Oláh György Doktori Iskola 

BME VBK / Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék / Felületkémiai Csoport

Témavezető: Dr. László Krisztina

Retard gyógyszerhatóanyag leadás intelligens polimer géllel 

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A saját szöveteinkhez hasonlóan lágy, nagy víztartalmú és környezeti hatásokra érzékenyen reagáló biokompatibilis gélhordozók (1/a ábra) – a hagyományos formuláláshoz képest – új utakat nyithatnak a hatóanyag-leadásban, lehetővé téve a leadás körülményeinek (dózis, sebesség, időtartam, hely) szabályozását, ezáltal csökkentve a mellékhatásokat és a szükséges gyógyszermennyiséget. A leadási mechanizmusban meghatározó szerepet játszó hordozó – hatóanyag kölcsönhatásokat az egyik legintenzívebben tanulmányozott hőmérséklet-érzékeny polimeren, a poli(N-izopropilakrilamid)-on (PNIPA) vizsgáltam (1/b ábra).

1.ábra A PNIPA gyógyszerhatóanyag felvétele és leadása számos környezeti paraméterrel szabályozható (pl. hőmérséklet, oldatkoncentráció, ionerősség)

A kutatóhely rövid bemutatása

 

A BME VBK Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszékének Felületkémiai Csoportja hangolt pórusszerkezetű és felületkémiájú anyagok előállításával, határfelületi jelenségeivel és azok alkalmazásaival foglalkozik, széleskörű hazai és nemzetközi együttműködésben. A vizsgált anyagok skálája a hagyományos aktív széntől a különleges fizikai-kémiai tulajdonságokkal bíró szén nanorészecskéken (pl. szén nanocső és grafén), az extrém kis sűrűségű szén aerogéleken, a gáztárolásra alkalmas fémorganikus vegyületeken át a lágy polimer gélekig és társított rendszereikig terjed.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

 

A reszponzív hidrogélek háromdimenziós térhálós polimerek, melyek nagy mennyiségű víz felvételére képesek. A PNIPA esetén ez saját tömegének 30-40-szerese is lehet. Hatóanyagfelvevő-, tároló- és leadó képessége révén a PNIPA kiemelkedően alkalmas eszköze lehet a célzott és szabályozott hatóanyagtranszportnak. Az intenzív kutatásokat az emberi testhőmérséklet közelében (34 °C) bekövetkező nemlineáris méretváltozással járó fázisátmenete indokolja. A gyulladt területek megemelkedett hőmérséklete felhasználható a hatóanyag-leadás megindítására. A hőmérséklet-érzékeny gél a hőmérséklet-emelés hatására összezsugorodik, ami a duzzasztófolyadékkal együtt kipumpált gyógyszermolekulák koncentrációjának hirtelen lokális növekedésével jár. A prompt leadáshoz képest új irány a gélhordozó alakmemóriáján alapuló, retard típusú gyógyszerleadás kutatása (2.ábra).

 

 

2. ábra. A gélhordozóba könnyen bevihető a hatóanyag, amely később a száraz állapotban tárolható formulából az újraduzzadás mértékének megfelelően lép ki

 

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

A duzzadt gélek gyors fázisátmenetén alapuló gyógyszerhordozó rendszerek hátránya, hogy retard hatóanyag leadásra nem alkalmasak. Megoldást kínálhat a problémára a gyógyszermolekulákkal töltött gélek száraz állapotban való alkalmazása, melynek során a száraz gél lassú újraduzzadása lehetővé teszi a hatóanyag időben elnyújtott leadását (3.ábra).

