Lékové formy. Nanoãástice pro lékové formy

17 • 5 • 2007

Lékové formy Nanoãástice pro lékové formy Doc. PharmDr. Miloslava Rabišková, CSc. Ústav technologie lékÛ, Farmaceutická fakulta Veterinární a farmaceutické univerzity Brno

Souhrn Rabišková M. Nanočástice pro lékové formy. Remedia 2007; 17: 495–501. V poslední době lze pozorovat velký rozvoj částicových lékových forem. Některé z nich, např. pelety, mikročástice a lipozomy, našly ve farmakoterapii již své uplatnění. Na jiné, zejména tzv. chytré nanočástice schopné reagovat na různé stimuly, využití teprve čeká. „Chytré“ nano- a mikročástice jsou předmětem zájmu mnoha různých oborů: chemických věd, životního prostředí, biotechnologie, medicíny a farmaceutického průmyslu. Nacházejí uplatnění v grafickém umění, zemědělství, výpočetní technice (elektronický inkoust) apod. Nanotechnologie, související s mikroelektronikou a rozvojem výpočetní techniky, představují významný stupeň ve vývoji vědy a technologií, kde se překrývají objevy v biologii, diagnostice, terapii, mikroelektronice, počítačovém inženýrství a v oblasti vývoje syntetických polymerů. Článek seznamuje s nejdůležitějšími typy farmaceuticky využitelných nanočásticových systémů a s některými jejich pomocnými látkami. Klíčová slova: nanočástice – polymerové lipozomy – dendrimery – polymerové micely – cílené uvolňování léčiva.

Summary Rabišková M. Nanoparticles for pharmaceutics. Remedia 2007; 17: 495–501. In recent years a great development of multiparticulate dosage forms can be observed. Some of them, e.g. pellets, microparticles and liposomes, are already used in pharmacotherapy. The others, especially so called smart nanoparticles responsive or sensitive to specific stimuli will find their use in next future. Smart nano- and microparticles are in current potential interest in many different areas of chemical and life sciences, biotechnology, medicine and pharmaceutical industry. They already found their application in graphic art, agriculture, computer science (electronic ink) etc. Nanotechnologies related to microelectronics and computers represent a great step of science and technology that overlaps many other developments in biology, diagnostic and therapeutic medicine, microelectronics, computer-aided engineering and synthetic polymers. The article is focused on most important nanoparticulate systems of possible pharmaceutical use and some of their excipients. Key words: nanoparticles – polymeric liposomes – dendrimers – polymeric micelles – drug targeting.

Úvod V posledních pfiibliÏnû padesáti letech je moÏné pozorovat ve farmaceutické technologii pfiechod od jednotkov˘ch lékov˘ch forem (tablet, tobolek, injekãních roztokÛ, mastí) k v˘voji násobn˘ch forem, napfi. pelet, mikroãástic a nanoãástic, a k jejich postupnému zavádûní do terapeutické praxe. DÛvodem jsou nepochybné pfiednosti, které ãásticové lékové formy nabízejí. Z farmakoterapeutického hlediska je to pfiedev‰ím zmírnûní vedlej‰ích neÏádoucích úãinkÛ jak lokální, tak i systémové povahy, zv˘‰ení úãinnosti terapie, fiízené uvolÀování a úãinek léãiv [1, 2]. Mikroãástice a nanoãástice mohou slouÏit jako nosiãe pro transport nûkter˘ch obtíÏnû vstfiebateln˘ch léãiv (perorálnû podan˘ heparin, inzulin, hormony) do míst pro nû absorpãnû pfiijatelnûj‰ích nebo mohou léãivou látku dopravit do cíle jejího terapeutického pÛsobení.

Od nanoãásticov˘ch forem se oãekává pfiedev‰ím úãinnûj‰í a bezpeãnûj‰í farmakoterapie nádorov˘ch onemocnûní, která spoãívá v tom, Ïe se léãivo dostane do postiÏené tkánû nebo orgánu a bude tam efektivnûji pÛsobit na zhoubné buÀky, ãímÏ se v˘raznû sníÏí jeho neÏádoucí úãinky na zdravou tkáÀ. Je to právû subcelulární velikost tûchto lékov˘ch mininosiãÛ, která umoÏÀuje transport léãiv do orgánÛ, tkání, bunûk a nemocn˘ch ãástí tûla, které zÛstávají jin˘m lékov˘m formám nedostupné. Jsou urãeny pro cílené uvolÀování a pÛsobení léãiva pfii perorálním, parenterálním i lokálním podání, pro aplikaci do oka i nosu. Volbou metody pfiípravy a aktivizací povrchu ãástic je moÏné nasmûrovat je na rÛzné cíle. Oãekává se od nich vyuÏití pfii fiízeném transportu cytostatik, specifickém doruãení antibiotik a antiparazitik, v perorálních lékov˘ch transportních systémech pro inzulin, proteiny, geny, pro vakcíny i pfii topické aplikaci.

