PNIPAM/Hexakis как термочувствительная система доставки лекарств для биомедицинских и фармацевтических применений.

Том 12 научных докладов, номер статьи: 14363 (2022 г.) Цитировать эту статью

1307 Доступов

4 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Авторская поправка к этой статье была опубликована 27 сентября 2022 г.

Эта статья обновлена

Многие технологии, начиная от способов доставки лекарств и заканчивая тканевой инженерией, начинают использовать уникальные возможности «умных полимеров». В частном случае термочувствительные гидрогели имеют большой потенциал, например, в приводах, микрофлюидике, сенсорах или системах доставки лекарств. Здесь исследуется загрузка доксорубицина (DOX) новым термочувствительным полимером N-изопропилакриламидом (PNIPAM) и его сополимерами с целью повышения эффективности препарата доксорубицина на целевом участке опухоли. Таким образом, точный рациональный дизайн, основанный на использовании классической молекулярной динамики (МД) и хорошо продуманного метадинамического моделирования, позволяет прогнозировать и понимать поведение термочувствительных полимеров при загрузке DOX в наноканал Hexakis при 298 и 320 К. Кроме того, в этой работе исследуется эффективность этого лекарственного носителя для высвобождения DOX в ответ на такие стимулы, как изменения температуры и изменения физиологического pH. В результате исследования сделан вывод, что композит Гексакис-полимер способен адсорбировать DOX при нейтральном pH, а при повышении температуры моделируемых систем от 298 до 320 К сила межмолекулярного притяжения снижается. Кроме того, полученные результаты МД-моделирования показали, что доминирующим взаимодействием между ДОКС и гексакисом в системах ДОКС/полимер/Гексакис является член Леннарда-Джонса (ЛД), обусловленный образованием сильного π-π-взаимодействия между адсорбатом и подложкой. поверхность. Полученные результаты показывают, что происходит более высокая агрегация цепей ДМА вокруг гексакиса и образование более прочных связей с ДОКС. Результаты тщательного метадинамического моделирования показали, что порядок введения лекарственного средства и полимера в систему является определяющим фактором судьбы процесса адсорбции/десорбции. В целом, наши результаты объясняют температурно-зависимое поведение полимеров ПНИПАМ и пригодность носителя полимер-гексакис для доставки доксорубицина.

