BIOLÓGIAI és BIOMIMETIKUS ANYAGOK Liliom Károly SE ÁOK Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet
[email protected]
Az előadások temaKkája 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.
09-05 09-12 09-19 09-26 10-03 10-10 10-15 10-17 10-24 11-07 11-14 11-21 11-28 12-05
Az élő rendszerek sajátosságai Aminosavak, pepKdek, fehérjék VBK dékáni szünet BiomimeKkus fehérjék Lipidek, membránok Membrántranszport elmarad Nanomedicina Biomátrixok, biokerámiák BiomimeKkus anyagok 1 BiomimeKkus anyagok 2 BiomimeKkus anyagok 3 Hallgatói beszámolók 1 Hallgatói beszámolók 2
oktatas.ch.bme.hu Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Nanomedicina
molekuláris eszközök alkalmazásával történő gyógyítás, betegség megelőzés és diagnoszKkaa.
Nanomotorok
A HeLa sejtek bekebelezték a nanomotorokat, amelyek azután ultrahanghullámok hatására ide-oda vándoroltak a sejtben.
Nanoszerkezetek terápiás célra
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Hatóanyag sorsa a szervezetben (LADME) Változó paraméter Kioldódó mennyiség In vitro dissolució %
Folyamat Liberáció
Biofarmácia
In vivo ???? Felszívódó mennyiség Koncentráció a szervezetben
Abszorpció Disztribució
Metabolizmus Biológiai válasz
Kutatási terület
Elimináció
Farmako- kine3ka Farmakodinámia
Gyógyszer felszívódás különböző adagolási helyekrôl Bôr tapasz
Spray Sublingualis tableLa
i.m. s.c
Per os Szisztémás keringés i.v. (Bh=100%) Végbél alsó 1/3 Nem felszívódod anyag + metabolizmus
Metabolizmus
Cél molekulák szövetekben
i.v.
Kiválasztás
Sejtmembránokon keresztüli felszívódás és metabolizmus csökkenKk a biológiai hasznosíthatóságot (Bh<100%)
Nanotechnológia és gyógyszer bevitel Andrade et al. Nanomedicine 6:123-141, 2011.
• Nanorészecskék – Inorganikus részecskék 9 – Szolid lipid részecskék – Polimér részecskék • Nanoszférák, nanokapszulák , gyógyszer tároló részecskék
• Nanokristályok – Lényegesen kisebb kristály szerkezet, megnőd felszín/térfogat arány, nagyobb biológiai hasznosíthatóság
• Polimér gyógyszerek (Pár nm átmérő) – Polimér gyógyszerek – Polimér gyógyszer konjugátumok – Polimér micellák – Dendrimérek
• Liposzomák
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
– Amfifil lipid hártya, kivül hidrofób, belül hidrofil
Nanorészecskék szöveK penetrációja Andrade et al. Nanomedicine 6:123-141, 2011
• A nanorészecskék kicsiny mérete megváltozod szöveK eloszláshoz, felhalmozódáshoz vezet, illetve következményesen toxicitást okozhatnak – 20-50 nm nagyságú részecskék bejuthatnak a sejtekbe, közponK idegrendszerbe – <70 nm nagyságú részecskék beléphetnek a tüdő intersKKumába, majd innen a nyirokrendszerbe, véráramba, csontvelőbe és más szervekbe jutnak és halmozódhatnak. – Makrofágok nem ismerik fel és nem fagocitáljál a 70 nm-nél kisebb átmérővel rendelkező részecskéket Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Nanohordozó méredartományok
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Részecskék nagyság szerinK megoszlása a légzőrendszerben Andrade et al. Nanomedicine 6:123-141, 2011
5 µm 100 nm -1 µm
1-100 nm 1- 5 µm Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Gyógyszer adagolás a tüdőn keresztül Andrade et al. Nanomedicine 6:123-141, 2011
• Alveolaris hám vékony: 0,1-0,5 µm; 75-150 m2 felület • Intra- és extracelluláris enzim tartalom, gyógyszer efflux sejtekből kisebb mérvű mint a bélben • Nem-invazív, gyors gyógyszer hatás megjelenést biztosító adagolási út, mely a first-pass eliminációt elkerüli • 10-200 szoros biológiai hasznosíthatóság más nem-invazív eljárásokkal összehasonlítva – Nagy felszín, a felületet borító kevés folyadékban nagy gyógyszer koncentráció érhető el