Definice nanoãástic, vysvûtlení pojmÛ Definice nanoãástic není jednotná a pojem zahrnuje nûkolik strukturou rozdíln˘ch typÛ ãástic. Zdá se, Ïe nanoãástice nejlépe vystihuje rozmezí definované metrick˘m systémem, tj. jsou to v‰echny ãástice vût‰í neÏ 1 nm a men‰í neÏ 1000 nm (1 µm); mikroãástice se nacházejí pak v rozmezí 1–1000 µm (tab. 1). Velikost ãástic se vztahuje k prÛmûru kulat˘ch ãástic nebo k pfiibliÏnému prÛmûru nepravideln˘ch ãástic. Vzhledem k tomu, Ïe vût‰ina postupÛ vede ke vzniku ãástic v urãitém rozmezí velikostí, mûla by se velikost ãástic chápat vÏdy jako urãit˘ rozsah velikosti ãástic [3]. Kromû velikosti se ãástice li‰í také svou strukturou a morfologií (obr. 1). Vût‰ina nano- a mikroãástic je zaloÏena na organick˘ch polymerech nebo fosfolipidech, popsány jsou v‰ak také prázdné buÀky, vût‰inou erytrocyty získané dial˘zou [4].

Nanočástice pro lékové formy

495

17 • 5 • 2007

Lékové formy

Klasické nanoãástice a jejich polymery Podle stavby se nanoãástice dûlí na nanosféry a nanotobolky. Nanotobolky se vyznaãují zfietelnû oddûlen˘m jádrem a stûnou, zatímco nanosféry mají spí‰e matricovou strukturu s léãivem v ní dispergovan˘m nebo naadsorbovan˘m na povrch ãástice [1]. Pro pfiípravu nanoãástic se pouÏívají rÛzné postupy, které je moÏné dûlit z nûkolika hledisek, napfi. podle v˘sledného produktu, tj. zda vzniknou nanosféry nebo nanotobolky. Vût‰ina nanosfér (a také mikrosfér) vzniká polymerizací a polykondenzací, vût‰ina nanotobolek (a mikrotobolek) fyzikálnû-chemick˘mi procesy z pfiedem pfiipraven˘ch polymerÛ. Vzniklé ãástice mívají omezenou stabilitu a musí se zesíÈovat nebo jinak upravit pro dal‰í zacházení. V˘bûr metody pfiípravy závisí na aplikaci a na vlastnostech léãiva, které má b˘t do nanoãástic zpracováno. Rozhodujícími kritérii pfii v˘bûru metody pfiípravy a vhodn˘ch pomocn˘ch látek jsou biokompatibilita, rozkladné produkty, profil poÏadovaného uvolÀování léãiva a cesta podání léku. Formulace nanoãástic tedy vyÏaduje poãáteãní a velmi pfiesnou definici potfieby a úãelu, jimÏ má slouÏit. Historicky první metody pouÏité k pfiípravû nanoãástic vynalezli odborníci z oblasti chemie polymerÛ, konkrétnû technologie pro vyvíjení latexÛ. Metody byly zaloÏeny na polymerizaci monomerÛ in situ

v rÛzn˘ch médiích. PrÛkopníky v této oblasti byli Birrenbach a Speiser, ktefií vytvofiili na poãátku 70. let první polymerizované nanoãástice pro farmaceutické pouÏití. Pro nûkteré nev˘hody a omezení tûchto postupÛ byly navrÏeny alternativní metody zaloÏené na dobfie popsan˘ch izolovan˘ch nebo pfiírodních makromolekulách, ãímÏ se roz‰ífiily moÏnosti formování nanoãástic. NejdÛleÏitûj‰í údaje z historického v˘voje nanoãásticov˘ch systémÛ jsou shrnuty v tab. 2 [5]. Pro pfiípravu nanoãástic se pouÏívá fiada pomocn˘ch látek, jejichÏ poãet díky rychlému v˘voji v této oblasti stále stoupá. Vzhledem k tomu, Ïe se pouÏívají vût‰inou k parenterální aplikaci, aÈ uÏ se jedná o implantáty aplikované subkutánnû nebo o ãástice urãené pro podání intramuskulární a intravenózní, popfi. do oka, nosu, nesmí to b˘t látky toxické a musí b˘t biodegradovatelné. Rozklad v organismu probíhá nûkolika cestami, mezi nûÏ lze zahrnout hydrol˘zu nebo enzymatick˘ rozklad. K základním a nejãastûji pouÏívan˘m materiálÛm patfií alifatické polyestery (kyselina polymléãná – polylaktid, polyglykolová – polyglykolid, jejich kopolymery, poly-ε-kaprolakton), polyalkylkyanoakryláty, polyhydroxyalkanoáty, Ïelatina a polysacharidy [18]. Alifatické polyestery jsou syntetické, netoxické, biodegradovatelné polymery. Ve vodném prostfiedí podléhají hydrol˘ze, esterové vazby se ‰tûpí a uvolÀuje se neto-

Tab. 1 ROZSAH VELIKOSTI NANOâÁSTIC A MIKROâÁSTIC A METODY JEJICH P¤ÍPRAVY dendrimery (chemická syntéza) 1,5–10 nm micely (emulzní polymerizace, micelární polymerizace) 10–30 nm makromolekulární micely a útvary 10–100 nm lipozomy (fosfolipidové vezikuly, rÛzné metody) 20–300 nm koloidní polymerové ãástice (emulzní polymerizace) 50–500 nm koloidní polymerové ãástice (disperzní polymerizace) 300 nm–10 µm organické polykondenzáty nano- a mikroãástice z pfiírodních a syntetick˘ch polymerÛ 20 nm–1000 µm iontomûniãe (suspenzní polymerizace) 20 µm–1000 µm podle [3] – Arshady, 2006

