Fosfolipidit

Fosfolipidit (PL) ovat myös amfifiilisiä molekyylejä kuten PEG-rasvahappoglyseridit. Fosfolipidimolekyylin rakenne sisältää kaksi hydrofobista rasvahappojen häntää ja yhden hydrofiilisen fosfaattiosan pään, jotka on liitetty yhteen alkoholi- tai glyserolimolekyylillä . Tämän rakenteellisen järjestelyn ansiosta PL:t muodostavat lipidikaksoiskerroksia ja ovat kaikkien solukalvojen keskeinen komponentti. Olemassa olevan alkoholityypin perusteella PL:t voidaan luokitella kahteen luokkaan: glyserofosfolipideihin ja sfingomyeliiniin. Glyserofosfolipidit sisältävät glyserolirungon, ja ne ovat eukaryoottisolujen tärkein PL-tyyppi. Yleensä luonnossa esiintyvillä glyserofosfolipideillä on alfarakenne ja L-konfiguraatio. Hydrofiilisen pääryhmän tyypin vaihtelun perusteella glyserofosfolipidit voidaan jakaa edelleen alatyyppeihin, kuten fosfatidyylikoliiniin (PC), fosfatidyylietanoliamiiniin (PE), fosfatidiinihappoon (PA), fosfatidyyliseriiniin, fosfatidyyliinositoliin ja fosfatidyyliglyseroliin . Vastaavasti glyserofosfolipidien alaluokittelussa voidaan käyttää muitakin kriteerejä, kuten polaarisen osan pituuden vaihtelua, alifaattisten ryhmien lukumäärän vaihtelua, tyydyttyneisyyttä ja sidostyyppiä (taulukko 6.3). Sfingomyeliineissä on sfingosiinirunko, ja ne ovat olennainen osa eläinsolukalvojen lipidikaksoiskerrosta. Shapiro ja Flowers vahvistivat, että biologisilla sfingomyeliineillä on d-erytrokonfiguraatio . Yksityiskohtainen vertailu PC:n ja sfingomyeliinien välillä on esitetty taulukossa 6.4.

PL, yksi solukalvojen pääkomponenteista, on erinomainen bioyhteensopivuusprofiili. Amfifiilisen luonteensa vuoksi PL:t voivat tietyissä olosuhteissa muodostaa itsekokoonpanevia supermolekyylirakenteita vesipitoisissa väliaineissa. Muiden pinta-aktiivisten aineiden tavoin PL:iä voidaan käyttää myös emulsion stabilointiin. PL:iä voidaan saada sekä luonnollisista että synteettisistä lähteistä. Luonnollisten PL:ien yleisimmin käytettyjä lähteitä ovat kasviöljyt, kuten soija- ja auringonkukkaöljyt. PL:iä voidaan saada myös eläinkudoksista, kuten munankeltuaisesta. Vaikka sekä kananmunankeltuainen että soija ovat tärkeimmät PL:n lähteet, PL:n pitoisuuksissa ja lajeissa on eroja (taulukko 6.5). PL:t, kuten PC, PE, lysofosfatidyylikoliini ja lysofosfatidyylietanoliamiini, voidaan eristää ja puhdistaa farmaseuttiseen käyttöön luonnollisista lähteistä. Puolisynteettisiä PL-yhdisteitä valmistetaan muuttamalla luonnollisten PL-yhdisteiden pää- tai häntäryhmää tai molempia, esimerkiksi hydratoimalla luonnolliset tyydyttymättömät PL-yhdisteet tyydyttyneiksi PL-yhdisteiksi, joilla on korkeampi sulamispiste ja hapettumisstabiliteetti . Synteettisiä PL-yhdisteitä valmistetaan liittämällä sekä polaarisia että apolaarisia osia glyserolirunkoon muodostamalla esteri- tai eetterisidoksia. Lisäksi sfingomyeliinien synteesi on monimutkaisempi kuin glyserofosfolipidien synteesi. Synteettisen PL:n valmistaminen, eristäminen ja puhdistaminen on aina kalliimpi prosessi kuin luonnollisista lähteistä saatu. Synteettisten PL:ien puhtaus ja stabiilisuus on kuitenkin suhteellisen korkeampi kuin luonnollisten PL:ien.

PL:t pystyvät amfifiilisen luonteensa vuoksi muodostamaan vedessä erityyppisiä kokoonpanoja. Yleensä muodostuu kolme erityyppistä muotoa – mikrosoluja, PLs-kaksoiskerros ja kuusikulmainen (HII) faasi (kuva 6.1) . Lysofosfolipidit voidaan esittää käänteiskartion molekyylimuotona suuremman otsaryhmän ja yhden hydrofobisen ketjun vuoksi. Tämä käänteinen kartiomuoto johtaa mikkelisysteemin muodostumiseen. Kuten kuvasta käy ilmi, kartiomainen järjestely johtaa HII-muotoon, kun taas sylinterimäinen molekyylimuoto suosii PLs-kaksoiskerroksen muodostumista. PLs-kaksoiskerroksen tai liposomin muodostumiseen voidaan vaikuttaa erilaisilla tekijöillä, jotka edistävät lamellaarisen faasin muuttumista HII-faasiksi:

Kuva 6.1. PLs-kaksoiskerroksen muodostuminen.

