and thus will facilitate the research and development of novel micelle-based cancer nanomedicines.
Introduction
La quimioterapia se utiliza comúnmente para tratar varias formas de cáncer. La mayoría, si no todos, los medicamentos de quimioterapia tienen efectos secundarios tóxicos que pueden variar de leves condiciones manejables, tales como náuseas y diarrea, a las condiciones que amenazan la vida más. Debido a que la mayoría de los medicamentos contra el cáncer son tóxicos, la exposición no selectiva de estos fármacos para el tejido normal inevitablemente causa toxicidad. Por lo tanto, hay una gran necesidad de un enfoque terapéutico que puede ofrecer selectivamente fármacos en células cancerosas. Otro de los desafíos con la administración de medicamentos contra el cáncer es su escasa solubilidad en agua. Por lo general, se necesitan agentes solubilizantes para formular estos fármacos poco solubles. Sin embargo, la mayoría de agentes solubilizantes, tales como sulfóxido de dimetilo (DMSO), Cremophor EL, y polisorbato 80 (Tween 80) puede causar toxicidad hepática y renal, hemólisis, reacciones de hipersensibilidad agudas y neuropatías periféricas. 1 Por lo tanto, se necesitan formulaciones seguras y biocompatibles para el uso clínico de pobremedicamentos contra el cáncer Ly solubles. Nanoportadores son prometedores sistemas de administración de fármacos para hacer frente a los retos anteriores. Estos nanoportadores incluyen liposomas, nanopartículas 2, 3, 4-7 micelas conjugados polímero-fármaco, 8 y materiales inorgánicos. 9 Varios productos de nanomedicina (por ejemplo, Doxil, Abraxane, y Genexol) han sido aprobados por las agencias reguladoras para el tratamiento de pacientes con cáncer. 10
Las micelas poliméricas son prometedores portadores de administración de fármacos a nanoescala, que se han utilizado con éxito para el suministro de fármacos contra el cáncer. 4-7,11,12 micelas poliméricas típicos se preparan a partir de polímeros anfífilos a través de un proceso de autoensamblaje. Las micelas poliméricas estructurados de núcleo-envoltura incluyen una vaina hidrófila y un núcleo hidrofóbico. La envoltura hidrofílica puede estabilizar estéricamente micelas y prolongar su circulación en el torrente sanguíneo. El núcleo hidrofóbico puede resumir eficazmente d hidrófoboalfombras. Debido al pequeño tamaño de las micelas (normalmente menos de 200 nm) y las propiedades de circulación largo, se cree que las micelas poliméricas para lograr tumor de orientación a través de efectos de retención (EPR) (tumor pasiva focalización) aumento de la permeabilidad y.
estabilidad carga de fármaco es crítica para el tumor capacidad de las micelas de orientación. Para lograr la orientación óptima del tumor, micelas deben tener fugas mínimas de drogas antes de llegar al sitio del tumor, sin embargo, la liberación rápida del fármaco después de entrar en las células cancerosas. Además, estabilidad de la formulación es también un requisito esencial para el desarrollo de productos, porque la estabilidad formulación determina la viabilidad de desarrollo de productos, así como la vida útil de los productos desarrollados. Recientemente, se han hecho muchos esfuerzos para mejorar la carga de fármacos en vehículos de entrega. El enfoque de profármaco lipófilo es una estrategia que ha sido explorado para mejorar la carga de fármaco en nanopartículas lipídicas y emulsiones. 13,14 El conjugation de lípidos con fármacos puede mejorar significativamente su lipofilia y mejorar la carga y la retención de los componentes lipófilos de nanoportadores.
A continuación, se describe un protocolo para la preparación de doxorrubicina lipofílica micelas cargadas de profármaco. En primer lugar, se describe el procedimiento para la síntesis de doxorrubicina lipofílica profármaco. A continuación, se introduce un protocolo para generar micelas con un método de película de dispersión. Este método ha sido utilizado con éxito en nuestros estudios anteriores. 5 DSPE-PEG fue seleccionado como el material de soporte para la preparación de micelas, ya que ha sido utilizado con éxito para la administración de fármacos micela. 15,16 Finalmente, se describen varios ensayos in vitro utilizados para caracterizar micela formulaciones y para evaluar la actividad contra el cáncer.