• Fehérje klirensz a tüdőből: mukocilliáris hatás, makrofág fagocitózis, valamint kisebb molekulasúlyú fehérjék intercelluláris transzportja a nyirok rendszer felé • Nagy molekula súlyú fehérjék transzcelluláris transzportja a nagy affinitású pepKd transzporterekkel Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Tüdőbe adod dózis változásai leadod dózistól az abszorpcióig Andrade et al. Nanomedicine 6:123-141, 2011
Dózis az adagolóban
LeadoL dózis
LerakódoL dózis
Abszor- beálódoL dózis
Gyógyszer adagolást befolyásoló tényezők : légzőrendszer geometriája, humiditása, légzési kapacitás, inhalációs technika, stb Nanorészecskék, micellák ígéretes gyógyszer szállítók, de hosszú lerakódás miad toxikusak lehetnek Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
A daganatok növekedési görbéje • A daganatnövekedés korai fázisaiban a növekedés exponenciális • A klinikai diagnózis idején a növekedés már lassú, az osztódó kompartment kicsi, a G0 frakció pedig nagy • A kemoterápia eredményeit érzékenyebb diagnoszKkai eljárások javíhatják azáltal, hogy a daganatokat már a gyors növekedési fázisban kimutatják • A sebészeK és/vagy radiológiai eljárások csökkenKk a daganat nagyságát, a regeneráció során sok sejt lép az osztódási ciklusba
sejtszám 1.E+12
Klinikai észlelés határa 1.E+09 1.E+06 1.E+03 1.E+00
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
idő
Citotoxikus gyógyszer koncentráció alakulása szolid tumorokban • A tumorok kapilláris ágya újonnan képződöd kapillárisok rosszul organizált hálózatából áll. • Az oxigén és a tápanyagok a messzebb fekvő sejtekhez csak számos sejtrétegen keresztül jutnak el. Következésképpen a távolabbi sejtek elpusztulnak • A citotoxikus vegyületek koncentrácihatás görbéje meredek. A távolabbi sejtek környezetében nem alakul ki effekxv citotoxikus gyógyszer koncentráció • Nagy dózisú kemoterápiával még a távolabbi sejtek is eredményesen kezelhetők Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Normál és tumor kapillárisok
McDonald DM et al. Nat Med. 2003;9:713-725
• A tumorokban található kapillárisok fenesztráltak, a kapilláris ágy hierarhikus, funkcionális szerkezete nem alkalmazkodik opKmálisan a tumorsejtek vérellátási szükségletéhez
Szolid tumorok kezelése nanorészecskék segítségével Jain RK és Stylianopoulos T, Nat. Rev. Clin. Oncol. 7:653-664, 2010
• A rendezetlen, könnyen átjárható kapilláris hálózat, valamint a limfaKkus elvezető rendszer hiánya nagy intersKciális nyomás fokozódáshoz vezet a tumorokban, mely gátolja a gyógyszerek penetrációját • Az extracelluláris matrix összetetétele, denzitása tovább rontja a gyógyszerek diffúzióját (Különböző töltéssel rendelkező nanorészecskék fejlesztése, extracellulásris barrier feloldása, fellazítása)) • Nanorészecskék a tumorokban fokozod gyógyszer penetrációhoz és retencióhoz vezethetnek, azonban tumor fajták szerint eltérő az erek fenesztráltsága • Tumor sejt vagy tumor asszociált endothel kötődés előmozdítása (MAt), pH dependens gyógyszer leadás Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Bevacizumab kezelés tartama
Kezelés előd
Vosseler S et al. Cancer Res. 65:1294-1305, 2005
Bevacizumab 6 hetes kezelés
3 hédel a bevacizumab kezelés befejezése után
• A túlzod , rendezetlen kapilláris hálózat csökkentése anK-VEGF terápiával fontos bevezető lépés a kemoterápia előd • A bevacizumab kezelést folyamatosan, a progresszió kialakulásig fenn kell tartani
PolieKlénglikol liposzomális doxorubicin Coukel et al.: Drugs, 53:520, 1997 Caelyx®
Lipid membrán + kapcsolt polieKlénglikol (PEG) Polie3lénglikol • PEG csökkenK a RES-be történő boritás liposzoma felvételt • Preferenciális felvétel elsődlegesen a fenesztrált kapilláris hálózadal rendelkező tumorokba DX oldat a liposzoma • Kevés felvétel a szívizomba Toxicitás belső terében • Jelentősen emelkeded kardiális toxicitást okozó kumulaxv DX szint ~ 900 mg/m2 • Kéz és láb szindróma Liposzoma • Hematológiai toxicitás membrán • Infuziós reakció: kipirulás, hidegrázás, há|ájás, hipotenzió, légzési nehézség •