–

Matalassa pH:ssa PS:n karboksyyliryhmän ja PA:n fosfaattiryhmän protonoituminen johtaa siirtymiseen kohti HII-faasia.

PL:iä on käytetty myös arvokkaana lisäaineena erilaisten nanokantajien kehittämisessä. Fysiologisesti PC toimii aivotoimintojen ravintoaineena ja neurotransmitterin asetyylikoliinin synteesin substraattina. Synteettiset PL:t ovat laadultaan ja stabiilisuudeltaan parempia, mutta niiden hinta on korkeampi kuin luonnollisten PL:ien. Vaikka sekä kananmunafosfatidyylikoliinia (EPC) että soijafosfatidyylikoliinia (SPC) voidaan käyttää liposomien kehittämiseen, EPC:tä suositaan SPC:n sijaan. EPC-liposomeilla on suurempi lääkeaineen lastauskapasiteetti ja pienempi vuotonopeus. Esimerkiksi Doxil sisältää hydrattua soijapavun fosfatidyylikoliinia (HSPC) ja 1,2-distearoyl-sn-glysero-3-fosfoetanoliamiini-N- (PEG-DSPE) fosfolipideinä muodostaakseen stabiileja liposomeja, joilla on vähemmän faasimuutostaipumusta fysiologisissa olosuhteissa .

EPC:llä on tärkeä rooli kalvojen fuusioinnissa pienemmän hydratoitumistaipumuksen vuoksi. Samoin PE-pohjaisilla liposomeilla on myös parempi vuorovaikutus lipidikaksoiskerroksen kanssa. Dioleoyylifosfatidyylietanoliamiinia (DOPE) käytetään pH-herkkien liposomien kehittämiseen, joilla voidaan välttää entsyymien aiheuttama lääkeaineen hajoaminen endosytoosin aikana . Jotta liposomien muodostuminen olisi mahdollista, on kuitenkin lisättävä karboksyylihapporyhmää sisältäviä aineita. Anioniset happoryhmät tarjoavat sähköstaattisen stabiloinnin hylkimällä neutraalissa pH:ssa, ja liposomit pysyvät vakaina. Happamassa pH:ssa karboksyyliryhmät protonoituvat, mikä aiheuttaa laminaarisen muodon muuttumisen HII-faasiksi. Tämä epävakaa vaihe mahdollistaa aggregaation, fuusioitumisen ja lääkeaineen vapautumisen happamassa pH-ympäristössä. Lisäksi DSPE-PEG:n lisääminen DOPE:hen edistää liposomien muodostumista sekä lisää liposomien in vivo -kiertoaikaa .

PL:ien faasimuutoslämpötilaominaisuutta (Tc) voidaan hyödyntää lämpötilaherkkien liposomien kehittämisessä. PL:stä koostuvat liposomit, joiden Tc on fysiologista lämpötilaa korkeampi, voivat vapauttaa lääkkeitä syöpäkudoksissa, joihin liittyy hypertermiaa. Korkeammassa lämpötilassa geelimuoto muuttuu nestekiteiseksi faasiksi, jolloin kapseloidut lääkeaineet vapautuvat liposomeista. Dipalmitoyylifosfatidyylikoliinin (DPPC) Tc-arvo on 41 °C, ja sitä käytetään lämpöherkkien liposomien kehittämiseen. Lisäksi DPPC-liposomien lääkeaineen lastauskapasiteettia ja vapautumisnopeutta voidaan parantaa lisäämällä muita PL-yhdisteitä, kuten distearoyylifosfatidyylikoliinia (DSPC) ja HSPC:tä. Lääkeaineen vapautumisen edistämiseksi kasvainkohdassa PL-yhdistelmien Tc-arvo ei kuitenkaan saisi ylittää 39-42 °C:n lämpötilaa. Optimaalinen Tc-arvo 39-40 °C raportoitiin DPPC:n ja lysolipidin monopalmitoyylifosfokoliinin (MPPC) PEGyloiduille liposomeille .

