r 4 (255 334) KWIECIEÑ 2012 Tom LVII CZASPISM PŒWIÊCE CEMII, TECLGII i PRZETWÓRSTWU PLIMERÓW MIRS AWA EL FRAY ), JAA GAJWY Zachodiopomorski Uiwersytet Techologiczy w Szczeciie Istytut Polimerów, Zak³ad Biomateria³ów i Techologii Mikrobiologiczych ul. Pu³askiego 10, 70-322 Szczeci Polimery wykazuj¹ce samoorgaizacjê makrocz¹steczek jako systemy kotrolowaego uwaliaia leków Streszczeie Artyku³ staowi przegl¹d literaturowy dotycz¹cy polimerów wykazuj¹cych samoorgaizacjê makrocz¹steczek iteresuj¹cej grupy materia³ów o ró orodych w³aœciwoœciach i zastosowaiach, zw³aszcza medyczych wykorzystywaych jako systemy kotrolowaego uwaliaia leków. Spotaicze grupowaie siê makrocz¹steczek w roztworach prowadzi do tworzeia siê ró ych struktur, takich jak: micele, mikro/aosfery lub polimerosomy, w efekcie wystêpowaia pomiêdzy okreœloymi fragmetami makrocz¹steczek s³abych wi¹zañ i oddzia- ³ywañ, tj. wi¹zañ wodorowych oraz oddzia³ywañ va der Waalsa, elektrostatyczych lub hydrofobowych. Przedstawioo wybrae formy strukturale powstaj¹ce w wyiku samoorgaizacji makrocz¹steczek w roztworach (wodych i orgaiczych). Scharakteryzowao polimery zdole do tworzeia takich struktur, metody ich otrzymywaia oraz przyk³ady zastosowañ w medycyie w charakterze systemów kotrolowaego uwaliaia leków. S³owa kluczowe: samoorgaizacja makrocz¹steczek, polimery blokowe, micele, polimerosomy, oœiki leków. PLYMERIC SELF-ASSEMBLIES AS DRUG DELIVERY SYSTEMS Summary The paper is a literature review cocerig the polymers capable of macromolecular self-assembly a iterestig group of materials possessig diverse properties, which foud various, especially medical applicatios, as cotrolled release drug delivery systems. Spotaeous assembly of macromolecules i solutios leads to the formatio of various structural forms such as micelles, micro/aospheres or polymersomes, as a result of the presece of weak bods ad iteractios, i.e. hydroge bods as well as va der Waals, electrostatic or hydrophobic iteractios, betwee specific parts of macromolecules. Selected structural patters formed by self-assembly of macromolecules i orgaic ad aqueous solutios were preseted. The polymers capable of formig self-assembled structures, methods of their sythesis as well as the examples of medical applicatios as drug delivery systems have bee described. Keywords: macromolecular self-assembly, block polymers, micelles, polymersomes, drug delivery systems. * ) Autor do korespodecji; e-mail: mirfray@zut.edu.pl
258 PLIMERY 2012, 57,r4 WPRWADZEIE Proces samoorgaizacji (ag. self-assembly) mo a zdefiiowaæ jako spotaicze grupowaie siê makrocz¹steczek, prowadz¹ce do tworzeia siê b¹dÿ ró ych struktur morfologiczych w staie skodesowaym (stopioym, p. krystaliczych dome lub zeszkloych sfer w kopolimerach blokowych) b¹dÿ te form strukturalych w œrodowisku wodym (micele, mezoglobule, polimerosomy, tabela 1). Proces taki zachodzi dziêki wystêpowaiu miêdzy cz¹steczkami s³abych, iekowalecyjych oddzia³ywañ, tj. wi¹zañ wodorowych, oddzia³ywañ va der Waalsa, joowych lub hydrofobowych, i prowadzi do utworzeia siê stabilych struktur [7 10]. Wspomiae oddzia³ywaia pojawiaj¹ siê w kopolimerach blokowych w staie skodesowaym [10] lub w roztworach wodych i/lub mieszaiie woda/olej. W przypadku kopolimerów o w³aœciwoœciach amfifilowych uzyskuje siê wówczas struktury o okreœloym kszta³cie przestrzeym, z których formy micelare s¹ szczególie iteresuj¹ce z puktu widzeia ekapsulacji leków. W zale oœci od budowy kopolimeru, rodzaju rozpuszczalika i sposobu prowadzeia procesu, mo a wp³ywaæ a wielkoœæ tworz¹cych siê struktur, a tym samym a iloœæ leku zamykaego we wêtrzu miceli [11]. Mo liwoœæ wykorzystaia zjawiska samoorgaizacji makrocz¹steczek w procesach ekapsulacji leków dotyczy g³ówie obszarów, w których kowecjoalie dostarczae leki s¹ ma³o skutecze, ze wzglêdu a sposób, miejsce lub czêstotliwoœæ podawaia [12, 13], jak p. w lekach doustych. Mo a wówczas wykorzystaæ efekt zmiay w³aœciwoœci polimerowego oœika leku w zale oœci od ró ej wartoœci p œrodowiska [7], wp³ywaj¹c tym samym a miejsce i iloœæ uwaliaego leku. si¹giêcie profilu uwaliaia zerowego rzêdu (czyli utrzymaie sta³ego stê eia leku w przed³u oym czasie) lub zabezpieczeie leku przed mo liwoœci¹ rozpuszczeia w p³yach fizjologiczych lub w t³uszczach [7, 11, 14, 15], pozwala a ograiczeie w istotym stopiu czêstotliwoœci podawaia tak opakowaego leku lub a kotrolowaie miejsca jego uwaliaia, a tym samym a