Protocol
Representative Results
Discussion
En este trabajo se describe un método película de dispersión sencilla, rápida para la preparación de las micelas. Este método utiliza las propiedades de autoensamblaje de un polímero anfifílico (por ejemplo, DSPE-PEG) para formar micelas de núcleo-envuelta estructurados en un entorno acuoso. Este método de preparación de micelas tiene varias ventajas. 1. Se trata de un proceso de formulación simple, que evita el uso de pasos de reducción de tamaño complicadas (tales como la extrusión u homogeneiz…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the following grants: NIH-SC3 grant, NSF-PREM grant, Hampton University Faculty Research Grant. We would like to thank Mrs. Michele A. Cochran at Virginia Institute of Marine Science (VIMS) for the use of the particle size analyzer. We would also like to thank Mrs. Corinne R. Ramaley for reviewing the manuscript.
Materials
| DSPE-PEG2K | Cordenpharm | LP-R4-039 | >95% |
| Doxorubicin | LC Laboratories | D-4000 | >99% |
| Palmitic Acid Hydrazide | TCI AMERICA | P000425G | >98.0% |
| Methanol | ACROS Organics | 610981000 | Anhydrous |
| Methylene chloride | FISHER | D151-4 | 99.90% |
| Methyl sulfoxide-d6 | ACROS Organics | AC320760075 | NMR solvent |
| Trifluoroacetic Acid | ACROS Organics | AC293811000 | 99.50% |
| Silica Gel | FISHER | L-7446 | 230-400 mesh |
| BAKER FLEX TLC PLATES | FISHER | NC9990129 | |
| DPBS | Sigma-Aldrich | D8537 | |
| DU 145 Prostate Cancer Cells | ATCC | HTB-81 | |
| MTT | ACROS Organics | 158990050 | 98% |
| RPMI 1640 Medium | MEDIATECH INC | 10041CV | |
| Antibiotic-Antimycotic | LIFE TECHNOLOGIES | 15240062 | 100x stock solution |
| Fetal Bovine Serum | LIFE TECHNOLOGIES | 10437077 | |
| Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy | Varian, Inc | 300 NMR | |
| Büchi R-3 Rotavapor | Buchi | 1103022V1 | Rotary evaporator |
| Ultrasonic Bath | BRANSON ULTRASONICS CORPORATION | CPX952318R | |
| UV-VIS spectrometer Biomate 3 | Thermo Spectronic | ||
| Zetasizer Nano ZS90 | Malvern Instruments | Particle Size Analyer | |
| Microplate Spectrophotometer | Rio-Rad | Benchmark Plus | |
| Cell Culture Incubator | Napco | CO2 6000 | |
| Biological Safety Cabinet | Nuaire | ||
| SigmaPlot | Systat Software, Inc. | Analytical Software | |
| 96-Well Cell Culture Plate | Becton Dickinson | 353072 | |
| Trypsin 0.25% | Corning Cellgro | 25-053-CI |
References
- Hennenfent, K. L., Govindan, R. Novel formulations of taxanes: a review. Old wine in a new bottle?. ESMO. 17 (5), 735-749 (2006).
- Paliwal, S. R., Paliwal, R., Agrawal, G. P., Vyas, S. P. Liposomal nanomedicine for breast cancer therapy. Nanomedicine. 6 (6), 1085-1100 (2011).
- Mahapatro, A., Singh, D. K. Biodegradable nanoparticles are excellent vehicle for site directed in vivo delivery of drugs and vaccines. J Nanobiotechnology. 9 (55), (2011).
- Danquah, M., Li, F., Duke, C. B., Miller 3rd, ., D, D., Mahato, R. I. Micellar delivery of bicalutamide and embelin for treating prostate cancer. Pharm Res. 26 (9), 2081-2092 (2009).
- Li, F., Danquah, M., Mahato, R. I. Synthesis and characterization of amphiphilic lipopolymers for micellar drug delivery. Biomacromolecules. 11 (10), 2610-2620 (2010).
