Наночастицы для доставки лекарственных и диагностических

Московский государственный университет тонких химических
технологий им. М.В. Ломоносова
Кафедра БТ и БНТ
Подходы к разработке новых терапевтических
агентов на основе ковалентных и нековалентных
модификаций используемых лекарственных
средств для улучшения доставки препаратов к
клеткам-мишеням
Аспирант
Руководитель
Дьякова Л.Н.
доц. Шастина Н.С.
Идеальное лекарство:
1.
Хорошая избирательность (селективность) – только на
одну мишень
2.
Направленность на орган-(ткань-, клетки-)-мишень
3.
Контролируемое высвобождение (controlled release,
sustained release)
•
равномерное по времени
•
контролируемое по месту
•
зависимое от «концентрации мишени»
4.
Высокая эффективность (действует в малых дозах,
слабые побочные эффекты)
5.
Удобная для пациента форма (пероральная,
трансдермальная, интранозальная и т.п.)
6.
Высокая биодоступность (хорошее прохождение через
тканевые барьеры); в том числе и экономический фактор
Два направления для решения
этих проблем
1.
Конструирование специальных систем доставки
лекарств – для изменения фармакокинетики
(ADME-Tox) (нековалентное связывание)
2.
Создание пролекарственных соединений
(ковалентное связывание) для предотвращения
недостатков фармакологически активных
соединений ProDrug Design
Изменение ADME-Tox
Абсорбция
Два барьера:
• метаболический
– рН,
– ферменты,
– Р-гликопротеин (P-gp, продукт гена MDR-1)
• физический
– муциновый слой
– плотные контакты между клетками эпителия
– клеточная мембрана
Вещества, способные проникнуть
через эпителий кишечника
• Вещества со средним Кр – пассивная диффузия
через мембрану
• Липофильные в-ва (с желч. кислотами)
• Питательные в-ва (а.к., моносахариды и т.п.) –
посредством специф. переносчиков
• В12, EGF – рецепторопосредованный
трансцитоз
• Мм до 600 Да
Вещества, не способные
проникнуть через эпителий
кишечника
• Деградирующие в желудке и/или в кишечнике
• Полимеры: в т.ч. белки, НК, полисахариды
• Плохо растворимые вещества
Способы увеличения биодоступности и
организации равномерного,
контролируемого высвобождения
• Защита от воздействия среды
• Увеличение концентрации вблизи клеток
эпителия
• Усиление транспорта
• Улучшение растворимости
Защита от воздействия среды:
– Микрокапсулирование
– Гидрофобизация
– Ингибирование ферментов
Увеличение концентрации
вблизи клеток эпителия
кишечника
– Использование мукоадгезивных носителей
– Высвобождение в нужном отделе кишечника
• Инкапсулирование
• рН-зависимое высвобождение
• Ферментзависимое высвобождение
Усиление транспорта
• Через мембрану эпителиальных клеток
– Гидрофобные prodrugs
– Использование ПАВ (желчных кислот – есть
рецепторы на клетках эпителия)
– Биоконъюгация с молекулами, имеющими
переносчики (а.к., дипептиды, фолиевая кислота,
желчные кислоты, В12 и др.) через мембрану
эпителиальных клеток
• Ориентация на поглощение М-клетками
(включение в микро- и наночастицы)
Улучшение растворимости солюбилизация
• Комплексообразование с амфифильными
полимерами (ПВП, ПЭГ)
• Включение в состав микро- или наночастиц
(липосомы, дендримерные соединения)