poprawê komfortu pacjeta i skuteczoœci terapii. Tabela 1. Wybrae przyk³ady struktur powstaj¹cych w wyiku samoorgaizacji makrocz¹steczek Table 1. Selected examples of macromolecular self-assemblies azwa Defiicja Literatura Micele (micelles) Micele je owe (crew-cut micelles) Mezoglobule (mesoglobules) Liposomy (lyposomes) Polimerosomy (polymersomes) kuliste supramolekulare aoagregaty o hydrofobowym rdzeiu i hydrofilowej otoczce, powstaj¹ce w wyiku samoorgaizacji makrocz¹steczek, w tym amfifilowych kopolimerów blokowych struktury o hydrofobowym rdzeiu i hydrofilowej otoczce, powstaj¹ce w wyiku samoorgaizacji amfifilowych kopolimerów blokowych, w których ³añcuch polimerowy tworz¹cy rdzeñ jest zaczie d³u szy i ³añcuch tworz¹cy hydrofilow¹ otoczkê, w astêpstwie tego cechuj¹ siê relatywie du ¹ œredic¹ rdzeia w porówaiu z wielkoœci¹ hydrofilowej otoczki jedakowej wielkoœci globule powstaj¹ce w wyiku ³¹czeia siê wiêcej i jedego, ale ie wszystkich, ³añcuchów polimerowych w system posiadaj¹cy lokale miimum eergii swobodej; wykazuj¹ dok³adie okreœloy rozk³ad wielkoœci, ale iekoieczie dobrze zdefiiowae struktury koformacyje, jak p. w micelach struktury powstaj¹ce w wyiku samoorgaizacji fosfolipidów, w których wody rdzeñ jest ca³kowicie otoczoy przez jed¹ lub wiele dwu-warstw fosfolipidów struktury aalogicze do liposomów, w których rdzeñ staowi faza woda, pow³okê atomiast warstwa zbudowaa z kopolimeru amfifilowego [1, 2] [3, 4] [5] [6] [5] T a b e l a 2. Wybrae kopolimery wykazuj¹ce zjawisko samoorgaizacji ) Table 2. Selected examples of self-assemblig copolymers Rodzaj struktury Micele Skrót polimeru Zastosowaie PEG-b-poli (ALA-co-MAA) oœik leków [11] PVP-b-PDLLA oœik leków [11] PEG-PDLLA oœik leków [7, 11] PE-PS oœik leków [7, 11] PE-PB oœik leków [7, 11] PCPP-SA oœik leków [6] MPEG-PMBC oœik leków [16] PIPAA-CA-PCL oœik leków [17] PLL/Glu PLL/Lac oœik leków [18] PEG/PLL PEG/PEI oœik kwasów ukleiowych (DA, RA) [19, 20] Literatura Polimerosomy Mieszaia 75 % PEG-polibutadie oœik leków [7] 25 % PEG-PLA PEG-PIPAA oœik leków [7] PEG/PPS oœik leków [7] PEG-oligo(suberyia DT)-PEG oœik leków [21] PEG/EAB oœik leków [22] ) bjaœieia skrótów wg cytowaej literatury: PEG-b-poli(ALA-co-MAA) glikol polietyleowy-b-poli(akryla alkilu-co-kwas metakrylowy); PVP-b-PDLLA poli(-wiylo-2-pirolido-b-poli(d,l-laktyd); PEG-PDLLA glikol polietyleo-
PLIMERY 2012, 57, r4 259 wy-b-poli(d,l-laktyd); PE-PS poli(tleek etyleu)-poli(tleek styreu); PE-PB poli(tleek etyleu)-poli(tleek butyleu); PCPP-SA polibezwodik poli[bis(p-karboksyfeoksy)]propa-kwas sebacyowy; MPEG-PMBC moometoksyglikol polietyleowy-poli(2-metylo-2-karboksylo-propyleowêgla); PIPAA-CA-PCL poli(-izopropyloakryloamid)-kwas cholowy-poli( -kaprolakto); PLL/Glu poli(l-lizya)/glukaolakto; PLL/Lac poli(l-lizya)/laktobioolakto; PEG/PLL glikol polietyleowy/poli(l-lizya); PEG/PEI glikol polietyleowy/polietyleoimia; PEG-PIPAA glikol polietyleowy poli(-izopropyloakryloamid); PEG/PPS glikol polietyleowy/poli(tleek propyleu); PEG-oligo(suberyia DT)-PEG glikol polietyleowy-oligo(suberyia oktylu-desamiotyrozylotyrozyy)-glikol polietyleowy; PEG/EAB glikol polietyleowy/etylo-p-amiobezoesa. wodych ajczêœciej jedak tworz¹ siê formy micelare [8, 25]. Micele powstaj¹ zazwyczaj w uk³adach o ma³ej zawartoœci ugrupowañ hydrofobowych, które tworz¹ rdzeñ miceli, jej otoczka zaœ jest zbudowaa z fragmetów hydrofilowych. W warukach du ej zawartoœci ugrupowañ hydrofobowych powstaj¹, tzw. micele je owe (crew-cut micelles) [3, 4], które tworz¹ siê powy ej tzw. krytyczego stê eia miceli (critical micelle cocetratio, CMC) [4, 26]. W przypadku, gdy micele powstaj¹ w roztworze zawieraj¹cym lek, mo a uzyskaæ system, w którym lek bêdzie zamkiêty w ich rdzeiu (rys. 1). hydrofilowa otoczka Ró orodoœæ budowy chemiczej zwi¹zków polimerowych (tabela 2) i zdoloœæ do ³¹czeia siê makrocz¹steczek w okreœloe struktury daje ogrome mo liwoœci w zakresie projektowaia owoczesych, bardzo efektywych oœików leków, biofarmaceutyków lub materia³ów dla i yierii tkakowej. Podao licze przyk³ady wykorzystaia iektórych polimerów jako oœików leków, jedak jest to dziedzia owa i bardzo itesywie rozwijaa, zarówo pod wzglêdem sytezy i aplikacji owych zwi¹zków wielkocz¹steczkowych, jak i ekapsulacji owych leków lub iych obiektów, p. ywych komórek. W iiejszym artykule zosta¹ przedstawioe systemy micelare oraz polimerosomy jako ajczêœciej stosowae w owoczesych terapiach opieraj¹cych