Anjoniska polymerisationen av en amfifila sampolymeren för framställning av segmentsampolymeren Miceller stabiliseras genom π-Tt stapling interaktioner
Summary
De viktigaste stegen av levande anjoniska polymerisationen av fenylglycidyleter (PheGE) på metoxi-polyetylenglykol (MPEG b -PPheGE) beskrivs. De resulterande segmentsampolymer miceller (BCMS) laddades med doxorubicin 14% (vikt-%) och utdragen frisättning av läkemedel under 4 dygn under fysiologiskt relevanta förhållanden erhölls.
Abstract
I denna studie var en amfifil sampolymer som innehåller en kämbildande block med fenylgrupper syntetiseras genom levande anjonisk polymerisation av fenylglycidyleter (PheGE) på metoxi-polyetylenglykol (MPEG-b -PPheGE). Karakterisering av sampolymeren visade en snäv molekylfördelning (PDI <1,03) och som bekräftas av graden av polymerisation av mPEG 122 – b – (PheGE) 15. Den kritiska micellkoncentrationen av sampolymeren utvärderades med användning av en etablerad fluorescensmetod med aggregationen beteende utvärderades genom dynamisk ljusspridning och transmission elektronmikroskopi. Potentialen av sampolymeren för användning i läkemedelsleveranstillämpningar utvärderades i en preliminär sätt, inklusive in vitro biokompatibilitet, lastning och frigörande av hydrofoba läkemedel mot cancer doxorubicin (DOX). En stabil micell formulering av DOX framställdes med läkemedelsbelastningsnivåer upp till 14% (vikt%), läkemedelsbelastning effici-film> 60% (vikt / vikt) och utdragen frisättning av läkemedel under 4 dygn under fysiologiskt relevanta förhållanden (surt och neutralt pH, närvaro av albumin). Den höga läkemedelsladdningsnivån och fördröjd frisättning tillskrivs att stabilisera n-π växelverkan mellan DOX och kärnbildande block av micellerna.
Introduction
I vattenhaltiga medier, amfifila segmentsampolymerer samlas för att bilda nanostora segmentsampolymer miceller (BCMS) som består av en hydrofob kärna omgiven av ett hydrofilt skal eller korona. Micellen kärna kan tjäna som en reservoar för inkorporering av hydrofoba läkemedel; medan, tillhandahåller den hydrofila korona ett gränssnitt mellan kärnan och det externa mediet. Poly (etylenglykol) (PEG) och dess derivat är en av de viktigaste klasserna av polymerer och en av de mest använda inom läkemedelsformulering. 1-3 BCMS har visat sig vara en värdig läkemedelsavgivning plattform med flera formuleringar förlita sig på denna teknik nu i sen klinisk utvecklingsfas. 4 vanligast är det hydrofoba blocket av sampolymeren består av polykaprolakton, poly (D, L-laktid), poly (propylenoxid) eller poly (β-bensyl-L-aspartat). 5 -9
Kataoka grupp undersökte sfäriska miceller bildade från PEO- B </em> -PBLA Och poly (etylenoxid) – b -. (Polyasparaginsyra-konjugerat doxorubicin) för leverans av doxorubicin (DOX) 10,11 i sina rapporter, de sätter fram att π-Tt interaktioner mellan polymer-konjugerat läkemedel eller PBLA och fri DOX agera för att stabilisera micellen kärnan resulterar i ökade läkemedelsladdning och lagring. Det är klarlagt att kompatibiliteten eller interaktioner mellan läkemedel och kärnbildande blocket är faktorer som påverkar viktiga prestandarelaterade parametrar. 12 Förutom DOX, ett antal cancerterapi inkluderar aromatiska ringar inom sin kärnstruktur (t.ex. metotrexat, olaparib, SN -38).