• Получение наносуспензий (нанокристаллов)
Биоконъюгация с веществами,
имеющими переносчики
•
•
•
•
В12
Желчные кислоты
Бета-лактамные АБ
Фолиевая кислота
Еще одно преимущество: таким образом удается
«обойти» Р-гликопротеин
Биоконъюгация с желчными
кислотами
• Некоторые факты из «жизни» желчных кислот
–
–
–
–
–
–
Секреция 600-800 мл/день
Всего в человеке 1.5-4 г
Циркуляция 17-40 г/день
6-15 циклов/день
Потери 0.2-0.5 г/день (5%)
Специфические рецепторы в печени и тонком
кишечнике
Желчные кислоты
OH
H3C
H3C
OH
O
OH
H
H
O
CH3
OH
H
HO
HO
NH
CH3
CH3
CH3
O
OH
OH
H
O
H3C
OH
NH
CH3
CH3
O
S
O
Кислоты
рКа
холевая
5
гликохолевая
3-4
таурохолевая
2.0
OH
HO
OH
Желчные кислоты: SAR взаимодействия с
рецепторами
OH
H3C
O
CH3
12
17
H
CH3
H
3
HO
OH
H
7
OH
H
1. Необходимы 2 или более гидроксильных групп
2. Необходим отрицательный заряд в районе С17
(два заряда – плохо)
3. Замещение в С3 не оказывает сильного влияния
4. Возможен отрицательный заряд около С3
5. Необходимо цис-сочленение колец А и В
Применение конъюгатов с желчными
кислотами:
1. Улучшение биодоступности при
пероральном введении (улучшение
всасывания в кишечнике)
2. Сайт-направленная доставка
лекарственной субстанции в печень
3. Доставка лекарственной субстанции в
желчный пузырь
Примеры: улучшение биодоступности
Препарат
Гептапептид
(ГП)
Конъюгат
ГП—спейсер—хол. кта
Биодоступность
0.5%
7%
Липосомы – наиболее продвинутый вид наночастиц,
используемых в медицине
Основные молекулы липосом –
природные полярные липиды
ORxn
Rxn
Фосфатидилхолин (ФХ)
O
Rxn
O
O
P
O
O
O
Rxn
Rxn
X5
N(Me)3
Rxn
O
Фосфатидилэтаноламин (ФЭ)
Фосфатидная кислота (ФК)
NH3
H
COOH
NH3
Фосфатидилглицерин (ФГ)
OH
OH
HO
HO
HO
ORxn
Rxn
Rxn
Rxn
O
Rxn
Rxn
O
ORxn
Rxn
O
Фосфатидилинозит (ФИ)
O O
P
HORxnO
OH
HO
O
Rxn
P
O O
Дифосфатидилглицерин (ДФГ)
O
Rxn
Rxn
O
ORxn
O
Rxn
Rxn
OH
OH
O
Rxn
Rxn
Фосфатидилсерин (ФС)
Rxn
O
Rxn
O
O
HO
O
HO
OH
OH
Гликозилдиглицериды (ГД)
Липосомы образуются самопроизвольно при
гидратации полярных липидов
H2O
Гидрофобная поверхность;
отсутствует только у замкнутых
бислоев
Липосома – модель биологических мембран
Липиды в бислое могут перемещаться вдоль поверхности
(латеральная диффузия); перескок между монослоями
(флип-флоп) – более редкое событие; «покидание» бислоя
возможно при контакте с другими клетками,
липопротеидами или белками
Форма
молекулы
Перевернутый
конус
Полиморфная
фаза
Форма образующихся агрегатов зависит от формы
молекул липидов
Мицеллярная Бислойная
(L)
Цилиндр
Конус
Сочетание
нескольких типов
молекул
Гексагональная Кубическая
(HII)
(Q)
Динамическая форма молекул некоторых амфифилов
зависит от свойств окружающей среды
ФлА2
Т
-
H+
Ca2+
+
Фосфолипаза А2 отщепляет
одну жирнокислотную цепь,
что уменьшает объем
гидрофобной области
При нагревании
увеличивается объем
гидрофобной области
При протонировании или в
присутствии двухвалентных
катионов уменьшается
гидратация полярных
головок, что приводит к
уменьшению ее объема
Т
Термотропные фазовые переходы (полиморфные
переходы)
Получение липосом
Липидная пленка (порошок)
Гидратация
Мультиламеллярные Лс
Измельчение
