Μελέτη υλικών βιολογικού ενδιαφέροντος μέσω προηγμένων φασματοσκοπικών τεχνικών
Authors: Αγγελοπούλου Αθηνά 
Published: August 2021

Σήμερα η μελέτη των βιοϋλικών προσανατολίζεται σε δύο κατευθύνσεις, την ανάπτυξησυστημάτων μεταφοράς φαρμάκων και συστημάτων κατάλληλων να διεγείρουν κυτταρικέςλειτουργίες. Η έρευνά μας έχει σχέση με την συγκριτική μελέτη συστημάτων μεταφοράςφαρμάκων κατάλληλων για εφαρμογή σε οστικούς καρκίνους. Τέτοιου είδους συστήματα θαπρέπει να επιδεικνύουν δύο σημαντικές λειτουργικότητες, αρχικά να είναι ικανά μέσωφόρτισης ή επιφανειακής τροποποίησης να μεταφέρουν τα φαρμακευτικά μόρια στην περιοχήτου οστικού καρκίνου και στη συνέχεια να μπορούν να επάγουν οστεογένεση. Η δεύτερηλειτουργικότητα είναι ιδιαιτέρως σημαντική καθώς έχει σαν αποτέλεσμα την πλήρωση τουοστικού ελλείμματος που προκαλείται από την δράση των καρκινικών κυττάρων. Ταβιοενεργά ξηρά πηκτώματα προσφέρουν ουσιαστικά πλεονεκτήματα λόγω της ικανότηταςτους να δημιουργούν ισχυρό δεσμό με τον περιβάλλοντα οστικό ιστό. Ωστόσο, συγκριτικά μετα μακροσκοπικά ξηρά πηκτώματα οι βιοενεργές νανόσφαιρες προσφέρουν σημαντικάπλεονεκτήματα λόγω των βελτιωμένων ιδιοτήτων τους στην μεταφορά φαρμάκων και τηςικανότητάς τους να καλύπτουν οστικές ελλείψεις ακανόνιστης γεωμετρίας (μεγέθους καισχήματος).Για τον σκοπό αυτό στην παρούσα διδακτορική διατριβή επιλέχθηκαν χαρακτηριστικέςβιοενεργές υαλώδεις συστάσεις προκειμένου να μελετηθεί η μετατροπή τους σε νανοκλίμακακαι η περαιτέρω εφαρμογή τους σε συστήματα μεταφοράς φαρμάκων. Ιδιαίτερης σημασίας γιατην επιλογή των συστάσεων αποτέλεσε ο ρόλος του φωσφορικού περιβάλλοντος στηνδημιουργία δεσμού με το οστό. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε η ex vitro μελέτη τουπεριβάλλοντος φωσφόρου σε βιογυαλιά 45S5 μέσω φασματοσκοπίας 31P MAS NMR σεσυνδυασμό με 1H-31P CP MAS NMR. Τα φάσματα NMR πιστοποιούν ότι το περιβάλλον 31Pτων βιογυαλιών 45S5 και το επαγόμενο επιφανειακό στρώμα σε προσομοίωση φυσιολογικώνυγρών (simulated body fluid, SBF) αποτελούνται από μόρια νερού και ομάδες ΟΗ, τα οποίαπρωταρχικά σχετίζονται με ένα άμορφο επιφανειακό στρώμα φωσφορικού ασβεστίου καιδευτερευόντως με τα συστατικά φωσφορικού ασβεστίου (CaP) της υαλώδους δομής.