Som ett resultat finns det ett stort intresse för syntes av sampolymerer som innefattar bensyl ringar i sina kärnbildande block. Anjonisk ringöppningspolymerisation av PEG och dess derivat möjliggöra kontroll över molekylvikt och resulterar i material med låg polydispersitet i gott utbyte. 13,14 etylenne oxid med fenylglycidyleter (PheGE) eller styrenoxid (SO) kan vara (sam) polymeriseras för att bilda segmentsampolymerer som bildar miceller för solubilisering av hydrofoba läkemedel. 15-18 Den aktuella rapporten beskrivs de åtgärder som krävs för att leva anjoniska polymerisationen av fenyl glycidyleter monomer på mPEG-OH som makroinitiator (Figur 1). Den resulterande segmentsampolymeren och dess aggregat karakteriseras sedan med avseende på egenskaper som är relevanta för användning i läkemedelsavgivning.
Protocol
Representative Results
Discussion
På grund av den goda kontroll som anjonpolymerisation ger över molekylvikt är en av de mest tillämpade processer i industrin för framställning av polymerer baserade på oxiran-monomerer (PEG och PPG). Optimala och stringenta betingelser måste användas för framgångsrik polymerisation skall uppnås. Rigorös rening av alla reagenser och lämpliga apparater är väsentliga för den levande karaktären av syntesen. Begränsningar i det nuvarande uppställnings är oftast i samband med överföringsteknik som bygge…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
CA acknowledges a Discovery grant from the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada. CA acknowledges a Chair in Pharmaceutics and Drug Delivery from GSK. The authors declare no competing financial interest.
Materials
| DMEM/HAMF12 | Gibco, Life Technologies | 12500 | Supplemented with 10%FBS. Warm in 37 °C water bath |
|||||
| Trypsin-EDTA(0.25%) | Sigma-Aldrich | T4049 | Warm in 37 °C water bath | |||||
| Fetal bovine serum (FBS) | Sigma-Aldrich | F1051 | Canada origin | |||||
| MDA-MB-468 cell line | ATCC | HTB-132 | ||||||
| MTS tetrazolium reagent | PROMEGA | G111B | ||||||
| Phenazine ethosulfate (PES) | Sigma-Aldrich | P4544 | >95% | |||||
| mPEG5K (Mn 5400 g/mol) | Sigma-Aldrich | 81323 | PDI=1.02 | |||||
| Dimethylsolfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D4540 | >99.5% | |||||
| Naphthalene | Sigma-Aldrich | 147141 | >99% | |||||
| Phenyl glycidyl ether | Sigma-Aldrich | A32608 | >85% | |||||
| Benzophenone | Sigma-Aldrich | 427551 | >99% | |||||
| Potassium | Sigma-Aldrich | 451096 | >98% | |||||
| Tetrahydrofuran | Caledon Laboratory Chemicals | 8900 1 | ACS | |||||
| Hexane | Caledon Laboratory Chemicals | 5500 1 | ACS | |||||
| Calcium hydride (CaH2) | ACP | C-0460 | >99.5% | |||||
| Diethyl Ether | Caledon Laboratory Chemicals | 1/10/4800 | ACS | |||||
| Microplate reader | BioTek Instruments | |||||||
| Differential scanning calorimetry (DSC) | TA Instruments Inc | DSC Q100 | ||||||
| Gel permeation chromatography (GPC) | Waters | 2695 separation moldule / 2414 detector | 2 Columns: Agilent Plgel 5µm Mixed-D | |||||
| NMR spectroscopy | Varian Mercury 400MHz | |||||||
| Chloroform-d | Sigma-Aldrich | 151858 | 99.96% | |||||
| DMSO-d | Sigma-Aldrich | 156914 | 99.96% | |||||
| Vaccum pump | Gardner Denver Welch Vacuum Tech, Inc. | Ultimate pressure 1.10-4 torr | ||||||
| Drierit with indicator, 8 mesh | Sigma-Aldrich | 238988 | Regenerated at 230°C for 2 hrs | |||||
References
- Dickerson, T. J., Reed, N. N., Janda, K. D. Soluble Polymers as Scaffolds for Recoverable Catalysts and Reagents. Chemical Reviews. 102, 3325-3344 (2002).
- van Heerbeek, R., Kamer, P. C. J., van Leeuwen, P. W. N. M., Reek, J. N. H. Dendrimers as Support for Recoverable Catalysts and Reagents. Chemical Reviews. 102 (10), 3717-3756 (2002).