1 pórovité nano- a mikroãástice (5 nm–1000 µm)

3 nano- a mikroãástice s rozli‰iteln˘m jádrem a stûnou (5 nm–1000 µm)

5 klasické micely (5–10 nm)

2 kompaktní (bez pórÛ) nano- a mikroãástice (5 nm–1000 µm)

4 matricové nano- a mikroãástice (50 nm–1000 µm)

6 polymerové micely nebo supramolekulární útvary (10–100 nm)

7 lipozomy (obvykle 20–100 nm)

8 multilamelární vezikuly (obvykle 100–300 nm)

Obr. 1 Schematické znázornění morfologie různých typů nano- a mikročástic bez léčiva a s léčivou látkou; volně podle [3] – Arshady, 2006.

Částice 1 a 2 reprezentují pórovité nebo kompaktní (bez pórů) nano- a mikročástice (5 nm–1000 µm). Jsou to jediné dva typy částic, jejichž funkce se neodvozuje od jejich vnitřní chemické nebo strukturní stavby nebo funkčních zbytků, které mohou být kovalentně navázané k povrchu částice. Částice 3 s rozlišitelným jádrem a stěnou – nanotobolky a mikrotobolky, velikost 5 nm–1000 µm, 4 matricové nano- a mikročástice, velikost 50 nm–1000 µm, 5 klasické micely (5–10 nm), 6 polymerové micely nebo supramolekulární útvary (10–100 nm), 7 lipozomy (obvykle 20–100 nm) a 8 multilamelární vezikuly (obvykle 100–300 nm) reprezentují nano- a mikročástice, které nesou léčivou látku nejčastěji připoutanou fyzikálními vazbami.

496

Nanočástice pro lékové formy

17 • 5 • 2007

„Chytré“ nanoãástice a jejich potenciální pouÏití Pod pojmem „chytré“ nebo „inteligentní“ nanoãástice [3] se oznaãují ãástice schopné odpovídat na specifické prostfiedí nebo stimul. Tyto tzv. spou‰tûcí mechanismy mohou mít rÛznou povahu, napfi. fyzikální (teplota, tlak, svûtlo atd.),

fyzikálnû-chemickou (bobtnání/smr‰Èování, solvatace/desolvatace), iontovou (elektrolyty, pH, chelatace), molekulovou (receptorovou), enzymatickou (hydrol˘za) nebo kombinovanou. Citlivost ãástic na uvedené podnûty je dána vlastní strukturou nebo sloÏením ãástic, pfiípadnû pfiipojením funkãních skupin k vlastní ãástici. Pfiipojené skupiny pfiedávají ãástici svoje vlastnosti (napfi. senzitivitu azoskupin na svûtlo). Odpovûì na stimul mÛÏe ale také pfiijít od enkapsulovaného materiálu nebo ji vyvolá samotn˘ proces, kter˘ ãástice zprostfiedkují [4]. Pfiíkladem „chytr˘ch“ ãástic vyuÏiteln˘ch ve funkci lékov˘ch mininosiãÛ jsou polymerové lipozomy. Lipozomy pfiedstavil Bangham a kol. v 60. letech minulého století a od té doby na‰ly uplatnûní ve farmacii a medicínû, v biologii, v kosmetickém a potravináfiském prÛmyslu [20]. Lipozomy v‰ak nabízejí pfiedev‰ím v˘hodu nosiãÛ léãiv. Mohou nést hydrofilní léãiva ve svém vnitfiním hydrofilním jádfie nebo hydrofobní látky ve své lipofilní membránû [2]. Pfiipravují se z pfiírodních lipidÛ, jsou tedy biodegradovatelné a biokompatibilní. Jejich fyzikálnû-chemické vlastnosti je moÏné mûnit sloÏkami pouÏit˘mi v jejich formulaci a jejich velikost lze fiídit mezi 25–1000 nm v˘bûrem vhodné metody pfiípravy. Udûlení poÏadované vlastnosti lipo-

zomÛm mohou zprostfiedkovat pfiírodní i syntetické polymery, které je moÏné pfiipojit jak k vnûj‰ímu, tak i k vnitfinímu povrchu lipozomové membrány. Odtud pochází i oznaãení polymerové lipozomy. Prvními polymery pfiipojen˘mi k povrchu lipozomÛ byly pravdûpodobnû makrogoly (polyethylenglykoly – PEG). Povrchová modifikace lipozomÛ makrogoly zv˘‰ila dobu jejich cirkulace v krvi díky v˘razné hydrofilitû a vysoké flexibilitû makrogolov˘ch fietûzcÛ a umoÏnila jejich vyuÏití jako nosiãÛ léãiv pro parenterální aplikaci [19, 21]. Polymery je moÏné pfiipojit k povrchu lipozomÛ dvûma zpÛsoby: buì hlavní ãástí polymeru nebo koncem postranních fietûzcÛ (obr. 2). Velmi zajímavé jsou lipozomy citlivé na slabû kyselé pH, pfii kterém se mohou rozpadat a uvolÀovat obsaÏené léãivo. Takové lipozomy jsou potenciálnû vyuÏitelné ve farmakoterapii rakoviny, protoÏe intersticiální tekutina nûkter˘ch nádorÛ u ãlovûka má pH znatelnû niωí, neÏ je pH normální tkánû [22]. Nûkteré lipozomy podléhají fúzi, dostávají se pfies membránu dovnitfi buÀky a uvolÀují svÛj obsah jako odpovûì na slabû kyselé pH endozomu. Mohou b˘t tedy uÏiteãné jako transportní systémy pro molekuly, které membránou neprostupují, a zafiídit jejich doruãení do cytoplazmy (obr. 3). Tuto vlastnost mohou lipozomÛm

