American Journal of Drug Delivery and Therapeutics Offener Zugang

Abstrakt

Eine Studie der physikochemischen Eigenschaften zur Konservierung von Nanopartikeln

Seitaro Kamiya

Die Bedeutung der Nanopartikel-Detaillierung wird bei der Unterstützung der Arzneimittelentwicklung zunehmend anerkannt. Daher ist die Aufrechterhaltung eines stabilen Zustands der Nanopartikel ein wichtiges Thema. Um den Zustand der Nanopartikel aufrechtzuerhalten, kann eine Methode verwendet werden, die Gefriertrocknung mit der Erhöhung der Saccharide umfasst. In Arzneimitteln wurde diese Methode jedoch nicht ausreichend diskutiert. In dieser Studie wurden den Nanopartikel-Suspensionen Trisaccharide, Tetrasaccharide und Pentasaccharide hinzugefügt, gefolgt von einer Rehydratation der Proben, die entweder natürlich getrocknet oder gefriergetrocknet worden waren. Die Molekülbreite nach der Rehydratation wurde dann gemessen. Außerdem wurde jedes Saccharid mithilfe eines Pulver-Röntgendiffraktometers und eines Geräts zur Differenzial-Kontrollkalorimetrie (DSC) gemessen. Wir untersuchten die Beziehung zwischen der Nanopartikelsammlung und dem Kristalltyp der Saccharide und ihrer Systeme, indem wir die erhaltenen Ergebnisse der Daten zu Molekülgröße, Pulver-Röntgenprobe und DSC-Kurven nutzten. Die Größe der Nanopartikel blieb beim Gefriertrocknen erhalten, während bei Verwendung normaler getrockneter Proben eine Molekülansammlung auftrat. Darüber hinaus wurde in der gefriergetrockneten Sammlung kein kristallines Saccharid beobachtet, in der normal getrockneten Sammlung jedoch schon.

Die Zytotoxizität von Nanopartikeln wird durch mehrere Faktoren ausgelöst. Einige Fälle von Nanomaterialien, die Zytotoxizität auslösen, sind auf die Substanz selbst zurückzuführen, und einige Nanopartikel zeigen Toxizität ohne eindeutige Ursache. Einige Nanopartikel einer bestimmten Substanz bergen vermutlich ein höheres Risiko der Toxizität als größere Partikel derselben Substanz. Die Verteilung von Partikeln im Körper und die Ansammlung einer bestimmten Art von Molekül in einem bestimmten Körperteil, die von der Größe und Oberflächenstruktur des Moleküls abhängt, werden als grundlegende Probleme angesehen. Wenn sich die Nanopartikel außerdem ohne ordnungsgemäße Ausscheidung im Körpersystem ansammeln, können sie chronische Toxizität verursachen. Die eigentlichen Verbreitungsorte und Zielorgane für Nanopartikel sind unklar; es ist jedoch möglich, dass Leber und Milz Zielorgane sein könnten. Wenn Nanopartikel eingenommen, eingeatmet oder über die Haut aufgenommen werden, können sie zur Bildung resistenter Sauerstoffspezies (ROS) einschließlich freier Radikale führen. ROS erzeugen oxidativen Stress, Entzündungen und daraus resultierende Schäden an verschiedenen organischen Materialien wie Proteinen, DNA usw. Neben der ROS-Erzeugung sind Größe, Morphologie, Agglomerationsform, Form, chemische Synthese, Oberflächenstruktur, Oberflächenladung, Agglomeration und Löslichkeit weitere Faktoren, die die Toxizität beeinflussen. Aufgrund ihrer geringen Größe können Nanopartikel Gewebeübergänge und sogar Zellmembranen durchdringen, wo sie grundlegende Schäden an den Mitochondrien verursachen oder den Kern angreifen, wo sie ernsthafte DNA-Veränderungen verursachen, die zum Zelltod führen.