siê a kotrolowaym dostarczaiu i uwaliaiu leków. hydrofobowy rdzeñ Rys. 1. Przekrój poprzeczy miceli z lekiem zamkiêtym w jej rdzeiu [7] Fig. 1. Cross-sectio of a micelle with a drug ecapsulated i its core (adapted from [7]) lek STRUKTURY MICELARE JAK ŒIKI LEKÓW Zjawisko samoorgaizacji makrocz¹steczek mo e wystêpowaæ zarówo w polimerach pochodzeia aturalego (biopolimerach), jak i w polimerach sytetyczych [9]. Typowym przyk³adem samoorgaizuj¹cych siê moleku³ pochodzeia aturalego s¹ fosfolipidy, staowi¹ce domiuj¹cy sk³adik b³oy komórkowej. Wykazuj¹ oe w³aœciwoœci amfifilowe (hydrofilowo-hydrofobowe), a œciœlej rzecz bior¹c amfipatycze, ze wzglêdu a obecoœæ w strukturze kwasów t³uszczowych, które w roztworach wodych ulegaj¹ reorgaizacji i tworz¹ liposomy [7, 8, 13, 23]. aturale bia³ka wykazuj¹ zdoloœæ do tworzeia uporz¹dkowaych struktur. a przyk³ad, struktura II-rzêdowa bia³ka -helisa mo e zawieraæ czêœæ hydrofobow¹ po jedej, a hydrofilow¹ po drugiej stroie powierzchi wstêgi. W iej II-rzêdowej strukturze bia³ka -harmoijce ³añcuch peptydowy mo e sk³adaæ siê z aprzemieie wystêpuj¹cych hydrofilowych i hydrofobowych fragmetów [7, 8, 24]. W wyiku samoorgaizacji zwi¹zków amfifilowych w œrodowiskach atwoœæ formowaia miceli w roztworach zawieraj¹cych leki oraz ogroma ró orodoœæ zwi¹zków polimerowych o w³aœciwoœciach u³atwiaj¹cych proces micelizacji spowodowa³a, e struktury micelare otrzymywae z polimerów zarówo aturalych (biopolimerów), jak i sytetyczych s¹ coraz czêœciej stosowae jako oœiki leków. W tabeli 3 zamieszczoo wybrae, hadlowo dostêpe produkty g³ówie w postaci mikrosfer, miceli oraz cz¹stek koloidalych oparte a polimerach aturalych lub sytetyczych. S¹ oe wykorzystywae przede wszystkim w charakterze oœików leków (systemy, za pomoc¹ których mo a by dostarczaæ ró e z³o oe zwi¹zki biologiczie aktywe, jak przeciwcia³a lub fragmety DA, s¹ wci¹ w fazie rozwoju). W zale oœci od budowy chemiczej i wyikaj¹cych z iej fizykochemiczych w³aœciwoœci u ytego materia³u polimerowego oraz szeregu techiczych operacji zwi¹zaych z kolejoœci¹ dodawaia faz ciek³ych, lub ze stê eiem kopolimeru w fazie orgaiczej, proces tworzeia struktur micelarych mo a realizowaæ a ró e sposoby uzyskuj¹c struktury o zró icowaych rozmia-
260 PLIMERY 2012, 57,r4 Tabela 3. Charakterystyka wybraych, dostêpych a ryku oœików leków [7] Table 3. Characteristics of the selected commercially available drug carriers [7] oœik leku Micele ajwiêkszym zaiteresowaiem spoœród liczych polimerów sytetyczych cieszy siê glikol polietyleowy (PEG), przede wszystkim staowi¹cy blok hydrofilowy w systemach amfifilowych. Polimer te, bardzo dobrze zbaday pod wzglêdem w³aœciwoœci biologiczych i chemiczych [11, 29], podobie jak, p. poli(laktyd) (PLA), poli(kaprolakto) (PCL) i poli(glikolid) (PGA ), zosta³ zatwierdzoy przez FDA (Food ad Drug Admiistratio) jako materia³ o wysokiej biozgodoœci i odporoœci a adsorpcjê bia³ek [7, 27, 30] do wielu wew¹trzustrojowych zastosowañ biomedyczych [11, 31]. Kopolimery amfifilowe zawieraj¹ce PEG samoorgaizuj¹ siê w œrodowisku rozpuszczalików selektywych [9, 12, 29]. Wa ¹ rolê odgrywa wówczas w³aœciwy dobór hydrofobowego sk³adika rdzeia, gdy oddzia- ³ywaie pomiêdzy polimerem a lekiem ma ogromy wp³yw a wiele wa ych czyików, w tym a stabiloœæ powstaj¹cych struktur i ich wielkoœæ, a wydajoœæ procesu ekapsulacji oraz a kietykê uwaliaia leków [11]. Du e zaczeie maj¹ rówie techiki preparatyw- Polimerosomy Mikrosfery Materia³ kopolimer leucyy i glutamiiau lipidy azwa hadlowa produktu Trasportoway œrodek terapeutyczy Typ leku/wskazaia leczicze Basuli isulia hormo peptydowy/cukrzyca Abelcet amfoterycya B ma³e cz¹steczki/grzybica Allovecti-7 LA-B7 plasmid oligoukleotydy (DA)/owotwory AmBisome amfoterycya B ma³e cz¹steczki/grzybica Amphocil amfoterycya B ma³e cz¹steczki/grzybica Amphotec amfoterycya B ma³e cz¹steczki/grzybica DauoXome dauorubicya ma³e cz¹steczki/owotwory Depocyt cytarabia ma³e cz¹steczki/owotwory Depodur siarcza morfiy ma³e cz¹steczki/ból Doxil doksorubicya ma³e cz¹steczki/owotwory MiKasome amikacya ma³e cz¹steczki/zaka eia Myocet doksorubicya ma³e cz¹steczki/owotwory Stealth doksorubicya ma³e cz¹steczki/owotwory usieciowae albumiy LeuProMax leuprolid hormoy peptydowe/owotwory i choroba Alzheimera PLA-polilaktyd Lupro Depot octa leuprolidu hormoy peptydowe/owotwory i choroba Alzheimera PL-etylofosfora Paclimer paklitaksel ma³e cz¹steczki/owotwory PLG (polilaktyd-glikolid) Eligard octa leuprolidu hormoy peptydowe/owotwory i choroba Alzheimera PLG (polilaktyd-glikolid) Risperdal Costa risperido peptydy/schizofreia PLG (polilaktyd-glikolid) Trelstar LA sole triptoreliy (Triptoreli pamoate) hormoy peptydowe/owotwór prostaty PLGA-glukoza Sadostati LAR oktreotyd peptydy/zaburzeia wzrostu poli(tereftala butyleu) Loctero rh IG-a proteiy/chroicze zapaleie w¹troby typu C rach. W przypadku kopolimerów umiarkowaie hydrofobowych, p. poloksamerów, micele uzyskuje siê w wyiku rozpuszczeia kopolimeru blokowego wraz z lekiem w wodzie, w przypadku zaœ kopolimerów amfifilowych, które s¹ trudo rozpuszczale w wodzie, micele powstaj¹ w efekcie rozpuszczeia kopolimeru i leku we wspólym, mieszaj¹cym siê z wod¹ rozpuszczaliku orgaiczym (p. TF, aceto, DMF), po usuiêciu którego rozpoczya siê proces tworzeia miceli. Mieszaiê kopolimerów rozpuszczoych w mieszaj¹cych siê z wod¹ rozpuszczalikach orgaiczych, mo a poadto poddaæ dializie, podczas której astêpuje powole usuwaie fazy orgaiczej ze œrodowiska reakcji, prowadz¹ce rówie do zawi¹zaia siê struktur micelarych [11]. Wa ym zagadieiem jest proces uwaliaia leków z miceli, który mo e odbywaæ siê w wyiku ró ych mechaizmów, skorelowaych z krytyczym stê eiem miceli (CMC). Je eli stê eie miceli przewy sza CMC, leki wydzielaj¹ siê a drodze dyfuzyjej, w warukach zaœ iewielkiego stê eia (poi ej CMC) w wyiku dezorgaizacji struktury. Zmiay wartoœci p lub temperatury rówie mog¹ staowiæ impuls do uwolieia leku z wêtrza miceli [7, 27, 28]. Polimery sytetycze wykorzystywae w systemach kotrolowaego uwaliaia leków
PLIMERY 2012, 57, r4 261 e prowadz¹ce do powstaia okreœloych struktur, decyduj¹ce o iloœci zawartego w ich leku. a przyk³ad, formowae w mieszaiie olej w wodzie (/W) micele, tworz¹ce siê z glikolu polietyleowego-b-poli[alkilo(meta)akryloamidu] [PEG-b-poli(ALA-co-MAA)] [wzór (I)] s¹ w staie zamk¹æ zaczie wiêksz¹ iloœæ leku i takie C R' = IPAA (-izopropyloakryloamid) R = PMAm (2-hydroksypropylometakryloamid) * R R' (I) micele uformowae w wyiku dializy. U ycie iej mieszaiy rozpuszczalików, tj. p. wody w tert-butaolu (TBA), wp³ywa a zaczy wzrost œredic tworz¹cych siê miceli, zwiêkszaj¹c tym samym mo liwoœæ upakowaia w ich wêtrzu wiêkszej iloœci leku [11]. Kopolimery PEG i poli(kaprolaktou) (PCL) lub poli(dl-laktydu) spotaiczie orgaizuj¹ce siê w struktury micelare s¹ iezwykle obiecuj¹ce w zastosowaiach w terapiach owotworowych [17, 18]. Pierwsze sukcesy w obszarze ekapsulacji ma³ych, hydrofobowych leków, takich jak: rapamycya, cucurbitacya-i i B, oraz paklitaksel [7], pozwalaj¹ przypuszczaæ, e takie systemy mog¹ w ied³ugim czasie staæ siê hadlowo dostêpe. Micelare systemy, w których PEG jest sk³adikiem hydrofilowej otoczki, rdzeñ zaœ sk³ada siê z termo-wra - liwego -(2-hydroksypropylo)metakryloamido-oligolaktydu [poli(ipaam-pmam-lac )] to kolejy przyk³ad struktur [26] spotaiczie orgaizuj¹cych siê co wa e powy ej dolej krytyczej temperatury rozpuszczaia (Lower Critical Solutio Temperature, LCST) bloku staowi¹cego rdzeñ [wartoœæ LCST poli(ip- AAm)-u wyosi 37 C]. Autorzy [26] wykazali, e wprowadzeie do struktury termo-wra liwego polimeru ³añcuchów oligolaktydowych (Lac) o ró ej d³ugoœci powoduje obi eie LCST do 6 C, a szybka hydroliza czêœci oligolaktydowej skutkuje wzrostem hydrofilowoœci rdzeia i rozpadem miceli w ci¹gu 8 h. Systemy takie mog³yby wiêc zdaiem autorów zaleÿæ szereg iteresuj¹cych zastosowañ i vivo, g³ówie w celowaych terapiach owotworowych. Warto w tym miejscu admieiæ, e samoorgaizuj¹ce siê termo-wra liwe systemy mezoglobule i/lub micele a podstawie poli(ipaam), staowi¹ iezwykle dyamiczie rozwijaj¹c¹ siê grupê iteligetych materia³ów, zdolych do przy³¹czaia leków przeciwowotworowych, jak rówie rozbudowaych przestrzeie, wielopierœcieiowych cz¹steczek, jakimi s¹ sterydy [17]. Schemat A przedstawia schemat reakcji otrzymywaia takiego kopolimeru a przyk³adzie kopolimeru gwiaÿdzistego poli(ipaam) kwas cholowy PCL. Wa ¹ grupê sytetyczych polimerów biodegradowalych, wykorzystywaych jako sk³adiki hydrofobowego rdzeia w systemach micelarych staowi¹ poliestry kwasu mlekowego, glikolowego i -kaprolaktou, ulegaj¹ce degradacji do prostych zwi¹zków C 2 i 2 ³atwo usuwaych z orgaizmu [7, 11, 15]. Szczególym zaiteresowaiem cieszy siê poli(laktyd) (PLA), którego w³aœciwoœci mo a modyfikowaæ homopeptydami, p. poli(l-lizy¹) (PLL) lub motywami peptydo- DCC, S CA S PIPAAm 2 CA PIPAAm-CA CL S(ct) 2 w tolueie x Schemat A. Reakcja otrzymywaia kopolimeru PIPAA-CA-(PCL) 3 [22] Scheme A. Sythesis of copolymer PIPAA-CA-(PCL) 3 (adapted from [22]) y PIPAA-CA-(PCL) 3 [ ] z