- Li, F., Danquah, M., Singh, S., Hao, W., Mahato, R. Paclitaxel- and lapatinib-loaded lipopolymer micelles overcome multidrug resistance in prostate cancer. Drug Deliv. and Transl. Res. 1 (6), 9 (2011).
- Li, F., Lu, Y., Li, W., Miller, D. D., Mahato, R. I. Synthesis, formulation and in vitro evaluation of a novel microtubule destabilizer, SMART-100. J Control Release. 143 (1), 151-158 (2010).
- Minko, T., Kopeckova, P., Pozharov, V., Kopecek, J. HPMA copolymer bound adriamycin overcomes MDR1 gene encoded resistance in a human ovarian carcinoma cell line. J Control Release. 54 (2), 223-233 (1998).
- Rosenholm, J. M., Mamaeva, V., Sahlgren, C., Linden, M. Nanoparticles in targeted cancer therapy: mesoporous silica nanoparticles entering preclinical development stage. Nanomedicine. 7 (1), 111-120 (2012).
- Kaur, I. P., et al. Issues and concerns in nanotech product development and its commercialization. J Control Release. 193, 51-62 (2014).
- Jones, M., Leroux, J. Polymeric micelles – a new generation of colloidal drug carriers. Eur J Pharm Biopharm. 48 (2), 101-111 (1999).
- Wang, H., Li, F., Du, C., Mahato, R. I., Huang, Y. Doxorubicin and lapatinib combination nanomedicine for treating resistant breast cancer. Mol Pharm. 11 (8), 2600-2611 (2014).
- Ma, P., Rahima Benhabbour, S., Feng, L., Mumper, R. J. 2′-Behenoyl-paclitaxel conjugate containing lipid nanoparticles for the treatment of metastatic breast cancer. Cancer Lett. 334 (2), 253-262 (2013).
- Lundberg, B. B., Risovic, V., Ramaswamy, M., Wasan, K. M. A lipophilic paclitaxel derivative incorporated in a lipid emulsion for parenteral administration. J Control Release. 86 (1), 93-100 (2003).
- Perche, F., Patel, N. R., Torchilin, V. P. Accumulation and toxicity of antibody-targeted doxorubicin-loaded PEG-PE micelles in ovarian cancer cell spheroid model. J Control Release. 164 (1), 95-102 (2012).
- Gill, K. K., Kaddoumi, A., Nazzal, S. Mixed micelles of PEG(2000)-DSPE and vitamin-E TPGS for concurrent delivery of paclitaxel and parthenolide: enhanced chemosenstization and antitumor efficacy against non-small cell lung cancer (NSCLC) cell lines. Eur J Pharm Sci. 46 (1-2), 67-71 (2012).
- Still, W. C., Kahn, M., Mitra, A. Rapid Chromatographic Technique for Preparative Separations with Moderate Resolution. J. Org. Chem. 43 (14), 2923-2925 (1978).
- Morton, L. A., Saludes, J. P., Yin, H. Constant pressure-controlled extrusion method for the preparation of Nano-sized lipid vesicles. J Vis Exp. (64), (2012).
- Ulbrich, K., Etrych, T., Chytil, P., Jelinkova, M., Rihova, B. HPMA copolymers with pH-controlled release of doxorubicin: in vitro cytotoxicity and in vivo antitumor activity. J Controlled Release. 87 (1-3), 33-47 (2003).
- Patil, R., et al. Cellular Delivery of Doxorubicin via pH-Controlled Hydrazone Linkage Using Multifunctional Nano Vehicle Based on Poly(beta-L-Malic Acid). Int J Mol Sci. 13 (9), 11681-11693 (2012).
- Hu, X., Liu, S., Huang, Y., Chen, X., Jing, X. Biodegradable block copolymer-doxorubicin conjugates via different linkages: preparation, characterization, and in vitro evaluation. Biomacromolecules. 11 (8), 2094-2102 (2010).
- Huynh, L., Neale, C., Pomes, R., Allen, C. Computational approaches to the rational design of nanoemulsions, polymeric micelles, and dendrimers for drug delivery. Nanomedicine. 8 (1), 20-36 (2012).
- Shi, C., et al. A drug-specific nanocarrier design for efficient anticancer therapy. Nat Commun. 6, 7449 (2015).