Die durch Nanomaterialien hervorgerufene Zytotoxizität resultiert aus der Wechselwirkung zwischen der Oberfläche des Nanomaterials und den Zellbestandteilen. Mit abnehmendem Abstand vergrößert sich die Oberflächenfläche des Moleküls exponentiell. Selbst wenn Moleküle die gleiche Struktur aufweisen, können sie daher je nach Molekülgröße und Oberflächenreaktivität ganz unterschiedliche Grade der Zytotoxizität aufweisen. Darüber hinaus verursacht die Molekülgröße große Unterschiede im Zelltransportsystem und der Ausbreitung in vivo. Daher sind nicht nur die chemischen Eigenschaften und die größenabhängige Zytotoxizität für die Bewertung der Zytotoxizität eines Nanomaterials von Bedeutung, sondern auch der Maßstab für die größenabhängige Zytotoxizität.

Um Zytotoxizität und eine entzündliche Reaktion in Tiermodellen zu erzeugen, ist es wichtig, dass die Nanopartikel die Epithelschicht passieren. In dieser Hinsicht spielt die Größe der Nanopartikel eine Schlüsselrolle bei der Zytotoxizität. Durch die Einatmung dringen Nanopartikel tief in das Lungenparenchym ein. Nanopartikel unterschiedlicher Größe zeigen in den Atemwegen bestimmte Dispersionsmuster. Die Nanopartikel-Transportation wird auch von der Stokes-Zahl und der Reynolds-Zahl beeinflusst. Zunächst werden Moleküle im Gasstadium gut zirkuliert, doch nach der Einatmung wandern sie in Atemflüssigkeiten in das flüssige Stadium. Die Transportation eines Medikaments oder von Nanopartikeln in vivo oder die Pharmakokinetik ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt bei der Bewertung der Zytotoxizität. Zahlreiche Studien haben die In-vivo-Zirkulation von Nanomaterialien untersucht. Nanopartikel mit einer Größe von mehr als 6 nm können nicht von den Nieren ausgeschieden werden und sammeln sich in bestimmten Organen wie Leber und Milz an, bis sie vom mononukleären Phagozytensystem ausgeschieden werden. Die meisten Nanopartikel, die sich in Leber und Milz ansammeln, verursachen schwere Symptome. Beispielsweise verbleiben Cadmiumselenid (CdSe)-Quantenpartikel bis zu acht Monate im Gewebe und verursachen Lebertoxizität. Dieser pharmakokinetische Normalwert für Nanopartikel hängt von der Molekülgröße und der Oberflächenwissenschaft ab. Sie verwendeten Partikel von 10 bis 250 nm Größe und bewerteten die In-vivo-Übertragung nach intravenöser Verabreichung in einem Nagetiermodell. Sie fanden heraus, dass 10 nm große Nanopartikel anders übertragen wurden als ihre größeren Gegenstücke. Sie wurden in fast allen Organen gefunden, darunter Blut, Leber, Milz, Nieren, Hoden, Thymus, Herz, Lunge und Gehirn. Mittlerweile wurden die meisten Nanopartikel größer als 50 nm ausschließlich im Blut, der Leber und der Milz nachgewiesen.

Aufgrund ihrer geringen Größe werden Nanopartikel üblicherweise als Medikamententräger verwendet, entweder in Form von inaktiven oder aktiven Vehikeln. Ihre erfolgreiche Zellintegration hängt von der Biokompatibilität ab. Insbesondere sind die äußeren Eigenschaften des elektronischen Zustands der Oberfläche für die Zellaufnahme entscheidend und können auch mit der Zytotoxizität in Zusammenhang stehen. Um die In-vitro-Lebensfähigkeit zu testen, werden Nanoträger normalerweise in eine 2D-geschichtete Zielzelle eingebracht, sowohl für therapeutische als auch für experimentelle Studien. Ein solcher Ansatz sollte jedoch vor einer In-vivo-Studie überdacht werden, da sich ein solches geschichtetes Modell möglicherweise von dem einer Zellkultur unterscheidet, in der Zell-zu-Zell-Kommunikation für die Stoffwechselentwicklung entscheidend ist.