Lékové formy

xická hydroxykarboxylová kyselina. Metabolizují se pfiípadnû aÏ na oxid uhliãit˘ a vodu cestou cyklu kyseliny citronové. Rychlost biodegradace a uvolÀování léãiva z tûchto systémÛ lze dále ovlivnit zmûnami fyzikálnû-chemick˘ch vlastností polymerÛ, napfi. krystalinitou, hydrofobními vlastnostmi, stereochemií monomeru, mírou kopolymerizace nebo molekulovou hmotností. Jsou to látky biokompatibilní, vhodné pro parenterální podávání léãiv. V humánní i veterinární praxi jsou nosiãi systémÛ pro implantaci. Poly-ε-kaprolakton [18] je biodegradovateln˘ polymer s velmi pomalou degradací, která je v˘hodná pro lékové systémy s fiízen˘m uvolÀováním léãiva. PouÏití polyalkylkyanoakrylátÛ v nanoãásticov˘ch lékov˘ch formách navrhli v 80. letech minulého století Couvreur a kol. DÛvodem byla polymerizace proveditelná ve vodném prostfiedí, jejich biodegradovatelnost nezbytná pro intravaskulární podání a osvûdãené pouÏívání jako chirurgick˘ ‰icí materiál v humánní medicínû, které bylo zárukou jejich nízké toxicity. Byly pfiipraveny polyalkylkyanoakrylátové nanoãástice s cytostatiky, antibiotiky, léãivy povahy peptidÛ a proteinÛ. Nejv˘znamnûj‰í v˘hodou tûchto nanoãástic je moÏnost endocytózy a transportu léãivé látky dovnitfi buÀky [19]. Ze skupiny polyhydroxyalkanoátÛ je polyhydroxybutyrát nejprostudovanûj‰ím polymerem, pfiipravuje se biosyntézou a degraduje se prostfiednictvím mikroorganismÛ v rÛzn˘ch prostfiedích. Îelatina je roz‰ífienou farmaceutickou pomocnou látkou: pouÏívá se pro v˘robu Ïelatinov˘ch tobolek, jako plnivo a pojivo v tabletách. Pro úãely mikroenkapsulace byla vyvinuta upravená arylsulfonylovaná Ïelatina. Upravené pfiírodní polysacharidy se bûÏnû pouÏívají v biomedicínsk˘ch, farmaceutick˘ch, zemûdûlsk˘ch a potravináfisk˘ch produktech. Îivé organismy mohou polysacharidy nejen syntetizovat, ale také degradovat vût‰inou enzymatickou cestou. Nejvût‰í pozornost je vûnována alginátÛm, které se vyuÏívají k opouzdfiení Ïiv˘ch bunûk, vãetnû bakterií, kvasinek, plísní, rostlinn˘ch a zvífiecích bunûk. ProtoÏe je pfiíprava alginátov˘ch ãástic snadná a probíhá za velmi mírn˘ch podmínek bez pouÏití ‰kodliv˘ch chemick˘ch látek, pfieÏívá vût‰ina bunûk [18].

Tab. 2 HISTORICK¯ V¯VOJ P¤ÍPRAVY NANOâÁSTIC rok

druh nanoãástic a postup pfiípravy

autofii

nanočástice připravené polymerizací 1976

polyakrylamidové nanosféry

Birrenbach, Speiser [6]

1976

polymethylmetakrylátové nanosféry

Kreuter, Speiser [7]

1979

polyalkylkyanoakrylátové nanosféry

Couvreur, Roland, Speiser [8]

1986

polyalkylkyanoakrylátové nanotobolky

Al Khouri Fallouh, Roblot-Treupel, et al. [9]

nanočástice připravené z předem vytvořených polymerů 1972

albuminové nanosféry pfiipravené tepelnou denaturací

Scheffel, Rhodes, Natarajan, et al. [10]

1978

Ïelatinové nanosféry pfiipravené procesem desolvatace

Marty, Oppenheim, Speiser [11]

1979

albuminové nanosféry pfiipravené zesíÈováním

Widder, Flouret, Senyei [12]

1981

nanosféry pfiipravené z polymléãné kyseliny metodou emulgace s odpafiováním rozpou‰tûdla

Gurny, Peppas, Harrington, et al. [13]

1986

nanosféry z polymléãné kyseliny vytvofiené pfiímou precipitací

Fessi, Devissauget, Puisieux, et al. [14]

1987

nanotobolky z polymléãné kyseliny pfiipravené depozicí na mezifázi

Fessi, Puisieux, Devissaguet, et al. [15]