262 PLIMERY 2012, 57,r4 wymi, p. RGD (argiia glicya kwas asparagiowy) [15, 18, 27]. Wykorzystaie systemów micelarych jest istote zw³aszcza w procesie poszukiwaia owych oœików leków przeciwowotworowych. Bior¹c pod uwagê fakt, e p³yy miêdzykomórkowe komórek owotworowych maj¹ i sze p i zdrowe komórki, to wra liwe a zmiay p systemy micelare mog¹ skuteczie przeikaæ przez otoczki lizosomów lub edosomów i uwaliaæ, w wyiku przyspieszoej degradacji, zawarty w ich lek. Du ¹ rolê w projektowaiu takich systemów odgrywaj¹ polikwasy lub polizasady. a przyk³ad, protoacja we wêtrzu komórki owotworowej polizasady, jak¹ jest poli(l-histydya), staowi¹ca sk³adik rdzeia miceli zbudowaych z mieszaiy kopolimerów PEG-poli(L-histydya)/PEG-PLA, powoduje destabilizacjê struktury rdzeia i w efekcie uwolieie leku przeciwowotworowego [7]. Wysoki stopieñ krystaliczoœci polimeru, p. PLA odpowiada za wiêksz¹ stabiloœæ struktur powsta³ych w wyiku samoorgaizacji, a tym samym d³u szy czas uwaliaia leku (powol¹ dyfuzjê z rdzeia) [11]. Czêsto jedak du a krystaliczoœæ polimeru mo e zaczie ograiczaæ przestrzeñ dostêp¹ dla leku. W przypadku, p. miceli utworzoej z pochodej poli(l-amiokwasu) poli(2-hydroksyetyloaspartamatu) krystaliczoœæ rdzeia zwiêksza siê wraz ze wzrostem stopia podstawieia oktadecylowego ³añcucha boczego, a to z kolei prowadzi do zmiejszeia efektywoœci wprowadzaia do rdzeia miceli silego leku atyowotworowego, metotreksatu [32]. m m Et 2 Z ZEt + prócz biodegradowalych poliestrów, rówie biozgode i ietoksycze poliwêglay mog¹ staowiæ sk³adiki kopolimerów [p. mooetoksyglikol polietyleowy poli(2-metylo-2-karboksylopropylowêgla), MPEG-PMBC] [18], wykazuj¹cych zdoloœæ samoorgaizacji do struktur micelarych (schemat B) [16]. 3 C m CC 2 Ph ZEt m 3 C CC 2 Ph Schemat B. Reakcja otrzymywaia kopolimeru MPEG-PMBC [16] Scheme B. Sythesis of copolymer MPEG-PMBC (adapted from [16]) Polimery aturale wykorzystywae w systemach kotrolowaego uwaliaia leków Polimery pochodzeia aturalego (biopolimery), takie jak polisacharydy (algiiay, chitoza, dekstra), kwas hialuroowy oraz bia³ka (fibrya, kolage), rówie wykazuj¹ zdoloœæ do tworzeia agregatów, w tym struktur micelarych, wykorzystywaych jako oœiki leków. Zaletami tych polimerów jest ich biozgodoœæ, biodegradowaloœæ, ma³a cytotoksyczoœæ, a produkty ich degradacji s¹ ³atwo usuwae z orgaizmu [9, 31]. Polimery pochodzeia aturalego mog¹ byæ modyfikowae w wyiku reakcji z hydrofobowymi polimerami sytetyczymi (a przyk³ad chitoza i polilaktyd ) lub reakcji szczepieia (a przyk³ad chitozau a ³añcuchu poliestrowym z wykorzystaiem grup amiowych) [7, 31]. Iteresuj¹c¹ grupê polimerów aturalych staowi¹ amfifilowe polipeptydy, które w po³¹czeiu z hydrofobowymi ³añcuchami polimerowymi mog¹ tworzyæ micele, gdzie p. poli(kwas L-glutamiowy) staowi sk³adik hydrofilowej otoczki, a poli(butadie) hydrofobowy rdzeñ. Tak zaprojektowae micelare oœiki leków s¹ bardzo wra liwe a bodÿce œrodowiskowe (zmiay p, zmiay stê eia soli), pod wp³ywem których astêpuje reorgaizacja struktury bia³kowej otoczki (struktura adcz¹steczkowa bia³ka ulega reorgaizacji ze struktury -helisy do struktury -harmoijki) prowadz¹cej do uwolieia leku [9]. W celu uzyskaia wymagaego w procesie samoorgaizacji makrocz¹steczek, pewego stopia orgaizacji struktury wewêtrzej sk³adików tworz¹cych micele, jak p. w kopolimerach blokowych, aturale polimery mo a stosowaæ do modyfikacji polimerów sytetyczych. Poli- i oligosacharydy, takie jak: D-glukoolakto lub laktobioolakto s¹ wykorzystywae do modyfikacji polimerów amfifilowych p. kopolimeru poli(tetrahydrofurau) (PTF), staowi¹cego hydrofobowy rdzeñ miceli oraz poli(l-lizyy) staowi¹cej hydrofilow¹ otoczkê wykazuj¹cych zdoloœæ do micelizacji ju w temperaturze pokojowej [18, 19]. Mo liwoœæ tworzeia struktur zbudowaych z polimerów aturalych i sytetyczych otworzy³a szerokie mo liwoœci kostruowaia micelarych systemów dozowaia ie tylko leków, lecz rówie oligoukleotydów, tj. kwasów ukleiowych DA oraz RA [24, 33]. Przyk³adem takich systemów s¹ uk³ady, w których hydrofilow¹ otoczkê miceli staowi PEG [11, 18, 29], rdzeiem atomiast mog¹ byæ katioowe polimery, tj. poli(amiokwasy) i krótko³añcuchowe peptydy, takie jak: poli(kwas asparagiowy) (PAsp), poli(kwas glutamiowy) (PGlu), poli(l-lizya) i poli(histydya) (Phis), wykazuj¹ce doskoa³¹ kompatybiloœæ z kwasami ukleiowymi [8, 11, 29]. Wad¹ takich systemów jest jedak stosukowo iewielka stabiloœæ struktury, zw³aszcza wówczas, gdy maj¹ oe s³u yæ do trasfekcji, czyli wprowadzeia obcego DA do komórki, p. owotworowej, w warukach i vivo [8]. Jed¹ z metod zwiêkszeia