Поли(N-изопропилакриламид) (ПНИПАМ) полимер – один из наиболее широко используемых и тщательно изученных термочувствительных полимеров1,2,3,4. Температурная реакция полимеров важна как для фундаментального понимания физики полимеров, так и для технических приложений5,6. Полимер ПНИПАМ имеет более низкую критическую температуру растворения (НКТР) примерно 310 К (37 °С)7,8. Он полностью растворим в воде ниже НКТР и становится менее растворимым или даже разрушается в водной фазе выше НКТР. Поскольку эта LCST близка к температуре, при которой происходит большинство физиологических процессов, это делает PNIPAM многообещающим материалом для разработки систем таргетной доставки лекарств9,10,11. Что касается лечения рака, полимер PNIPAM обычно применяется для изучения взаимодействия между биологическим мышлением и клетками-мишенями при различных температурах или pH 12,13,14. Чтобы понять поведение этих полимеров при НКТР, а также влияние полимерной цепи на загрузку лекарств, высвобождение лекарств, доставку клеток, исследователи провели несколько исследований. Такер и Стивенс15 изучили длину полимерной цепи (в диапазоне 3–30 мер) в зависимости от температуры перехода для одного синдиотактического полимера PNIPAM и обнаружили существование более высокого LCST для более коротких цепей. Реза Малеки и др.16 исследовали влияние длины цепи термочувствительного полимера N-изопропилакриламида на углеродные нанотрубки как систему доставки лекарственного средства для загрузки доксорубицина (DOX) посредством моделирования классической молекулярной динамики (МД). Полученные ими результаты показали, что PNIPAM с длиной цепи, т.е. 15-мерной, более стабилен и эффективен в системах доставки, чем полимер PNIPAM с более высокой длиной цепи, исходя из энергетики и структуры системы. Ватти и др.17 с помощью молекулярно-динамического моделирования изучили растворимость доксорубицина в трех различных полимерах, а именно, поли(N-изопропилакриламиде), полиэтиленгликоле и поливинилпирролидоне. Их работа показала, что 15-мерная длина PNIPAM является наиболее стабильной и эффективной в системах доставки лекарств. Используя теоретические исследования, Мурти и др.18 сообщили, что оксид графена (GO), привитый PNIPAM, создает поверхностное состояние «включено» / «выключено» вокруг своего LCST при взаимодействии с белком раковых клеток. Фактически присутствие мономера ПНИПАМ стабилизирует систему за счет взаимодействия нуклеиновых оснований и ГО. Кроме того, Шиддики и его коллеги19 создали иммуносенсоры на основе полимера PNIPAM, которые обеспечивают обратимую поверхность для распознавания ракового белка в сыворотке человека. Совсем недавно Алеман и его коллеги20 разработали полувзаимопроникающие наногели (NG), состоящие из поли (N-PNIPAM) и дендритной полиглицериновой (dPG) сетки, содержащей SIPN (полувзаимопроникающую сеть). Их результаты показали, что полимер PNIPAM обеспечивает термочувствительность и действует как стабилизатор. Кроме того, коллапс полимера ПНИПАМ увеличивает контакт между цепями внутренне проводящих полимеров (ИСП), усиливает процессы переноса заряда и облегчает взаимодействие с поверхностью электрода. Помимо множества исследований чистого полимера ПНИПАМ, были также проведены исследования его сополимеров, которые выявили интересные открытия21,22,23,24,25. Среди различных кольцевых макроциклов особый интерес представляют структуры Hexakis (m-PE) с жесткими остовами и недеформируемыми полостями26,27. Эти структуры состоят из звеньев олиго-(м-фенилен-этилена) со строго определенными внутренним и внешним диаметром, которые широко известны как полезные биосовместимые материалы28. В наших предыдущих исследованиях29,30 впервые с помощью МД-моделирования и расчетов теории функционала плотности (DFT) было показано, что гексакис (м-ПЭ) подвергается процессу самосборки с образованием нанотрубчатой ​​структуры, которая может быть новой биосовместимый датчик для систем доставки лекарств. Доксорубицин, служащий моделью противоракового препарата, является одним из надежных традиционных химиотерапевтических препаратов31,32. Многие исследования показали, что использование наноносителей для доставки химиотерапевтического препарата ДОКС в качестве адъювантной терапии снижает токсичность этого агента и повышает его эффективность33,34,35. Кроме того, большое значение имеет разработка новых терапевтических стратегий для нетоксичности и селективной доставки ДОКС в опухоли. По сравнению с традиционными системами доставки лекарств (DDS) преимущества интеллектуальных DDS очевидны. Нанокомпозиты представляют большой интерес в нанобиотехнологиях из-за их способности проявлять хорошие многофункциональные свойства. На сегодняшний день успешно разработаны различные типы нанокомпозитов, и каждая модель может использоваться для разных приложений. С другой стороны, нанокомпозиты могут быть использованы для контролируемого высвобождения лекарств, а их сочетание с наночастицами может стать перспективным инструментом адресной доставки лекарств. Например, Гупта и др.36 работают над синтезом и применением нанокомпозита полисорбат/молибдофосфат железа (ПС/ФМП). Кроме того, нанокомпозит PS/FMP используется в качестве средства доставки лекарств для адресной или системной доставки препаратов метилкобаламина. Полученные результаты показывают, что эффективность инкапсулирования и загрузки лекарственного средства составляет около 35,2% и 60,4% соответственно. Установлено, что высвобождение метилкобаламина происходит при pH 9,4 > pH 7,4 > физиологическом растворе (pH 5,7) > pH 2,2. Судя по их результатам, нанокомпозит ПС/ФМП является перспективным многофункциональным нанокомпозитом. Таким образом, в настоящем исследовании проводится классическое (MD) и хорошо отрегулированное метадинамическое моделирование для изучения нанокомпозита Hexakis-PNIPAM как подходящего носителя для доставки DOX. Чтобы изучить влияние профилей температурной зависимости полимеров на характеристики PNIPAM и доставку лекарственного средства, рассматриваются две разные температуры для PNIPAM и двух его сополимеров, а также проводится шесть симуляций с загрузкой DOX вместе с 10-мерными полимерами. на поверхности нанотрубки Гексакиса. Кроме того, был оценен механизм высвобождения ДОКС из ДМА/Гексакиса, ДМА как наиболее стабильного полимера, в кислых условиях. Для этой цели был использован олигомер ПНИПАМ и два его сополимера, а именно НИПААм-кодиметилакриламид (п(НИПААм-ко-ДМА)), (здесь кратко называется ДМА) и пНИПААм-ко-акриламид (п(НИПААм-ко-Ам) ), (здесь кратко называется Am), используются при 298 и 320 К. Для анализа этого притягивающего носителя изучаются энергии взаимодействия, радиус инерции, функция радиального распределения и ландшафт свободной энергии. Результаты этого исследования могут дать хорошее и новое представление об оптимальном использовании полимеров PNIPAM для контролируемого высвобождения препарата DOX. Поскольку среда опухоли имеет более высокую температуру, чем остальная часть тела, термочувствительные полимеры обычно могут выделять лекарства в этот момент. Изучая полимер Hexakis в качестве носителя, можно ответить на этот вопрос: служит ли полимер Hexakis подходящим кандидатом для контролируемого высвобождения DOX и высвобождения лекарственного средства после повышения температуры в раковых опухолях?