1988

nanosféry z polymléãné kyseliny vytvofiené procesem vysolování

Bindschaedler, Gurny, Doelker [16]

1995

nanosféry z polymléãné kyseliny pfiipravené emulgací a difuzí

Leroux, Allémann, Doelker [17]

Nanočástice pro lékové formy

497

17 • 5 • 2007

b) pfiipojení koncem postranního fietûzce

Lékové formy

a) pfiipojení hlavním fietûzcem polymeru

Obr. 2 Schéma připojení polymerů k lipozomům; volně podle [29, 30] – Takei, 1994; Yakushiji, et al., 1998.

udílet polykarboxylové kyseliny [24], poly-N-izopropylakrylamidy [25, 26], sukcinylované polyglycidoly [27, 28]. Lipozomy citlivé na zmûnu teploty se mohou pfiipravit pfiipojením termosenzitivních polymerÛ, tj. takov˘ch polymerÛ, které podléhají konformaãní zmûnû v závislosti na teplotû. Termosenzitivní polymery navázané na povrch lipozomÛ udílejí lipozomÛm citlivost na teplotní zmûny. Polymery navázané na povrch lipozomÛ konci boãních fietûzcÛ (obr. 2b) jsou vhodnûj‰í, protoÏe takto navázané polymery mají vût‰í konformaãní svobodu, zmûna konfor-

mace je v˘raznûj‰í a uvolnûní obsahu lipozomÛ je rychlej‰í [29, 30]. Na stimul reagující nano- a mikrosféry jsou zajímav˘mi materiály, jejichÏ fyzikálnû-chemické a koloidní vlastnosti se mûní pfii reakci na teplotu, pH, svûtlo, iontovou sílu, elektromagnetické nebo magnetické pole [31]. Citlivost polymerov˘ch ãástic na teplotu vychází z reverzibilní hydratace a dehydratace jejich nosn˘ch polymerÛ, tj. v˘razn˘ch zmûn v bobtnavosti polymeru pfii urãité teplotû. Polymery mají plnû hydratované fietûzce pfii teplotách niωích, neÏ je dolní kritická rozpou‰tûcí teplota, ale pfii

endozom

kyselé pH

fúze, uvolnûní léãiva do cytoplazmy

Obr. 3 Transport látky do cytoplazmy prostřednictvím polymerového lipozomu; volně podle [23] – Borden, et al.,1988.

498

Nanočástice pro lékové formy

teplotách vy‰‰ích, neÏ je tato hranice, se fietûzce svinují, interagují mezi sebou navzájem, a vytváfiejí tak gel nebo sraÏeninu. U nano- a mikrotobolek závisí bobtnavost na tlou‰Èce stûny a hustotû zesíÈování. První ãástice zaloÏené na poly(N-izopropylakrylamidu) byly pfiipraveny jiÏ v roce 1986 [32]. Nejãastûji uÏívan˘mi monomery pro pfiípravu ãástic citliv˘ch na pH jsou kyseliny akrylová a methakrylová. Chování ãástic závisí na vnitfiních elektrostatick˘ch odpudiv˘ch silách. Bobtnání ãástic je obvykle spojeno s urãit˘m rozpûtím hodnot pH. Kationtové ãástice, napfi. poly(styren-2-vinylpyridinové), bobtnají pfii kyselém pH díky protonaci pyridinov˘ch skupin, zatímco deprotonace vede k jejich smr‰Èování pfii zásaditém pH [33]. U amfoterních ãástic obsahujících jak karboxylové skupiny, tak aminoskupiny je reakce na pH sloÏitûj‰í [34]. Byly pfiipraveny tobolky s reverzibilním zavíráním a otevíráním stûny (nepropustné vs. propustné) pfii rÛzn˘ch fyzikálnû-chemick˘ch podmínkách, napfi. pH [35], ionty [36], iontová síla [37]. Pfii otevfiení pórÛ je moÏná v˘mûna molekul (napfi. léãiv˘ch látek) mezi ãásticí a okolním prostfiedím. V˘jimkou mezi ostatními nanoãásticemi jsou dendritové polymery (dendrimery). Mají dobfie definovanou trojrozmûrnou strukturu s patrn˘m jádrem a stûnou, jsou vysoce funkãní a je moÏné je formovat chemickou syntézou po stupních [38]. Na rozdíl od zesíÈovan˘ch aglomerátÛ a dal‰ích asociátÛ mají dendrimery jednotnou molekulovou strukturu, kterou lze pfiesnû fiídit v rozmezí 5–20 nm. Je moÏné do nich uzavfiít molekuly aktivních látek, které se k nim poutají nekovalentními vazbami (iontov˘mi, vodíkov˘mi, hydrofobními), a mohou tak tvofiit vhodn˘ meziãlánek ke kovalentním polymerním konjugátÛm s léãivy na jedné stranû [1] a k fyzikálnû uzavfien˘m léãivÛm v ãásticích na stranû druhé [39]. Dal‰í v˘hodou, která dûlá z dendrimeru velmi flexibilní nosiãe, je moÏnost speciální úpravy dendrimerové molekuly na míru molekuly navázané látky. Experimentálnû se pfiipravily dendrimery citlivé na pH (s polypropyleniminy), na svûtlo (zaloÏené na o-nitrobenzyletherové skupinû, azobenzenu a dal‰ích fotosenzitivních skupinách), na teplo, ale také na chemické nebo enzymatické zmûny. Schematické znázornûní dendrimeru s navázanou látkou ukazuje obr. 4. Velk˘m pokrokem pfii syntéze dendrimerÛ bylo pouÏití bohatû vûtven˘ch polymerÛ a charakterizování vlastností jejich koncov˘ch ãástí. Po inkorporaci léãiva do dendrimeru se stûna uzavfie a otevírá se pfii reakci na urãit˘ podnût, napfi. zmûnu pH [41]. Fotosenzitivita dendrimeru je pravdûpodobnû zaloÏena na zmûnû struktury s dvojn˘mi vazbami vykazující cis-trans izo-