PLIMERY 2012, 57, r4 263 wydajoœci trasfekcji DA jest modyfikacja kopolimerów blokowych za pomoc¹ aocz¹steczek, p. fosforau wapia lub krzemioki albo te aorurkami wêglowymi [8]. PLIMERSMY JAK ŒIKI LEKÓW Polimerosomy staowi¹ce przyk³ad sytetyczych liposomów s¹ strukturami powstaj¹cymi w wyiku samoagregacji takich sytetyczych kopolimerów blokowych, w których otoczka jest miej przepuszczala i bardziej stabila i otoczka liposomu, tj. strukturami, w których rdzeñ (woda) jest otoczoy podwój¹ warstw¹ fosfolipidów [6]. Podobie jak omówioe wczeœiej systemy micelare, polimerosomy powstaj¹ w wyiku samoorgaizacji g³ówie kopolimerów amfifilowych, mog¹ jedak mieæ kszta³t kulisty lub rurkowaty. Dziêki ró orodoœci kopolimerów blokowych (zró icowaej budowie chemiczej a zatem i ró ych w³aœciwoœciach fizykochemiczych) adaj¹ siê oe doskoale do ekapsulacji zarówo leków, ezymów, protei, jak i kwasów ukleiowych, ze wzglêdu a mo liwoœæ doskoa³ej kotroli przepuszczaloœci membray i szybkoœci uwaliaia leków [7] (rys. 2). hydrofilowe warstwy hydrofobowa warstwa hydrofobowy lek hydrofilowy lek Rys. 2. Przekrój poprzeczy polimerosomu powsta³ego w wyiku samoorgaizacji makrocz¹steczek [7] Fig. 2. Cross-sectio of polymersome formed by self-assembly of macromolecules (adapted from [7]) Zastosowaie ró ych techik wytwarzaia (odparowaie rozpuszczalika, rozpuszczaie) pozwala, w zale oœci od budowy chemiczej di- lub triblokowego kopolimeru lub kopolimeru szczepioego [7, 9], a otrzymaie polimerosomów o œredicy od 20 m do awet kilku mikrometrów, a wiêc systemów o ró ej liczbie warstw tworz¹cych otoczkê rdzeia. Zalet¹ polimerosomów jest tak e mo liwoœæ ekapsulacji w jedym systemie zarówo hydrofilowych, jak i hydrofobowych cz¹steczek [17] oraz to, e w odpowiedzi a zmiay p, temperatury lub potecja³u redoks mog¹ aktywie uwaliaæ zawartoœæ wêtrza [7]. Polimerosomy wra liwe a zmiay p, oprócz wczeœiej ju wspomiaych systemów micelarych, s¹ wykorzystywae ie tylko do trasportowaia leków zarówo hydrofilowych, jak i hydrofobowych w jedej strukturze, ale tak e komórek, wirusów oraz cz¹steczek DA [34, 35]. Przyk³adem takiego systemu jest polimerosom zawieraj¹cy w swojej strukturze PEG oraz, ietrwa³y w œrodowisku kwaœym, poli(wêgla-2,4,6-trimetoksybezylideopetaerytrytolu) (PTMBPEC). W takim systemie mo a zamk¹æ leki przeciwowotworowe: jedoczeœie hydrofilow¹ doksorubicyê i hydrofobowy paklitaksel, a co ajwa iejsze, obydwa leki s¹ uwaliaie w sposób kotroloway i zale y od p. ajlepszy profil uwaliaia leków przez tego typu strukturê uzyskao w warukach lekko kwaœego p [34]. Iym przyk³adem struktury wra liwej a zmiay p jest polimerosom zbudoway z PTMC-PGA [poli(trimetylowêgla)-b-poli(l-kwas glutamiowy]. Jak wykazao, p decyduje tu ie tylko o profilu uwaliaia leku (doksorubicyy), ale rówie o efektywoœci jego ekapsulacji w takiej strukturze ajwiêkszej przy p = 10,5, polimerosom jest atomiast stabily w œrodowisku obojêtym o p = 7 przez co ajmiej 6 miesiêcy. Zmiaa p œrodowiska z eutralego a kwaœe powoduje destabilizacjê polimerosomu i tym samym iicjuje uwaliaie zaekapsu³owaego w im leku [34, 35]. Przyk³adem systemów wra liwych a zmiay temperatury s¹ polimerosomy, które w swojej strukturze zawieraj¹ polimery termoczu³e, takie jak poli(ipaam), o czym wspomiao ju we wczeœiejszym rozdziale. Polimery takie wykazuj¹ charakterystycz¹, dol¹ krytycz¹ temperaturê rozpuszczaia (LCST), poi ej której s¹ rozpuszczale, zaœ powy ej tej temperatury, w obecoœci rozpuszczalika (p. wody) i hydrofilowego PEG tworz¹ ierozpuszczale, hydrofobowe agregaty (PEG tworzy czêsto podwój¹ warstwê otoczki) a skutek domiacji oddzia³ywañ wew¹trz- i miêdzy³añcuchowych o ró ej aturze (oddzia³ywaia dipolowe, wodorowe, va der Waalsa itp.). Polimerosomy, bêd¹ce oœikami leków i zawieraj¹ce w swojej budowie termowra liwy polimer uwaliaj¹ zawarte w ich leki poi ej temperatury LCST. W takich warukach otoczka solwatacyja pomiêdzy hydrofilowymi fragmetami ³añcucha polimerowego a cz¹steczkami wody ulega ziszczeiu i astêpuj¹ zmiay koformacyje polimeru [7, 36, 37]. Z kolei polimerosomy reaguj¹ce a zmiay potecja- ³u redoks zawieraj¹ w swojej strukturze ugrupowaia o charakterze utleiaczy lub reduktorów. Przyk³adem takich systemów s¹ kopolimery triblokowe, sk³adaj¹ce siê z dwóch hydrofilowych bloków PEG, otaczaj¹cych hydrofobowy blok poli(siarczku propyleu) (PPS). Blok PPS zawiera, stabilizuj¹ce podwój¹ warstwê polimerosomu, tioeterowe ugrupowaia wra liwe a dzia³aie utleiaczy. W obecoœci adtleku wodoru astêpuje utleieie