•Экструзия
•УЗ
Моноламеллярные Лс
Загрузка полярных веществ
Эффективность включения до 10%, зависит
• от размера Лс,
• концентрации Лс
Соотношение активное вещество/носитель менее
0.01%
Загрузка липофильных веществ
Гидратация
Эффективность включения около 100%
Обычно включается до 10% мольн. от липидов
мембраны
Получение липосом
«замещением растворителя»
Спиртовой раствор липидов
Вода
1) Смешение
2) Упаривание спирта
Моноламеллярные
Лс
Активная загрузка Лс слабыми основаниями
1. Загружают соль слабого основания ((NH4)2SO4)
2. Добавляют активное вещество (доксорубицин,
дофамин или другое слабое основание)
3. Происходит обмен активного вещества на
аммиак
Эффективность включения до 100%
Дофамин: недостаток в мозгу приводит к болезни
Паркинсона
HO
HO
NH2
HO
HO
+
NH3
Преимущества липосомных препаратов
Эффект
Накопление в сердце (доксорубицин)
Липосомный
препарат/р-р
1/2.3
LD50 (доксорубицин)
2.3
Накопление в опухоли (доксорубицин)
8.5
Концентрация в плазме (рифампицин дауномицин)
Время выживания животных
(доксорубицин)
Равноэффективная доза (дауномицин,
ДОФА)
Увеличение растворимости (бетулиновая
кислота)
3.3-185
2
1/10
1000
Основные причины использования липосомных
препаратов
 Депонирование при местном введении
 Офтальмология
 Обработка раневых и ожоговых поверхностей
 Легочные инфекции
 Нацеливание в клетки РЭС
 Грибковые и бактериальные внутриклеточные
инфекции
 Вакцины
 Нацеливание в области воспаления: долгоциркулирующие липосомы
 Противоопухолевые препараты
 Инфекции
Основные сферы использования липосомных препаратов
• Противоопухолевые
• Лечение грибковых и бактериальных
внутриклеточных инфекций
• Вакцины
Сферы использования липосомных препаратов
Противоопухолевые
Субстанция Название
Доксорубицин
D99
Заболевание
Фирма
Рак молочной железы
The Liposome
Co.
Саркома Капоши, рак
молочной железы,
SEQUUS
Doxil
простаты, первичный Pharmaceuticals
рак печени
Саркома Капоши, рак
NeXstar
Дауномицин DaunoXome молочной железы и др.
Pharmaceuticals
солидные опухоли
Доксорубицин
(Stealth
liposomes)
Антрациклиновые антибиотики
OH
O
OH
OH
O
OH
O
O
OH
OH
H
O
O
OH
O
H3C
O
H3C
O
O
O
Доксорубицин,
эпирубицин
OH
O
OH
CH3
CH3
NH2
NH2
OH
O
OH
CH3
OH
O
OH
O
O
OH
O
O
OH
O
H3C
O
O
Дауномицин,
пирорубицин
OH
O
OH
H3C
O
O
O
CH3
CH3
OH
O
NH2
NH2
Сферы использования липосомных препаратов
Грибковые и бактериальные внутриклеточные
инфекции
Субстанция Название
Заболевание
Фирма
Системные грибковые
NeXstar
Амфотерицин В AmBiosome
инфекции,
Pharmaceuticals
лейшманиозы
Системные грибковые
Амфотерицин В
ABCL
The Liposome Co
инфекции
Системные грибковые
Амфотерицин В Amphocil
SEQUUS
инфекции
Серьезные
Амикацин
MiKasome
бактериальные
NeXstar
инфекции
Амфотерицин B и амикацин
OH
OH
O
H3C
OH
O
HO
OH
OH
OH
OH
O
O
CH3
OH
H3C
O
OH
O
HO
NH2 H2N
O
HO
HO
HO
O
OH
OH HO
O
H2N
O
H2N
NH
OH
HO
O
H
H2N
CH3
Образует
комплекс с
цитостерином,
что приводит к
образованию
пор в
мембране
грибов
Сферы использования липосомных препаратов
Вакцины
Субстанция Название
Заболевание
Фирма
Инактивиров.
Epaxal-Berna
Swiss Serum and
вирионы
Гепатит А
vaccine
Vaccine Inst.