Yleisesti PL:iä, kuten PS:ää, PG:tä ja PA:ta, sisältävien liposomien poistuminen on hyvin nopeaa MPS:n vuoksi. Tämä liposomien fagosytoosi riippuu pinnan hydrofiilisyydestä . Gangliosidin ja PI:n läsnäolo johtaa siihen, että MPS vähentää liposomien ottoa ja pidentää kiertoaikaa. Liposomien kiertoaika riippuu myös kalvon juoksevuudesta. Jäykän kaksoiskerroksen omaavien liposomien MPS:n puhdistuma vähenee. Korkean Tc:n (esim. DSPC) ja jäykän PL:n (esim. sfingomyeliinit) lisääminen parantaa liposomien kiertoaikaa. Vakaamman amidisidoksen (jota on vaikea katkaista in vivo) ja molekyylien välisen vetysidospotentiaalin läsnäolo tekevät liposomista kiinteän lipidikaksoiskerroksen.

Liposomien kiertoaikaa on viime aikoina parannettu pinnalla tapahtuvalla PEGyloinnilla. Mutta PEGyloituihin liposomeihin liittyy myös kiihtynyt veren puhdistuma-ilmiö toistuvan injektion yhteydessä . Anti-PEG IgM:n muodostuminen edistää PEGyloitujen liposomien nopeaa havaitsemista ja puhdistumista myöhemmissä altistuksissa . Tämä liposomien ABC-ilmiö havaittiin enemmän tyydyttymättömille PL:ille (esim. SPC, EPC ja munan sfingomyeliinit) kuin tyydyttyneille PL:ille (esim. DPPC ja HSPC). Lisäksi tämä ABC-ilmiö voidaan havaita myös tavanomaisissa liposomeissa. Toisin kuin PEGyloidut liposomit, tavanomaiset liposomit saavat kuitenkin aikaan ABC-ilmiön vain suurella annoksella (5 μmol/kg) eivätkä pienemmällä lipidin annoksella 0,001 μmol/kg .

Kationisen lipidin dimetyylidioktadekyyliammoniumia (DDA) on myös käytetty kationisten liposomien muodostamiseen. Kationisten liposomien etuna on parempi solujen hyväksikäyttö, mutta samalla kationinen luonne rajoittaa myös niiden käyttöä ei-toivotun toksisuuden vuoksi. Yusuf et al. kehittivät uudenlaisen lyofilisoidun liposomin yhdistämällä sekä kationisen lipidin DDA että TPGS . Näiden liposomien solujen sisäänotto parani, koska nanohiukkaset liukastuivat liman läpi TPGS:n läsnäolon ja kationisen lipidin ja negatiivisesti varautuneen nenän limakalvon välisen sähköstaattisen vetovoiman ansiosta. Kationiset liposomit sitoutuvat myös anionisen DNA:n kanssa ja muodostavat neutraalin järjestelmän, joka tunnetaan nimellä ”Lipoplex” geenin kuljettamista varten.

Liposomimuodostelmiin, joissa on PL:iä, on myös lisätty kolesterolia kalvoja stabiloivana lisäaineena. Kolesterolin läsnäolo lipidikaksoiskerroksessa parantaa liposomien vakautta ja vähentää myös kaksoiskerroksen läpäisevyyttä. Tämä kaksoiskerroksen läpäisevyyden muutos johtaa kapseloidun lääkeaineen vuodon vähenemiseen verenkierron aikana.

Hu et al. valmistivat hybridi-nanohiukkasia yhdistämällä 1,2-dioleoyyli-3-trimetyyliammoniumpropaanin (DOTAP) liposomeja ja PLGA:ta eri kolesterolipitoisuuksilla . Kolesterolin läsnäolo edisti nanohiukkasten välistä sulautumista, ja hyvin suurina pitoisuuksina se voi myös hidastaa antigeenin vapautumista. Lisäksi nanohiukkasten sulautuminen varastoinnin aikana estettiin PEGyloimalla DSPE-PEG:llä. Liposomeja voidaan myös muokata erityyppisiksi lisäämällä tietty lisäaine, kuten etosomeja, kubosomeja jne. PL:ää voidaan käyttää myös emulgointiaineena nanoemulsiovalmisteissa. Intralipid oli ensimmäinen turvallinen ravitsemuksellinen laskimonsisäinen rasvaemulsio, joka sisältää kananmunan fosfolipidejä emulgointiaineena. EP:n lisäksi kananmunalesitiiniä käytetään myös nanoemulsioiden emulgointiaineena. Luonnollinen lesitiini voi kuitenkin muuttua myös lysofosfolipideiksi, jotka voivat aiheuttaa hemolyysiä laskimoinjektion jälkeen. Lenzo et al. raportoivat erilaisten PL:ien, kuten EPC:n, dioleoyylifosfatidyylikoliinin (DOPC), dimyristoyylifosfatidyylikoliinin (DMPC), 1-palmitoyyli-2-oleoyylifosfatidyylikoliinin (POPC) ja DPPC:n emulgointikäyttäytymisestä. He havaitsivat erityyppisen aineenvaihduntareitin eri PL-yhdisteille. DPPC:tä sisältävien emulsioiden eliminaationopeus oli hitain, koska sekä lipoproteiinilipaasi-välitteinen hydrolyysi että suuren tiheyden lipoproteiinien assosiaatio puuttuivat. Lisäksi sfingomyeliinien läsnäolo nanoemulsiossa voi myös pidentää kiertoaikaa ja vähentää imeytymistä maksaan. Sfingomyeliinit ovat myös tärkeä osa lipoproteiinien pintaa ja estävät apolipoproteiini E:n sitoutumista emulsioon ja vähentävät myös lipoproteiinien lipaasivälitteistä hydrolyysiä . Lisäksi munan PL:n ja synteettisten pinta-aktiivisten aineiden, kuten pluroni F68:n, yhdistelmää on myös pidetty suositeltavana. Tran et al. tutkivat myös SPC:n sisällyttämisen vaikutusta SEDDS:ään. He havaitsivat pisarakoon kasvavan SPC:n läsnä ollessa, mutta biosaatavuudessa havaittiin merkittävää vaihtelua .

