Θερμοευαίσθητα λιποσώματα: σχεδιασμός, ανάπτυξη και φυσικοχημικός χαρακτηρισμός

Abstract

In the present study, the effect of the incorporation at 5 and 10 mol% of monoalkyl lipids belonging to the platelet activating factor (PAF) family in the bilayer of DPPC:DSPE-PEG liposomes, in the rate and degree of release of encapsulated water-soluble substances (carboxyfluorescein, 6-CF, and doxorubicin, DOX) was investigated. The monoalkyl lipids used in this study have an ether bond at the sn-2 position of the glycerol group, as opposed to the widely used monoalkyl lipids having an ester bond at this position. All the monoalkyl lipids studied gave thermosensitive properties to the liposomal carriers, releasing the encapsulated substance rapidly and at a high percentage when the temperature approaches the main lipid transition of the bilayers. On the other hand, they remained stable at 37 °C for at least 30 min, and at room temperature for at least 24 hours. For the physicochemical characterization the mean hydrodynamic radius, the polydispersity, and the ζ-potential of all liposomal formulations was surveyed. The main transition temperature (Tm) of the liposomes as well as the temperature width at half-maximum of the main peak (ΔT½), were determined using DSC (Differential Scanning Calorimetry). In order to evaluate the release of encapsulated substances, fluorescence spectroscopy was performed in the temperature range of 37-43 °C for a period of 30 min. All liposomal formulations exhibited rapid release of the encapsulated substance at temperatures close to the main lipid transition, while release remained low at 37 °C. Thus, the incorporation of bioactive monoalkyl lipids of the PAF family imparted thermosensitive properties to the liposomal DPPC: DSPE-PEG formulations.Of all liposomal formulations studied, the liposomal carrier having the monoalkyl lipid methyl-PAF18 (edelfosine) incorporated at 5 mol% in its bilayer was selected for the in vitro cell culture experiments employing the human prostatic carcinoma cell lines DU145 and DU145. This is based on the fact that methyl-PAF18, either alone or in combination with DOX, has a well-established anticancer activity, but is use in practice is prohibited due to severe side effects. To this end, methyl-PAF18 thermosensitive loaded with DOX were prepared employing the active-loading method. The uptake of liposomal DOX into PC3 and DU145 cells incubated at 37 or 40 °C was based on its native fluorescence and was monitored using epifluorescence microscopy, confocal laser scanning microscopy, as well as flow cytometry which also allowed its quantification. Finally, dose-dependent studies of the cytotoxicity of the free drugs (DOX and methyl-PAF), as well as of their liposomal compositions were performed on DU145 and PC3 cell lines, which are known to be doxorubicin resistant. It was shown that methyl-PAF based thermoresponsive liposomes are effectively internalized in prostate cancer cells, enhancing the therapeutic uptake and efficacy of DOX. In conclusion, this system can prove a promising anti-cancer drug delivery system when used in combination with hyperthermia.