 

3. ábra. A hatóanyag-koncentráció változása hagyományos és elnyújtott leadás esetén

 

A hatóanyag-leadás hatékonysága számos tényező függvénye, melyek közül különös jelentősége van a gyógyszermolekulák és a polimer között kialakuló kölcsönhatásoknak. Ez nemcsak a leadható hatóanyag mennyiségét befolyásolhatja, hanem a megkötött molekulák morfológiáját is (kristályos/amorf, krisztallit méret, stb.). A gyógyszermolekula – polimer kölcsönhatások jelentősen befolyásolhatják a formula hatékonyságát. A gélek beszárításával a hatóanyag amorf vagy nanokristályos részecskékké fejlődhet, ami elősegíti a pontosabb adagolást, az oldhatóságot és így a biológiai hasznosíthatóságot. Az utóbbi évtizedek intenzív kutatásai ellenére a PNIPA – gyógyszermolekula kölcsönhatások nincsenek alaposan feltérképezve. Doktori munkám célja néhány gyógyszermolekula és a PNIPA kölcsönhatásának feltárása volt mind makroszkopikus, mind molekuláris szinten.

 

Módszerek

A fenolt (4/a ábra) gyakran alkalmazzák aromás gyógyszerhatóanyagok modellezésére. Kezdetben OH-szubsztituált fenolok PNIPA gél fázisátmenetére gyakorolt hatását vizsgáltam. A fenolos hidroxilcsoporttal rendelkező molekulák közül egyesek kismértékben vagy egyáltalán nem befolyásolják a PNIPA tulajdonságait, míg mások már alacsony koncentrációban is jelentősen megváltoztatják a fázisátalakulás körülményeit [1–4]. Ezután két, várhatóan eltérő módon viselkedő aromás gyógyszermolekula, a dopamin (4/b ábra) és az ibuprofen (4/c ábra) hatását hasonlítottam össze. A dopamin hormon és neurotranszmitter az emberi agyban és idegrendszerben. Nem megfelelő koncentrációja Parkinson-kór kialakulásához vezethet. Az ibuprofen egy nem-szteroid típusú gyulladáscsökkentő (NonSteroidal Anti Imflammatory Drug = NSAID), fájdalom- és lázcsillapító hatóanyag. A gyógyszerészeti gyakorlatnak megfelelően mindkét molekulát só formában vizsgáltam.

4. ábra. A modell hatóanyagok szerkezete: (a) fenol (c) dopamin hidroklorid

(d) ibuprofen nátrium só

 

A gélek mechanikai tulajdonságait rugalmassági modulusukkal jellemeztem. A gyógyszermolekulákkal töltött géleket duzzadásfok mérésekkel [ME1] és differenciális pásztázó mikrokalorimetriával (DSC) [ME3, ME4]; a fázisátmenet feletti és száraz állapotban pedig termikus analízissel [ME2], szilárd NMR spektroszkópiával [[ME3, ME4], röntgen pordiffrakcióval (XRD) [ME1] és nagy felbontású transzmissziós elektronmikroszkópiával (HRTEM) tanulmányoztam [ME1–4]. Végül vizsgáltam a hatóanyag-leadás kinetikáját.

 

Eddigi eredmények

A duzzadásfok mérése egyszerű indikátora lehetnek a hatóanyag – polimer kölcsönhatásoknak. Az általam alkalmazott hatóanyag-molekulák PNIPA duzzadási tulajdonságaira gyakorolt hatása szélsőségesen különbözik. Az OH-szubsztituált fenolok minden esetben csökkentik a gél duzzadásfokát. A fázisátmenet már 34 °C alatt bekövetkezik egy, a hőmérséklethez tartozó ún. kritikus koncentrációnál (ccrit). Ennek konkrét értéke a hidroxilcsoportok számától és relatív elhelyezkedésétől függ (5.ábra). Meta fenolok esetében például (fenol, 1,3-dihidroxibenzol és 1,3,5-trihidroxibenzol) a hidroxilcsoportok számának növelése csökkenti, míg orto fenoloknál (fenol, 1,2-dihidroxibenzol és 1,2,3-trihidroxibenzol) növeli a kritikus koncentrációt. A fenolok koncentrációjukkal arányosan csökkentik a fázisátmenet hőmérsékletét.