гепатита А
Белки из
Trivalent
Swiss Serum and
вирионов трех influenza
Грипп
Vaccine Inst
штаммов
vaccine
E.coli 0157:H7 E.coli 0157:H7
E.coli 0157
Novavax
(killed)
vaccine (oral)
инфекция
Shigella
S. flexnery 2A
Shigella flexnery 2A
flexnery 2A
Novavax
(killed)
инфекция
vaccine (oral)
Модификации поверхности липосом НИОТ
Загружаемый
препарат
ddC
d4T
Модификация липосом
Цель модификации
Увеличение заряда на
поверхности
Направленная доставка в
макрофагоподобные
клетки
Введение на поверхность
Направленная доставка в
стеариламина для увеличения
макрофаги и моноциты
заряда
AZT конъюгаты
Ацетилирование поверхности
(холестериновых молекул)
Направленная доставка в
клетки J7774.A и U937
AZT
Увеличение положительного
заряда стериламином
Доставка в клетки печени
d4T
Конъюгирование поверхности
с маннозой
Доставка в клетки MT2
d4T
Конъюгирование поверхности
с галактозой
Доставка в клетки печени
Дендримеры – разветвленные полимеры
• Синтезируются ступенчато, образуя дендримеры
соответствующего поколения
• Как правило, имеют сферическую форму
• Имеют полости, куда могут включаться
молекулы лекарственных веществ
• Поверхностные группы могут использоваться
для ковалентного присоединения
модифицирующих молекул
• Дендримеры с аминогруппами – удобные
переносчики ДНК для генной терапии
Структура
дендримера
на основе
аминокислот
(полиамидо
-амин,
PAMAM)
Сравнительные размеры дендримеров, белков и
некоторых надмолекулярных комплексов
Дендримеры
на основе пропилендиамина – эффективные агенты
для трансфекции
Молекулярные модели связывания ДНК с денримерами 1-5
генераций
Вид
сбоку
Вид
сверху
Ковалентные модификации НИОТ . Prodrugs
Динуклеозидтетрафосфаты
Противоопухолевый конъюгат хитозана
Эффективным является использование природного полимера
хитозана для доставки лекарственных препаратов. Хитозан –
линейный полисахарид, состоящий в основном из остатков
аминоглюкозы.
R=R1=AZT
Увеличение биодоступности
Использование пептидных транспортеров
Ингибирование фермента
Биоимитация, липидная стратегия
Фармакологически
активное
соединение
Липид
Фармакологически
активное
соединение
Фармакологически
активное
соединение
Липид
+
Липид
Фармакологически
активное
соединение

Примеры липофильных матриц и нуклеозидных
противовирусных средств, на основе которых были
синтезированы пролекарственные соединения
Структура липофильной
части молекулы
O
R
O
R
Drug-C(O)O
R = ЖК
R2O
OR1
O
O P X Drug
O
Лекарственные соединения (Drug);
жирные кислоты (R)
1. Хлорамбуцил; ЖК: 2 С16
2. L-ДОФА; ЖК: 2 С16 3. Фенитоин; ЖК: 2 С14
4. AZT; ЖК: С16, С18:1
5. ddI; спейсер: Glu; ЖК: 2 C16 6. ddI MP; спейсер: hex; ЖК: 2
C16
7. Напроксен; ЖК: 2 С16
8. Аспирин и другие НПВС; ЖК: 2 (С2 – С16)
9. Saq или Ind; спейсер: Suc; ЖК : 2 C15
10. Iva-Phe-Nle-Sta-Ala-Sta; спейсер: Glu; ЖК : 2 C15
11. NFX, ЖК 2 С16
12. Ибупрофен, ЖК 2 С16; ЖК 2 С18
1. 1-β-D-Арабинофуранозилцитозин и цитидин;
R1 = S-(C16, C18), R2 = C1, C2 ,C16, X = PO2O 2. AZT и ddI; R1 =
NHCO-C17, O-C16, S-C16,
R2 = C1, C2, X = O
3. Гемцитабин; X = О, R1 = S-C12, R2 = C10 4. Гемцитабин; X =
спейсер: Suc; кардиолипин
5. 5-Фторуридин; X = О, R1 = C16, R2 = H, C16, C18:2, C2 0:4
Пронуклеотидный подход