17 • 5 • 2007

selektivní enkapsulace

fiízené uvolÀování na podnût

Lékové formy

merii. Tyto dendrimery mohou reagovat na svûtlo rozkladem (roz‰tûpením fotolabilních vazeb), fotoizomerizací s konformaãními zmûnami nebo polymerizací za vzniku komplexních dendritov˘ch struktur. Dendrimery reagující na svûtlo konformaãními zmûnami mají jako jediné v˘hodu vratné pfiemûny, tj. moÏnosti „pfiepínání” dendrimeru z jedné formy do druhé. Vhodnou skupinou pro tento úãel je azobenzen, kter˘ lze umístit do okrajové ãásti dendrimeru, do jeho jádra nebo do celé struktury. Dendrimery tak mohou reagovat rÛzn˘mi zmûnami struktury a vytváfiet potenciál pro rÛzné aplikace vyuÏitelné napfi. ve fotodynamické terapii. Po selektivním doruãení fotosenzitivního léãiva a jeho nosiãe do nádorové tkánû následuje ozáfiení, které má za následek vznik reaktivního kyslíku oxidujícího nitrobunûãné organely a smrt buÀky. Dendrimery navíc samovolnû formují micely o velikosti 50–55 nm, stabilní pfii fyziologick˘ch podmínkách, které disociují pfii pH ~ 5, tedy pfii podmínkách nacházejících se ãasto v pevn˘ch nádorech (tumorech). Zhang a kol. [42] dosáhli dobr˘ch v˘sledkÛ s tûmito dendrimery u bunûk karcinomu plic. Kromû pH a fotosenzitivních dendrimerÛ byly pfiipraveny také dendrimery reagující na chemickou reakci: na redukci nitroskupi-

5–20 nm

Obr. 4 Schematické znázornění dendritového nanonosiče s enkapsulovanou látkou a její uvolnění vyvolané specifickým podnětem; volně podle [39, 40] – Stiriba, et al., 2002; Baars, et al., 2000.

ny a její pfiemûnu na aminoskupinu vedoucí ke spontánní samodestrukci dendrimeru a k uvolnûní navázaného paklitaxelu [43, 44]. Také polyiontové komplexní micely formované z nûkter˘ch polyelektrolytÛ a opaãnû nabit˘ch biologicky aktivních molekul, napfi. enzymÛ a oligonukleotidÛ, mají ve své struktufie rozli‰itelné jádro a stûnu. Jejich velikost se pohybuje v rozmezí 20–50 nm, mÛÏe b˘t i vût‰í. Tyto mice-

ly vznikají iontovou asociací, tj. elektrostatickou interakcí mezi dvûma opaãnû nabit˘mi polyelektrolytov˘mi kopolymery s makrogolovou ãástí (obr. 5). Stûna tvofiená PEG je hydrofilní, jádro je polyiontové a je vhodn˘m rezervoárem pro umístûní rÛzn˘ch látek, napfi. léãiv. Micely lze tvofiit smícháním roztokÛ tûchto polymerÛ, napfi. PEG-poly-L-lysinu a PEG-polyasparagové kyseliny, v pufru pfii termodynamicky stál˘ch podmínkách [45]. Nespornou v˘ho-

Nanočástice pro lékové formy

499

17 • 5 • 2007

Lékové formy

PEG-polyasparagová kyselina

jádro: polyiontov˘ komplex

PEG-poly-L-lysin stûna: PEG Obr. 5 Formování polyiontových komplexních micel; volně podle [41] – Haag, 2004.

dou je konstantní velikost a úzk˘ velikostní rozsah micel srovnateln˘ s pfiírodními viry [46]. Vzhledem k tomu, Ïe se micely formují nekovalentními vazbami (mezimolekulov˘mi elektrostatick˘mi interakcemi), jsou citlivé na zmûnu podmínek, tj. mohou odpovídat na rÛzné podnûty, a stávají se tak zajímav˘mi biomateriály. Z terapeutického hlediska jsou zajímavé micely nesoucí oligonukleotidy, které reagují na zmûnu koncentrace glutathionu. Pro zaji‰tûní lep‰í stability jsou micely vratnû zesíÈované disulfidov˘mi vazbami. Jejich funkce je zaloÏena na skuteãnosti, Ïe koncentrace

glutathionu je vy‰‰í v buÀce neÏ v krvi, a na poznatku, Ïe disulfidové vazby jsou stabilnûj‰í v krvi a labilní v intracelulárním prostfiedí. Micely s inkorporovan˘mi enzymy odpovídající na zmûnu koncentrace soli mûní stabilitu a funkãnost enzymÛ a jsou vyuÏitelné pro biotechnologické a medicínské úãely [47].