 

 

5.ábra.  PNIPA gél duzzadásfoka 20 °C-on fenololdatokban, a szabad folyadékfázis egyensúlyi koncentrációjának függvényében: ●1,3,5-trihidroxibenzol ●1,3-dihidroxibenzol ●fenol ●1,4-dihidroxibenzol ●1,2-dihidroxibenzol ●1,2,3-trihidroxibenzol [ME1]

 

A fenolokkal ellentétben a dopamin egyáltalán nem befolyásolja, míg az ibuprofen csak kismértékben csökkenti a duzzadásfokot, és még igen magas (500 mM) koncentrációban sem indukálják a fázisátmenetet [ME1,ME4]. A dopamin növeli a gél fázisátmeneti hőmérsékletét [ME1,ME4]. Ibuprofen esetében ez változatlan marad.

1H-1H CRAMPS (Combined Rotation and Multiple Pulse Spectroscopy) NMR spektrumok alapján a fenol erős hidrogén-kötéseket képez a PNIPA oldalláncaival. Ezzel szemben a dopamin-molekulák nem a géllel, hanem egymással lépnek kölcsönhatásba [ME3]. Ibuprofen esetében a hatóanyag-molekuláknak csak egy része kötődik a polimerhez, más része szabadon marad. Ezeknek a kölcsönhatásoknak a következménye hatóanyaggal töltött hordozó esetén jól követhető volt termoanalitikai módszerekkel [ME2].

A hatóanyag – polimer kapcsolat jelentősen befolyásolta a töltött gélek száradási folyamatát, ezáltal a gyógyszermolekulák kristályossági állapotát és részecskeméretét a száraz gélmátrixban. Az XRD felvételek alapján megállapítható, hogy a fenol és a PNIPA között kialakuló hidrogén-hidak [ME4] gátolják a fenol kristályok képződését a szárítás során.  A száraz polimerben így amorf állapotú [ME1]. Dopamin esetében a PNIPA-hoz kötődés hiánya, valamint az erős dopamin – dopamin kölcsönhatások következtében fokozatos kristályosodást tapasztaltam a szárítás során [ME1]. A szakirodalom alapján az ibuprofen képes hidrogén-kötések kialakítására a PNIPA láncokkal [5]. NMR méréseim szerint ez azonban a molekuláknak csak egy részét érinti, ami magyarázat lehet a gyorsan fejlődő kristályos ibuprofen fázis megjelenésére a száradó polimerben. (6.ábra) A gélben kialakuló dopamin- és ibuprofen-krisztallitok átmérője néhány tíz nanométer, szemben a kontrollméréseknél tapasztalt 100 nm feletti szabadon fejlődő kristályokkal. Mivel a gélmátrixba ágyazás jelentősen befolyásolja a gyógyszermolekulák kristályossági fokát és részecskeméretét, a vizsgált száraz gélhordozó rendszerek alkalmasak lehetnek nemcsak retard hatóanyag leadására, hanem a hatóanyagok oldhatóságának és biológiai hasznosíthatóságának javítására is.

A hatóanyag-tartalom megváltoztatja a töltött gélek duzzadásfokát. A fenollal töltött gél térfogata visszaduzzasztás után nagyobb lesz az eredetinél, a dopaminnál nem változik, az ibuprofen esetén pedig csökken. Ezzel magyarázható, hogy 10 óra alatt a fenol 100, a dopamin 91 és az ibuprofen 75 %-a oldódott ki a gélből. Az újraduzzasztás következtében megváltozó kölcsönhatások tehát ugyancsak hatással vannak a hatóanyag leadás mértékére és időbeli alakulására.

 

6.ábra. Hatóanyag-tartalmú PNIPA gélek XRD spektrumai a száradási folyamat során (a) fenol-tartalmú PNIPA (b) dopamin-tartalmú PNIPA (c) ibuprofen-tartalmú PNIPA [ME1]

 

Várható impakt, további kutatás

Eddigi eredményeim hozzájárulhatnak a reszponzív gélek alakmemóriáját kihasználó retard hatású készítmények kifejlesztéséhez. Gyógyszerhatóanyag-szállító rendszereken végzett vizsgálatainkat jelenleg szén nanorészecske tartalmú géleken folytatjuk. Szén nanocsövek és grafén(oxid) PNIPA gélbe ágyazásával mechanikailag erősebb, hangolható duzzadási és hatóanyag-leadási tulajdonságú gélek állíthatóak elő. A szén nanorészecskék infra tartományú elnyelése bővíti a szabályozási lehetőségeket: a duzzadási tulajdonságok infravörös fénnyel is befolyásolhatók lesznek.