264 PLIMERY 2012, 57,r4 tioeteru do hydrofilowego sulfotleku i sulfou, a w astêpstwie destabilizacja struktury i uwolieie leku [7]. Mo liwoœæ zastosowaia polimerosomów powstaj¹cych w wyiku samoorgaizacji kopolimerów blokowych w charakterze oœików ró ych leków, g³ówie wspomiaych wczeœiej przeciwowotworowych oraz przeciwbólowych, takich jak aprokse lub ibuprofe, budzi ajwiêksze zaiteresowaie badaczy. Warukiem koieczym wykorzystaia polimerosomów do ekapsulacji leków jest oczywiœcie ich rozpuszczaloœæ w wodzie, tak jak p. w przypadku chlorku doksorubicyy, u ywaego w systemach powstaj¹cych z kopolimeru metoksy-glikolu polietyleowego i etylo-p-amiobezoesau-poli(dichlorofosfazeu) (PEG/EAB-PPP) (schemat C) [22]. Cl 2 Cl P Cl P P Cl Cl Cl TF, TEA 2 PEG TF, TEA 3%AlCl 3 250 C * P * Cl W przypadku kotrolowaego uwaliaia, p. leków lipofilowych stosowaych w chorobach dermatologiczych do powierzchiowego kotaktu ze skór¹, szczególie iteresuj¹ce mog¹ byæ kopolimery triblokowe typu ABA, o sk³adzie [glikol polietyleowy-b-oligo(suberyia oktylu-desamiotyrozylotyrozyy)-b-glikol polietyleowy] [PEG-oligo(suberyia DT)-PEG] [23]. ydrofilowy PEG staowi otoczkê, rdzeiem jest atomiast hydrofobowy oligo(suberyia DT). ligo-dt charakteryzuje siê isk¹ temperatur¹ zeszkleia, co jest gwaratem, e taki triblokowy kopolimer bêdzie móg³ ulegaæ samoorgaizacji w aturalych warukach ludzkiego orgaizmu, œrodkowy blok (rdzeñ) jest atomiast biodegradowaly w warukach i vivo. Co wiêcej, przy Cl * P * ( PEG)x * P * Clx PEG/EAB-PPP Schemat C. Reakcja otrzymywaia kopolimeru PEG/EAB-PPP [22] Scheme C. Sythesis of copolymer PEG/EAB-PPP (adapted from [22]) udziale bloku hydrofilowego do hydrofobowego rówym 1,5, takie triblokowe kopolimery ABA o ma³ych masach molowych (ok. 10 000 g/mol) mog¹ osi¹gaæ wielkoœæ od 30 do 200 m, umo liwiaj¹c¹ ich peetracjê przez warstwê rogow¹ askórka [24]. PDSUMWAIE Samoorgaizacja makrocz¹steczek w roztworach wodych jest zjawiskiem budz¹cym zaiteresowaie ie tylko liczych oœrodków aukowych, ale rówie firm farmaceutyczych. Powstaj¹ce w jej wyiku struktury micelare lub ie agregaty umo liwiaj¹ bowiem ekapsulacjê i kotrolowae uwaliaie ró orodych leków. Struktury takie skuteczie chroi¹ zamkiête w ich wêtrzu leki przed agresywymi czyikami œrodowiska ludzkiego orgaizmu, przyczyiaj¹c siê tym samym do ich stabiloœci i hamuj¹c czêsto zbyt szybkie, przed osi¹giêciem docelowego miejsca, wydzieleie siê leków. Z puktu widzeia projektowaia takich systemów wa - y jest sk³ad i budowa chemicza, w³aœciwoœci biologicze a awet mechaicze tworz¹cych ró orode struktury polimerów amfifilowych, zarówo sytetyczych, jak i pochodzeia aturalego. Postêp w tej dziedziie jest przewidyway w wyiku projektowaia owych, biokompatybilych i/lub biodegradowalych materia³ów polimerowych zdolych do tworzeia stabilych struktur micelarych lub iych agregatów umo liwiaj¹cych ekapsulacjê chemoterapeutyków, sterydów lub iych leków i œrodków biologiczie aktywych, dostarczaie których w kowecjoaly sposób (p. w postaci pastylek) ie przyosi tak wyraÿie korzystych efektów terapeutyczych. Pojawieie siê a ryku pierwszych produktów, w których do ekapsulacji leków wykorzystao proces samoorgaizacji polimerów jest dowodem a to, e efekty badañ aukowych s¹ z sukcesem choæ powoli wdra ae do praktyki przemys³owej. LITERATURA 1. Kedar U., Phutae P., Shidhaye S., Kadam V.: aomedicie: BM 2010, 6, 714. 2. Bae Y., Kataoka K.: Adv. Drug Deliv. Rev. 2009, 61, 768. 3. Yua J., Li Y., Li X., Cheg S., Jiag L., Feg L., Fa Z.: Europ. Polym. J. 2003, 39, 767. 4. Alle C., Maysiger D., Eiseberg A.: Colloid Surf. B 1999, 16, 3. 5. Letchford K., Burt.: Eur. J. Pharm. Biopharm. 2007, 65, 259. 6. Zhog Y., Bellamkoda R.: J. R. Soc. Iterface 2008, 5, 957. 7. Braco M., Scheider P. J.: Acta Biomater. 2009, 5(3), 817. 8. Zhag S., Marii M. D., wag W., Satoso S.: Curr. pi. Chem. Biol. 2002, 6(6), 865. 9. Chow D., ualee M. L., Lim D. W., Simick A. J.: Mater. Sci. Eg. 2008, 62(4), 125. 10. Schmalz., Koll A., Muuer A. J., Abetz V.: Macromolecules 2002, 35, 10 004.