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
PolieKlénglikol liposzomális doxorubicin Caelix DocumentaKon
• Farmakokine3ka:
– 50 mg/m2 Caelyx – Eloszlás 4-5 h (DX: 0.07-0.17h), – Terminális t1/2: 45-50 h (Hosszú gyógyszer hatás tartam) (DX: 8.7 h) – Vs: 4.1L ( limitált az intravaszkuláris térre (DX: 250 L) Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Pegilálás klinikai farmakológiai jelentősége
PolieKlén glikol (PEG)
Fehérje
PEG
• Vízoldékonyság fokozódása PEG hidrofilitása következtében • Molekula nagyság következtében csökken a vese kiválasztás • Csökken a hozzáférés lehetősége proteoliKkus enzimek és anKtestek számára • Renális és celluláris klirensz csökkentésre heK adagolás melled 40-60 kDA molekuláris tömegű PEG a legalkalmasabb • Legjobb ha a PEG egy helyen és nem több helyen kötődik a fehérje molekulához
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Pegilálatlan és pegilált fehérje
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
MásodnaponkénK adagolás
IFN-α 2a és PEG-IFN-α 2a farmakokineKkai jellegzetességei Hayerris JM and Chess RB. Nat Rev DrugDiscov, 2:214, 2003
PEG40(kDA) IFN-α 2a HetenkénK adagolás
• A pegilálás által meghosszabbítod felezési idő tartós terápiás plazma- szintet biztosít
Immunogenitás klinikai farmakológiai következményei Biológiai gyógyszer (fehérje)
AnDtest termelés
Neutralizáló an3testek Klinikai hatás- csökkenés
Farmakokine3kai eltérések A bioekvivalencia vizsgálatok kérdésesek Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Nincs hatás
Naav fehérjék közömbösítése Funkcionális károsodás
Neutralizáló anKtestek által kiváltod thrombocytopenia Chun JL et al. Blood, 98:3241-3248. 2001
PEG-rHuMGDF kezelés TPO ellenes an3test koncentráció
Thrombocytaszám
• Pegilált-rekombináns-humán-megakaryocyta-growth and development factor
Abraxam – rákellenes nanohordozó-drog konjugátum
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Abraxam – transzcitózis – szelekxv hatás
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Nanohordozó konjugátumok
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Funkcionalizált liposzómák PEGilált foszfolipidek segítségével stabilizált lipszómák, amelyekbe a célbajudatandó molekulát csomagolják (kismolekulás drog) vagy a felülethez köKk (anKtest) Hosszú ideig kering a vérben és célbajudató markerekkel is kombinálható…
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Nanohordozó pegilálása
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Hidrofób drog nanohordozó – hatóanyagleadás
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Kedősréteg nanopórusos szilika felületen
Kedősréteg nanopórusos szilika felületen
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Dendrimerek – elágazó polimerek – mag + generációk
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Dendrimer konvergens szintézise
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Dendrimer divergens szintézise
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Dendrimer szintézise cikloaddícióval (Diels–Alder reacKon)
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Arborol dendrimer
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
PAMAM (poli(amido)amidoamin) dendrimer szintézise
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Gén és drog-konjugált PAMAM dendrimer
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
Fluoreszcens kvantumpödyök (QD)
Félvezető anyagban elektron-lyuk vezetőpárt hozunk létre, amelyet geometriai kényszerekkel szűk térrészbe zárunk (confinement). Az így csapdázod exciton energiaszintje a csapda méretével fordítodan arányos.
A leggyakoribb a kadmium/szelenium QD mag, amelyet ZnS köpeny vesz körül, de már sokféle anyagból lehet QD-t készíteni, a legújabb alapanyag a grafén. Biológiai és biomimeKkus anyagok 2016
QD a diagnoszKkában
QD a diagnoszKkában