7.ábra Hibrid PNIPA gélek különböző szén nanocső-tartalommal

 

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Saját publikációk listája

(IF = impakt faktor)

 

[ME1] E. Manek, A. Domján, J. Madarász, K. László:  Interactions in aromatic probe molecule loaded poly(N-isopropylacrylamide) hydrogels and  implications for drug delivery. European Polymer Journal 2015;68:657–664 (IF 3.005)

[ME2] E. Manek, A. Domján, A. Menyhárd, K. László: Host-guest interactions in poly(N-isopropylacrylamide) gel: a thermo-analytical approach. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 2015;120(2):1273–1281 (IF 2.042)

[ME3] A. Domjan, E. Manek, E. Geissler, K. László: Host-Guest Interactions in Poly(N-isopropylacrylamide) Hydrogel Seen by One- and Two-Dimensional 1H CRAMPS Solid-State NMR Spectroscopy. Macromolecules 2013;46(8):3118–3124 (IF 5.800)

[ME4] K. László, E. Manek, Sz. Vavra, E. Geissler, A. Domján: Host-guest Interactions in Poly(N-isopropylacrylamide) Hydrogels. Chemistry Letters 2012;41(10):1055–1056 (IF 1.300)

[ME5] E. Manek, A. Menyhárd, A. Domján, K. László. Szimultán termikus analízis a hatóanyagleadás kutatásának szolgálatában. MTA Termoanalitikai Munkabizottságának Ülése, 2014.12.10, Budapest

[ME6] E. Manek, A. Domján, A. Menyhárd, J. Madarász, K. László. Host-guest interactions in poly(N-isopropylacrylamide) gel seen by thermal simultaneous thermal analysis and powder X-ray diffraction method. 12th International Symposium on Bioscience and Nanotechnology, 2014.11.14–15, Toyo Egyetem, Kawagoe

[ME7] E. Manek, A. Domján, A. Menyhárd, K. László. Termikus módszerek a hatóanyagleadás-kutatás szolgálatában. MKE Kozmetikai és Háztartásvegyipari Társasága, Kozmetikai Szimpózium 2014, 2014.11.13, Budapest. Előadás Összefoglalók p.12, ISBN 978–963–9970–51–9

[ME8] E. Manek, A. Domján, J. Madarász, K. László. Hidrogélek és hatóanyagmolekulák kölcsönhatásának szerepe a tervezett hatóanyag-leadásban. MKE Kozmetikai és Háztartásvegyipari Társasága, Kozmetikai Szimpózium 2014, 2014.11.13, Budapest. Előadás Összefoglalók p.13, ISBN 978–963–9970–51–9

[ME9] E. Manek, A. Domján, J. Madarász, T. Sovány, K. László. Interactions of poly(N-isopropylacrylamide) hydrogels with small aromatic molecules of environmentally and biomedically relevance. 2nd International Conference on Bio-based Polymers and Composites (BiPoCo 2014), 2014.08.24–28, Visegrád

[ME10] K. László, E. Manek, Sz. Vavra, E. Geissler, A. Domján. Host-guest interactions in poly(N-isopropylacrylamide) hydrogels. Conference of the International Association of Colloid and Interface Scientists 2012 (IACIS 2012), 2012.05.13–18, Sendai

 

Linkgyűjtemény

 

Bevezetés az intelligens anyagok témakörébe

Mindentudás Egyeteme előadás az intelligens anyagokról

 

Hivatkozások listája

 

[1] K. Kosik, E. Wilk, E. Geissler, K. László. 2007;40(6):2141–2147

[2] K. László, K. Kosik, E. Wilk, E. Geissler. NATO ASI series. Springer 2006;393–402

[3] A. Domján, E. Geissler, K. László. Soft Matter 2010;6:247–249

[4] C. Hofmann, M. Schönhoff. Colloid Polymer Science 2009;287:1369–1376

[5] H. Jiang, L. Wang. Chinese Chemical Letters 2011;22:1123–1126