PLIMERY 2012, 57, r4 265 11. Gaucher G., Dufrese M.-., Sat P. V., Kag.: J. Cotr. Release. 2005, 109, 169. 12. Kopecek J.: Eur. J. Pharm. Sci. 2003, 20, 1. 13. Sobczak M., lêdzka E., Ko³odziejski W. L., KuŸmicz R.: Polimery 2007, 52, 411. 14. Qiu L. Y., Bae Y..: Biomaterials 2007, 28, 4132. 15. Li J., Li X., i X., Wag X.: Biomaterials 2006, 27, 4132. 16. Xie Z., Gua., Che L., Tia.: Polymer 2005, 46, 10 523. 17. Che W., Wei., Li S., Feg J.: Polymer 2008, 49, 3965. 18. Tia Z., Wag M., Zhag A., Feg Z.: Polymer 2008, 49, 446. 19. tsuka., agasaki Y., Kataoka K.: Colloid. Iterface. Sci. 2001, 6, 3. 20. Arote R. B., Jere D., Jiag., Kim Y.: Biomed. Mater. 2009, 4, 044102. 21. Ma P. X.: Adv. Drug Deliv. Rev. 2008, 60(2), 184. 22. Zheg Ch., Qiu L., Zhu K.: Polymer 2009, 50, 1173. 23. ardi C., Bolikal D., Koh J.: Lagmuir 2004, 20, 11 721. 24. Su J., Che X., Guo J., Shi Q.: Polymer 2009, 50, 455. 25. iece K. L., Czeisler C., Sahi V., Tysselig-Mattiace V.: Biomaterials 2008, 29(34), 4501. 26. Rapoport.: Prog. Polym. Sci. 2007, 32, 962. 27. Taubert A., apoli A., Meier W.: Curr. pi. Chem. Biol. 2004, 8, 598. 28. Qu T., Wag A., Yuaa J., Gao Q.: J. Colloid. Iterface. Sci. 2009, 336, 865. 29. Deg Ch., Che X., Yu., Su J.: Polymer 2007, 48, 139. 30. Kumar A., Sivakova S., Fox J. D., Gree J. E.: J. Am. Chem. Soc. 2008, 130(4), 1466. 31. Cai G., Jiag., Che Z., Tu K., Wag L.: Eur. Polym. J. 2009, 45, 1674. 32. Tyrrell Z. L., Shea Y., Radosz M.: Progr. Polym. Sci. 2010, 35, 1128. 33. Kakizawa Y., arada A., Kataoka K.: Biomacromolecules 2001, 2, 491. 34. Saso Ch., Schatz Ch., Le Meis J.-F., Soum A.: J. Cotrol. Release. 2010, 147, 428. 35. Che W., Meg F., Cheg R., Zhog Z.: J. Cotrol. Release. 2010, 142, 40. 36. Pluta J., Karolewicz B.: Polimery w medycyie 2008, 1,1. 37. Utrata-Weso³ek A., Trzebicka B., Dworak A.: Polimery 2008, 53, 717. trzymao 5 VII 2011 r. W kolejym zeszycie uka ¹ siê m.i. astêpuj¹ce artyku³y: P. oœ, A. ukomska, S. Kowalska, R. Jeziórska, J. Krupka W³aœciwoœci kompozytów polimerowych z udzia- ³em proszków lub p³atków miedzi jako ape³iaczy M. Kêdzierski, P. Jakowski, G. Jaworska, A. iska Tleek grafitu jako pêcziej¹cy atypire stosoway do polistyreu (j. ag.) R. Jeziórska, A. Szadkowska, B. Œwierz-Motysia, J. Kozakiewicz Wp³yw aoape³iacza polimerowego o budowie rdzeñ-otoczka a strukturê oraz w³aœciwoœci mieszaiy polilaktydu i termoplastyczej skrobi kukurydziaej K. Kurzepa, K. Karase³³o, B. Baraowska, A. Grabowska, W. Walisiewicz-iedbalska, K. Ró ycki, B. Kwiatkowska-Patzer, A. W. Lipkowski Wykorzystaie odpadowego wieprzowego rdzeia krêgowego jako ceego Ÿród³a substacji aktywych biologiczie A. R. Migda³, M. Dudkiewicz, J. Kijeñski, M. emtusiak,. sawaru, M. Rogieñski, E. Œmigiera trzymywaie moomerów akrylowych z wykorzystaiem surowców odawialych. Cz. I. trzymywaie akroleiy z gliceryy Z. D¹browski, A. Wiœiewska, A. Kulig-Adamiak, J. Kamiñski, J. Cybulski Ciecze joowe jako katalizatory reakcji asymetryczych (j. ag.) T. Porêbski, S. Tomzik, W. Ratajczak, M. Talma-Piwowar, W. Capa³a Zastosowaie procesów membraowych w przemyœle chemiczym recyklig surowców, oszczêdoœæ eergii