- Knop, K., Hoogenboom, R., Fischer, D., Schubert, U. S. Poly(ethylene glycol) in Drug Delivery: Pros and Cons as Well as Potential Alternatives. Angewandte Chemie International Edition. 49 (36), 6288-6308 (2010).
- Eetezadi, S., Ekdawi, S. N., Allen, C. The challenges facing block copolymer micelles for cancer therapy: In vivo barriers and clinical translation. Advanced Drug Delivery Reviews. 91, 7-22 (2015).
- Attwood, D., Booth, C., Yeates, S. G., Chaibundit, C., Ricardo, N. Block copolymers for drug solubilisation: Relative hydrophobicities of polyether and polyester micelle-core-forming blocks. International Journal of Pharmaceutics. 345 (1-2), 35-41 (2007).
- Matsumura, Y., Kataoka, K. Preclinical and clinical studies of anticancer agent-incorporating polymer micelles. Cancer Science. 100 (4), 572-579 (2009).
- Chan, A. S., Chen, C. H., Huang, C. M., Hsieh, M. F. Regulation of particle morphology of pH-dependent poly(epsilon-caprolactone)-poly(gamma-glutamic acid) micellar nanoparticles to combat breast cancer cells. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 10 (10), 6283-6297 (2010).
- Diao, Y. Y., et al. Doxorubicin-loaded PEG-PCL copolymer micelles enhance cytotoxicity and intracellular accumulation of doxorubicin in adriamycin-resistant tumor cells. International Journal of Nanomedicine. 6, 1955-1962 (2011).
- Mikhail, A. S., Allen, C. Poly(ethylene glycol)-b-poly(ε-caprolactone) Micelles Containing Chemically Conjugated and Physically Entrapped Docetaxel: Synthesis, Characterization, and the Influence of the Drug on Micelle Morphology. Biomacromolecules. 11 (5), 1273-1280 (2010).
- Kataoka, K., Harada, A., Nagasaki, Y. Block copolymer micelles for drug delivery: design, characterization and biological significance. Advanced Drug Delivery Reviews. 47 (1), 113-131 (2001).
- Nakanishi, T., et al. Development of the polymer micelle carrier system for doxorubicin. Journal of Controlled Release. 74 (1-3), 295-302 (2001).
- Liu, J., Xiao, Y., Allen, C. Polymer-drug compatibility: A guide to the development of delivery systems for the anticancer agent, ellipticine. Journal of Pharmaceutical Sciences. 93 (1), 132-143 (2004).
- Flory, P. J. Molecular Size Distribution in Ethylene Oxide Polymers. Journal of the American Chemical Society. 62 (6), 1561-1565 (1940).
- Kazanskii, K. S., Solovyanov, A. A., Entelis, S. G. Polymerization of ethylene oxide by alkali metal-naphthalene complexes in tetrahydrofuran. European Polymer Journal. 7 (10), 1421-1433 (1971).
- Crothers, M., et al. Micellization and Gelation of Diblock Copolymers of Ethylene Oxide and Styrene Oxide in Aqueous Solution. Langmuir. 18 (22), 8685-8691 (2002).
- Taboada, P., et al. Block Copolymers of Ethylene Oxide and Phenyl Glycidyl Ether: Micellization, Gelation, and Drug Solubilization. Langmuir. 21 (12), 5263-5271 (2005).
- Taboada, P., et al. Micellization and Drug Solubilization in Aqueous Solutions of a Diblock Copolymer of Ethylene Oxide and Phenyl Glycidyl Ether. Langmuir. 22 (18), 7465-7470 (2006).
- Attwood, D., Booth, C. . Colloid Stability. , 61-78 (2010).
- Le Devedec, F., et al. Postalkylation of a Common mPEG-b-PAGE Precursor to Produce Tunable Morphologies of Spheres, Filomicelles, Disks, and Polymersomes. ACS Macro Letters. 5 (1), 128-133 (2016).
- Chtryt, V., Ulbrich, K. Conjugate of Doxorubicin with a Thermosensitive Polymer Drug Carrier. Journal of Bioactive and Compatible Polymers. 16 (6), 427-440 (2001).