Επιπλέον, η επιβεβαίωση της παρουσίας του άμορφου στρώματος CaP προήλθε από το εύροςστο ήμισυ της κορυφής, το οποίο είναι σημαντικά πιο ευρύ από το σήμα που παρουσιάζει ονανο-κρυσταλλικός υδροξυαπατίτης (hydroxyapatite, HA) και είναι χαρακτηριστικό τηςπαρουσίας άμορφης ορθοφωσφορικής φάσης. Ουσιαστικά οι πληροφορίες που λάβαμε έδειξαντην σημαντική συμμετοχή του φωσφορικού περιβάλλοντος από τα πρώτα στάδια σχηματισμούαπατίτη με επακόλουθο η παρουσία του να συνεισφέρει στην ανάπτυξη HA και την περαιτέρωοστεογένεση.Στη συνέχεια, διερευνήθηκε η ικανότητα του υαλώδους δικτύου να μεταφέρει φαρμακευτικάμόρια μέσω παραδοσιακών συστημάτων μεταφοράς. Συνεπώς, ακολούθησε η ex vitro μελέτη pH-ευαίσθητων τροποποιημένων πυριτικών ξηρών πηκτών στα οποία είχε συνδεθεί τοαντικαρκινικό φάρμακο δοξορουπμυσίνη (doxorubicin, DOX). Συγκεκριμένα, πυριτικά ξηράπηκτώματα συντέθηκαν με την μέθοδο sol-gel και τροποποιήθηκαν περαιτέρω με χημείακαρβοδιϊμιδίου. Η τροποποίηση είχε σαν αποτέλεσμα την επιφανειακή σύνδεση υδροπηκτώνδεξτράνης που παρουσιάζουν ευαισθησία στο pH. Επιπλέον, το αντικαρκινικό φάρμακοδοξορουμπισίνη συνδέθηκε μετά από ένα δεύτερο στάδιο καρβοδιϊμιδικής σύζευξης.Αντικείμενο της μελέτης αποτέλεσε η βιοενεργότητα των τροποποιημένων ξηρών πηκτών, σεσυνδυασμό με την δυνατότητα αποδέσμευσης του φαρμακευτικού μορίου σε όξινο και σεουδέτερο pH. Σύμφωνα με την μελέτη σε SBF, σχηματισμοί απατίτη εμφανίσθηκαν μετά από7 ημέρες και είχαν μορφολογία νιφάδας. Επιπλέον, η αποδέσμευση της DOX σε όξινοπεριβάλλον μπορεί πιθανότατα να αποδοθεί στον σχηματισμό εστερικών δεσμών ευαίσθητωνσε αυτό το περιβάλλον. Συνεπώς, η επιφάνεια των παραπάνω ανόργανων συστημάτων μπορείνα τροποποιηθεί οργανικά με σκοπό την στόχευση στην θεραπεία του καρκίνου του οστούόπου απαιτείται η αποδέσμευση του φαρμάκου με την ταυτόχρονη αναγέννηση οστού.Αφού διερευνήθηκαν οι βέλτιστες ιδιότητες των παραδοσιακών συστημάτων μεταφοράςακολούθησε η σύνθεση των ανόργανων βιοενεργών νανοσφαιρών. Οι συστάσεις οι οποίεςμελετήθηκαν αποτελούνται από διμερή πυριτικά SiO2 - CaO, SiO2 - MgO, SiO2 - Na2O,τριμερή SiO2–CaO-Na2O, SiO2 - P2O5 - CaO, SiO2-P2O5-Na2O και τετραμερή SiO2-P2O5-CaONa2Oσυστήματα. Για την σύνθεση των υαλωδών νανοσφαιρών με εσωτερική κοιλότηταακολουθήθηκε η διαδικασία επικάλυψης sol-gel, κατά την οποία έγινε η ηλεκτροστατικήεπικάλυψη νανοσωματιδίων πολυστυρενίου με αποτέλεσμα την σύνθεση ανόργανωνπυριτικών και φωσφοπυριτικών νανοσφαιρών. Προκείμενου να διερευνηθεί η βέλτιστηδιαδικασία σύνθεσης, μελετήθηκαν διάφοροι παράμετροι επικάλυψης όπως η αναλογίαH2O:EtOH, η ποσότητα των πρόδρομων ενώσεων καθώς επίσης η ποσότητα τουυποστρώματος. Επιπλέον, μετά την επεξεργασία σε οργανικά