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η επίδραση της ενσωμάτωσης, σε μικρές συγκεντρώσεις (5 και 10 mol %), βιοδραστικών μονοάλκυλο λιπιδίων στη διπλοστοιβάδα λιποσωμάτων σύστασης DPPC:DSPE-PEG, ως προς τον ρυθμό και τον βαθμό απελευθέρωσης αρχικά της εγκλεισμένης υδατοδιαλυτής ουσίας, 5(6)-καρβοξυφλουορεσκεΐνης (6-CF), και ακολούθως της αντικαρκινικής ουσίας δοξορουβικίνης (DOX). Τα λιπίδια αυτά ανήκουν στην οικογένεια αναλόγων του παράγοντα ενεργοποίησης των αιμοπεταλίων (platelet activating factor, PAF). Χαρακτηριστικό των μελετηθέντων μονοάλκυλο λιπιδίων είναι ότι φέρουν αιθερικό δεσμό στη θέση sn-2 της γλυκερόλης, σε αντίθεση με τα ευρέως χρησιμοποιούμενα μονοάλκυλο λιπίδια που φέρουν εστερικό δεσμό. Όλα τα μονοάλκυλο λιπίδια που μελετήθηκαν προσέδωσαν θερμοευαίσθητες ιδιότητες στους λιποσωμιακούς φορείς, παρέμειναν δηλαδή σταθερά σε θερμοκρασία 37 οC, ενώ απελευθέρωσαν ταχύτατα και σε υψηλό ποσοστό την εκάστοτε εγκλεισμένη ουσία, όταν η θερμοκρασία πλησίασε τη θερμοκρασία κύριας μετάβασης των λιποσωμάτων (41-42 οC). Όλοι οι λιποσωμιακοί φορείς παρέμειναν σταθεροί σε θερμοκρασία περιβάλλοντος για το χρόνο που μελετήθηκαν, ο οποίος ανήλθε στις 24 h.Ο χαρακτηρισμός των λιποσωμιακών φορέων μελετήθηκε με φυσικοχημικές μεθόδους, όπως η μέση υδροδυναμική ακτίνα, η πολυδιασπορά του μεγέθους των λιποσωμιακών εναιωρημάτων με χρήση του DLS και το ζ-δυναμικό για όλα τα λιποσωμιακά εναιωρήματα. Διαπιστώθηκε ότι οι παράμετροι αυτοί δεν επηρεάζονται από την παρουσία μονοάλκυλο λιπιδίων. Η θερμοκρασία της κύριας μετάβασης των λιποσωμάτων, καθώς και το εύρος της ημίσειας κορυφής μετρήθηκαν με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης, DSC (Differential Scanning Calorimetry). H εκτίμηση της αποδέσμευσης των εγκλεισμένων ουσιών πραγματοποιήθηκε με φασματοσκοπία φθορισμού στο εύρος θερμοκρασιών μεταξύ 37 οC - 43 οC και για χρονικό διάστημα 30 min. Όλα τα λιποσωμιακά σκευάσματα εμφάνισαν ταχύτατη απελευθέρωση της εγκλεισμένης ουσίας σε θερμοκρασίες κοντά στην κύρια μετάβαση των λιπιδίων, ενώ η αποδέσμευση παρέμεινε χαμηλή στους 37 οC. Η ενσωμάτωση των βιοδραστικών μονοάλκυλο λιπιδίων, που ανήκουν στην οικογένεια αναλόγων του παράγοντα ενεργοποίησης των αιμοπεταλίων (platelet activating factor, PAF), προσέδωσε θερμοευαίσθητες ιδιότητες στα λιποσωμιακά σκευάσματα αναφοράς DPPC:DSPE-PEG.Για τα in vitro πειράματα καρκινικών σειρών, επιλέχθηκε ο λιποσωμιακός φορέας που φέρει ενσωματωμένο στη διπλοστοιβάδα του το μονοάλκυλο λιπίδιο 1-Ο-δεκοκτακυλο-2-μεθυλο-sn-γλυκερο-3-φωσφοχολίνη (methyl-PAF18, εδελφοσίνη) και έχει εγκλεισμένη στο εσωτερικό του την δοξορουβικίνη (DOX). Η επιλογή αυτή βασίστηκε στο γεγονός ότι η ένωση methyl-PAF18 εμφανίζει αντικαρκινική δράση, η οποία μελετήθηκε τόσο μόνη της όσο και σε συνδυασμό με τη δοξορουβικίνη (DOX). Η πρόσληψη της εγκλεισμένης DOX σε αυτά τα λιποσώματα από κύτταρα αδενοκαρκινώματος προστάτη PC3 και DU145 μελετήθηκε χρησιμοποιώντας μικροσκοπία επιφθορισμού σε θερμοκρασία 37 °C ή 40 °C και συνεστιακή μικροσκοπία φθορισμού. Για τον ποσοτικό προσδιορισμό της πρόσληψης κατά την επώαση των κυτταρικών σειρών πραγματοποιήθηκαν πειράματα κυτταρομετρίας ροής χρησιμοποιώντας τον εγγενή φθορισμό της DOX. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν δοσοεξαρτώμενες μελέτες κυτταροτοξικότητας των ελεύθερων φαρμάκων DOX και methyl-PAF18, καθώς και της λιποσωμιακής τους μορφής στις ίδιες κυτταρικές σειρές, επειδή είναι γνωστό ότι παρουσιάζουν ανθεκτικότητα στη δοξορουβικίνη. Από τα αποτελέσματα, φάνηκε ότι τα λιποσώματα που περιέχουν methyl-ΡΑF18 προσλαμβάνονται επιτυχώς από τις μελετηθείσες κυτταρικές σειρές καρκίνου του προστάτη, ενισχύοντας τη θεραπευτική δράση της DOX. Τα πειράματα έδειξαν ελπιδοφόρο αποτελέσματα και ότι το σύστημα αυτό μπορεί αποτελέσει φορέα αντικαρκινικών φαρμάκων σε συνδυασμό με τοπική εφαρμογή υπερθερμίας.