- Kataoka, K., et al. Doxorubicin-loaded poly(ethylene glycol)-poly(β-benzyl-l-aspartate) copolymer micelles: their pharmaceutical characteristics and biological significance. Journal of Controlled Release. 64 (1-3), 143-153 (2000).
- Cammas, S., Matsumoto, T., Okano, T., Sakurai, Y., Kataoka, K. Design of functional polymeric micelles as site-specific drug vehicles based on poly (α-hydroxy ethylene oxide-co-β-benzyl l-aspartate) block copolymers. Materials Science and Engineering: C. 4 (4), 241-247 (1997).
- Lv, S., et al. Doxorubicin-loaded amphiphilic polypeptide-based nanoparticles as an efficient drug delivery system for cancer therapy. Acta Biomaterialia. 9 (12), 9330-9342 (2013).
- Kim, J. O., Oberoi, H. S., Desale, S., Kabanov, A. V., Bronich, T. K. Polypeptide nanogels with hydrophobic moieties in the cross-linked ionic cores: synthesis, characterization and implications for anticancer drug delivery. Journal of Drug Targeting. 21 (10), 981-993 (2013).
- Zhao, C. L., Winnik, M. A., Riess, G., Croucher, M. D. Fluorescence probe techniques used to study micelle formation in water-soluble block copolymers. Langmuir. 6 (2), 514-516 (1990).
- Wilhelm, M., et al. Poly(styrene-ethylene oxide) block copolymer micelle formation in water: a fluorescence probe study. Macromolecules. 24 (5), 1033-1040 (1991).
- Cammas, S., Kataoka, K. Functional poly[(ethylene oxide)-co-(β-benzyl-L-aspartate)] polymeric micelles: block copolymer synthesis and micelles formation. Macromolecular Chemistry and Physics. 196 (6), 1899-1905 (1995).
- Kwon, G., et al. Micelles based on AB block copolymers of poly(ethylene oxide) and poly(.beta.-benzyl L-aspartate). Langmuir. 9 (4), 945-949 (1993).
- Ahmed, F., Discher, D. E. Self-porating polymersomes of PEG-PLA and PEG-PCL: hydrolysis-triggered controlled release vesicles. Journal of Controlled Release. 96 (1), 37-53 (2004).
- Uhrig, D., Mays, J. W. Experimental techniques in high-vacuum anionic polymerization. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. 43 (24), 6179-6222 (2005).
- Parker, A. J. The effects of solvation on the properties of anions in dipolar aprotic solvents. Quarterly Reviews, Chemical Society. 16 (2), 163-187 (1962).
- Cram, D. J. . Fundamentals o] Carbanion Chemistry. , (1965).
- Szwarc, M. . ACS Symposium Series. 166, 1-15 (1981).
- Cho, Y. W., Lee, J., Lee, S. C., Huh, K. M., Park, K. Hydrotropic agents for study of in vitro paclitaxel release from polymeric micelles. Journal of Controlled Release. 97, 249-257 (2004).
- Dewhurst, P. F., Lovell, M. R., Jones, J. L., Richards, R. W., Webster, J. R. P. Organization of Dispersions of a Linear Diblock Copolymer of Polystyrene and Poly(ethylene oxide) at the Air−Water Interface. Macromolecules. 31 (22), 7851-7864 (1998).
- Opanasopit, P., et al. Block Copolymer Design for Camptothecin Incorporation into Polymeric Micelles for Passive Tumor Targeting. Pharmaceutical Research. 21 (11), 2001-2008 (2004).
- Allen, G., Booth, C., Price, C. VI-The physical properties of poly(epoxides). Polymer. 8, 414-418 (1967).
- Jada, A., Hurtrez, G., Siffert, B., Riess, G. Structure of polystyrene-block-poly(ethylene oxide) diblock copolymer micelles in water. Macromolecular Chemistry and Physics. 197 (11), 3697-3710 (1996).
- Attwood, D., Florence, A. T. . Surfactant systems : their chemistry, pharmacy, and biology. , (1983).
- Rekatas, C. J., et al. The effect of hydrophobe chemical structure and chain length on the solubilization of griseofulvin in aqueous micellar solutions of block copoly(oxyalkylene)s. Physical Chemistry Chemical Physics. 3 (21), 4769-4773 (2001).