Amfifiilisen luonteensa vuoksi PL:t voivat myös muodostaa mikkeleitä tietyllä CMC-arvolla tai sen yläpuolella. PC:n ja sappisuolan yhdistelmä voi muodostaa sekamikkelijärjestelmän, joka toimii jakelujärjestelmänä kapseloimalla huonosti liukenevia lääkkeitä . Vaikka PC on yleensä veteen liukenematon, sappisuolojen kanssa sekoitetut mikkelit muodostavat kirkkaan liuoksen ja edistävät lipofiilisten lääkkeiden adsorptiota. Samoin SPC:hen ja glykokolihappoon perustuvilla sekamikelleillä on parempi stabiilisuus ja yhteensopivuus, ja niitä on kaupallisesti saatavilla Valiumina ja Konakionina . PE- ja PEG-seokset voivat myös muodostaa liposomien sijasta steriilisti stabiloituja mikkeleitä, jos niiden pitoisuus ylittää tietyt rajat. Pinnalla oleva PEG-jäännös voi estää MPS:n imeytymisen, ja PL-sydän voi antaa SMM:lle stabiliteetin. Myös SMM:n kiertopuoliintumisaikaa voidaan lyhentää korvaamalla DSPE lipidikomponenttina DOPE:lla. SMM:n liukenemiskyky on kuitenkin rajallinen huonosti veteen liukeneville lääkkeille. EPC:n optimaalisen osuuden lisääminen PE-PEG SMM:ään voi lisätä liukenemispotentiaalia.

Vähäisillä lääkkeillä, kuten flavonoideilla, on erityinen affiniteetti fosfolipideihin, ja ne voivat muodostaa komplekseja, jotka tunnetaan myös nimellä fytosomit . Näillä PL- ja lääkekomplekseilla on parempi imeytyminen GI-kalvon läpi, mikä parantaa peruslääkkeen biologista hyötyosuutta. Lääkeaineiden stabiilisuus paranee myös kompleksimuodossa, jolloin lääkeaineen vaikutus pitenee.

Turk et al. kehittivät HLPN:iä hydrofobisen lääkeaineen toimittamiseksi käyttäen DSPE-PEG:tä ja PLGA:ta. PLGA muodosti hydrofobisen ytimen, johon hydrofobinen lääke sitoutuu, ja DSPE muodostaa kuoren ytimen ympärille . Vastaavasti SPC:tä käytetään myös nanokuoren muodostamiseen PLGA-ytimen ympärille metotreksaatin levittämiseksi. PL:n läsnäolo HLPN:n pinnalla voi jäljitellä biologista kalvoa ja auttaa tunkeutumaan sen läpi paremmin. Toinen HLPN-tyyppi, jossa on mukana PL-yhdisteitä, on PL-kapseloidut mesoporiset piidioksidi-nanohiukkaset . Zhang et al. kehittivät tällaisia nanohiukkasia, joiden ydin on mesoporista piidioksidia lääkkeiden kapseloimiseksi kationisen PL:n ympäröimänä, mikä mahdollistaa lääkkeen pitkäaikaisen vapautumisen . He kiinnittivät uloimpaan pintaan myös toisen kerroksen negatiivisesti varautunutta karboksimetyylikitosaania, joka säätelee lääkkeen pH-riippuvaista vapautumista. Zhang et al. kehittivät myös HLPN:iä, joissa on mesoporinen piidioksidiydin, johon on ladattu doksorubisiinia, ja peittivät sen lämpöön reagoivalla PL-kerroksella, joka sisältää DPPC/DSPC/kolesterolia/DSPE-PEG . Tämä HLPN-järjestelmä estää lääkkeen ennenaikaisen vapautumisen mesoporisesta piidioksidista ja vapauttaa lääkettä nopeammin vain pH 5:ssä verrattuna pH 7,4:ään.