Závûr Nûkteré nanoãástice, napfi. lipozomy, se jiÏ pouÏívají v klinické praxi, mnohé v‰ak je‰tû na své praktické vyuÏití ãekají; jejich funkce je ovûfiena pouze v podmínkách in

vitro, otázkou zÛstává jejich chování in vivo stejnû jako jejich toxicita pro Ïiv˘ organismus. „Chytré“ nanoãástice jsou novou zajímavou oblastí s mnoha potenciálními aplikacemi v chemii, farmacii a medicínû, vãetnû fiízeného transportu léãiv. Napfiíklad pH senzitivní dendrimery schopné uvolnit pfiipoutanou látku ve vodném prostfiedí pfii zmûnû pH mohou b˘t uÏiteãné pfii transportu nukleotidÛ a cytostatik; fotosenzitivní dendrimery zase pro své vyuÏití ve fotodynamické terapii. Ostatní uvedené dendrimery jsou pfieváÏnû ve stadiu raného v˘zkumu, nabídnou v‰ak nepochybnû v budoucnu mnoho dal‰ích aplikací. Snadná pfiíprava je nespornou v˘hodou polyiontov˘ch komplexních micel, které pfiedstavují velmi rÛznorodou a flexibilní skupinu „chytr˘ch“ nanoãástic ve smyslu moÏnosti úpravy sloÏení, velikosti ãástic, vratnosti procesu tvorby micel a fiízeného uvolÀování vãlenûné látky jako reakce na zmûnu podmínek. Pfiedstavují potenciál jak pro diagnostické, tak pro terapeutické aplikace genÛ a léãiv. Lze oãekávat, Ïe nanoãástice najdou v terapii chorob své nezastupitelné postavení a ãásteãnû vytûsní dosud pouÏívané konvenãní lékové formy, které s nimi nejsou srovnatelné jak z hlediska farmakokinetiky, tak i z hlediska farmakodynamiky.

Literatura [1] Rabi‰ková M. Od Galéna k lékov˘m systémÛm. Remedia 2006; 16: 427–431. [2] Rabi‰ková M. Pelety – moderní léková forma. Remedia 2006; 16: 605–608. [3] Arshady R. Smart nano- and microparticles. London, Kentus Books 2006; 417. [4] Manchester M. Virus-based nanoparticles: Novel biomolecular senzore for targeting cancer. 6th Annual Cambridge Healthtech, USA Washington D.C., 2005. [5] Mathiowitz E. Encyclopedia of controlled drug delivery. New York, Interscience Publication John Willey & Sons, Inc 2003; 2: 641–662. [6] Birrenbach G, Speiser PP. Micelles and their use as adjuvants in immunology. J Pharm Sci 1976; 65: 1763–1766. [7] Kreuter J, Speiser PP. New adjuvants on a polymethylmethacrylate base. Infect Immun 1976; 13: 204–210.

500

[13] Gurny R, Peppas NA, Harrington DD, et al. Development of biodegradable and injectable latices for controlled release of potent drugs. Drug Dev Ind Pharm 1981; 7: 1–25. [14] Fessi H, Devissaguet JP, Puisieux F, et al. Fr. Patent 1986, 2 608 988. [15] Fessi H, Puisieux F, Devissaguet JP, et al. Nanocapsule formation by interfacial polymer deposition following solvent displacement. Int J Pharm 1989; 55: R1–R4.

[24] Thomas JL, Devlin BP, Tirrell, DA. Kinetics of membrane micellization by the hydrophobic polyelectrolyte poly(2-ethylacrylic acid). Biochim Biophys Acta 1996; 1278: 73–78. [25] Heskins M, Guillet JE. Solution of properties of poly(N-isopropylacrylamide). J Macromol Sci Chem 1968; A2: 1441–1455.

[16] Bindschaedler C, Gurny R, Doelker E. US Patent 1990, 350 968.

[26] Schild HG. Poly(N-isopropylacrylamide): experiment, theory and application. Prog Polym Sci 1992; 17: 163–179.

[17] Leroux JC, Allémann E, Doelker E. New approach for the preparation of nanoparticles by an emulsification-diffusion method. Eur J Pharm Biopharm 1995; 41: 14–18.

[27] Kono K, Takagishi T. Fusogenic polymer-modified liposomes for the delivery of genes and charged fluorophores. Methods in Enzymology 2003; 373: 422–432.

[18] Domb AJD, Kost J, Wiseman DM. Handbook of biodegradable polymers. Harwood Academic Publishers, Amsterdam 1997; 3–317.

[28] Ahkong QF, Fischer D, Tampion W. et al. Mechanism of cell fusion. Nature 1975; 253: 194–195.

[8] Couvreur P, Roland M, Speiser PP. US Patent, 1982, 4 329 332.

[19] Woodle MC, Lasic DD. Sterically stabilized liposomes. Biochim Biophys Acta 1992; 1113: 171–179.

[9] Al Khouri Fallouh N, Roblot-Treupel L, Fessi H, et al. Development of a new process for the manufacture of polyisobutylcyanoacrylate nanocapsules. Int J Pharm 1986; 28: 125–132.