διαλύματα παρατηρήθηκε 30 %απομάκρυνση του πυρήνα πολυστυρενίου (PS). Λόγω του ποσοστού PS που παρέμεινε,μελετήθηκε η εφαρμογή του συμπολυμερούς του πολυμεθακρυλικού μεθυλεστέρα –υδρομεθακρυλικού προπυλεστέρα (PMMA-co-HPMA) ως υποστρώματος καθώς το PMMAαποτελεί βασικό συστατικό των οστικών τσιμέντων και παρουσιάζει βελτιωμένες μηχανικέςιδιότητες. Η χρήση νανοσωματιδίων PMMA-co-HPMA είχε σαν αποτέλεσμα τον διαχωρισμόφάσης του TEOS ο οποίος συντελείται κυρίως στην διεπιφάνεια των νανοσωματιδίων PMMAco-HPMA.Μετά την διαδικασία επικάλυψης οι υβριδικές νανόσφαιρες εμφανίζουν μικρότερηδιάμετρο από τα αρχικά νανοσωματίδια PMMA-co-HPMA. Ακολούθησε η τροποποίηση τωνPMMA-co-HPMA/SiO2 νανοσφαιρών με σκοπό την βελτιστοποίηση της μορφολογίας και τηςλειτουργικότητας του πυριτικού δικτύου. Η μορφολογία καθορίζει την έκταση τηςδιεπιφάνειας μεταξύ του συστήματος μεταφοράς φαρμάκου και των προσομοιωμένωνφυσιολογικών υγρών με αποτέλεσμα να μπορεί να επηρεάσει την ικανότητα αποδέσμευσηςτου φαρμάκου. Για τον σκοπό αυτό, οι πυριτικές νανόσφαιρες τροποποιήθηκαν περαιτέρω με3-αμινοπροπυλ-τριαiθοξυ-εστέρα του πυριτικού οξέως (3-aminopropyltriethoxysilane,APTES).Προκειμένου να ολοκληρωθεί η συγκριτική μελέτη μας, ακολούθησε η ex vitro ανάλυση τωνπαραπάνω υβριδικών διμερών πυριτικών, τριμερών και τετραμερών φωσφοπυριτικών νανοσφαιρών καθώς επίσης των πυριτικών νανοσφαιρών PS και PMMA-co-HPMA. Ηεπώαση σε διάλυμα SBF οδήγησε στον σχηματισμό ανθρακικού πυριτικού υδροξυαπατίτη (SiHCA)με το μέγεθος των κρυσταλλιτών να μην υπερβαίνει τα 45 nm και η επιφανειακήμορφολογία να χαρακτηρίζεται από την έντονη παρουσία συσσωματωμάτων. Επιπλέον, οιυβριδικές νανόσφαιρες PS και PMMA-co-HPMA αποτελούν μια διακριτή περίπτωση όπουπυριτικές συστήματα μηδενικής περιεκτικότητας ασβεστίου εμφανίζουν βιοενεργές ιδιότητες.Χαρακτηρίζονται από τον σχηματισμό ανθρακικού πυριτικού υδροξυαπατίτη (Si-HCA) με τομέγεθος των κρυσταλλιτών να μην υπερβαίνει τα 50 nm και με βελονοειδή γεωμετρία.Βέλτιστες ιδιότητες βιοενεργότητας παρουσιάζουν οι τροποποιημένες με αμίνες υβριδικέςνανόσφαιρες PMMA-co-HPMA/SiO2 – APTES, οι οποίες έχουν επίσης την δυνατότητα ναχρησιμοποιηθούν ως μεταφορείς φαρμακευτικών μορίων σε όξινο καθώς επίσης και σεφυσιολογικό pH με παρατεταμένη δυνατότητα αποδέσμευσης. Η σύνθεση και τροποποίησητων υβριδικών πυριτικών νανοσφαιρών έχει σαν αποτέλεσμα σύγχρονα συστήματα κατάλληλαγια την μεταφορά φαρμακευτικών μορίων με στόχευση σε καρκίνο του οστού.