[20] Bangham AD, Horne RW. Negative staining of phospholipids and their structural modification by surface-active agents as observed in the electron microscope. J Mol Biol 1964; 8: 660–668.

[10] Scheffel U, Rhodes BA, Natarajan TK, et al. Albumin microspheres for studies of reticuloendothelial system. J Nucl Med 1972; 13: 498–503.

[21] Lasic DD, Needham D. The „Stealth“ liposome: a prototypical biomaterial. Chem Rev 1995; 95: 2601–2628.

[11] Marty JJ, Oppenheim RC, Speiser PP. Nanoparticles – a new colloidal drug delivery system. Pharm Acta Helv 1978; 53: 17–23.

[22] Yatvin MB, Kreutz W, Horwitz BA, Shinitzky, M. pH-Sensitive liposomes: possible clinical implications. Science 1980; 210: 1253–1255.

[12] Widder K, Flouret G, Senyei AE. Magnetic Microspheres: Synthesis of novel parental drug carrier. J Pharm Sci 1979; 68: 79–82.

[23] Borden K, Eum K, Langley K, et al. pH-Dependent vesicle-to-micelle transition in an aqueous mixture of dipalmitoylphosphatidylcholine and

Nanočástice pro lékové formy

a hydrophobic polyelectrolyte. Macromolecules 1988; 21: 2649–2651.

[29] Takei YG, Aoki T, Sanui K, et al. Dynamic contact angle measurement of temperature-responsive surface properties for poly(N-isopropylacryl-amide) grafted surfaces. Macromolecules 1994; 27: 6163–6166. [30] Yakushiji T, Sakai K, Kikuchi A, et al. Graft architectural effects on thermoresponsive wettability changes of poly(N-isopropylacrylamide)-modified surfaces. Langmuir 1998; 14: 4657–4662. [31] Ibarz G, Dahne L, Donath E, et al. Smart microand nanocontainers for storage, transport and release. Adv Mater 2001; 13: 1324–1327. [32] Pelton RH, Chibante P. Preparation of aqueous lattices with N-isopropylacrylamide. Colloids Surfaces 1986; 20: 247–256. [33] Loxley A, Vincent B. Equilibrium and kinetic aspects of the pH dependent swelling of poly(2-

17 • 5 • 2007 -vinylpyridine-co-styrene) microgels. Colloid Polym Sci 1997; 275: 1108–1114. [34] Kashiwabara M, Fujimoto K, Kawaguchi H. Preparation of monodisperse, reactive hydrogel microspheres and their amphoterization. Colloid Polym Sci 1995; 273: 339–345. [35] Sauer M, Streich D, Meier W. pH sensitive nanocontainers. Adv Mater 2001; 13: 1649–1651.

[37] Deng YH, Yang WL, Wang CC, et al. A novel approach for preparation of thermo-responsive polymer magnetic microspheres with core-shell structure. Adv Mater 2003; 15: 1729–1732. [38] Stiriba SE, Frey H, Haag R. Dendritic polymers in biomedical applications from promise to clinical use in diagnostics and therapy. Angew Chem Int Ed 2002; 41: 1329–1334.

[40] Baars MWPL, Meijer EW. Host-guest chemistry of dendritic molecules. Top Curr Chem 2000; 210: 131–138. [41] Haag R. Supramolecular drug-delivery systems based on polymeric core-shell architectures. Angew Chem Int Ed 2004; 43: 278–282. [42] Zhang GD, Harada A, Nishiyama N, et al. Polyion complex micelles entrapping cationic dendrimer porphyrin: Effective photosensitizer for photodynamic therapy of cancer. J Control Release 2003; 93: 141–150. [43] Amir RJ, Pessah N, Shamis M, et al. Self-immolative dendrimers. Angew Chem Int Ed Engl 2003; 42: 4494–4499. [44] de Groot FMH, Albrecht C, Koekkoek R, et al. Cascade-release dendrimers liberate all end

groups upon a single triggering event in the dendritic core. Angew Chem Internat Edn 2003; 42: 4490–4494. [45] Harada A, Kataoka K. Formation of polyion complex micelles in an aqueous milieu from a pair of oppositely charged block copolymers with poly(ethylene glycol) segments. Macromolecules 1995; 28: 5294–5299. [46] Harada A, Kataoka K. Polyion complex micelles with core-shell structure: Their physicochemical properties and utilities as functionality materials. Macromolecular Symposia Polymers in Medicine 2001; 172: 1–9. [47] Kakizawa Y, Harada A, Kataoka K. Glutathionesensitive stabilization of block copolymer micelles composed of antisense DNA and thiolated poly(ethylene glycol)-block-poly(L-lysine): A potential carrier for systemic delivery of antisense DNA. Biomacromolecules 2001; 2: 491–497.

Nanočástice pro lékové formy

Lékové formy

[36] Chu LY, Yamaguchi T, Nakao S. A molecular recognition microcapsule for environmental stimuli responsive controlled release. Adv Mater 2002; 14: 386–389.

[39] Stiriba SE, Frey H, Haag R. Dendritische polymere für medizinische Anwendungen: Auf dem Weg zum Einsatz in Diagnostik und Terapie. Angew Chem 2002; 114: 1385–1390.

501