Photoactive cyclodextrin derivatives for drug delivery
Authors: Παναγιωτάκης Στυλιανός 
Published: June 2022

Στα πλαίσια αναζήτησης κατάλληλων φωτοευαισθητοποιητών με χημικές λαβές για τη διευκόλυνση της ενσωμάτωσής τους σε σύνθετα νανοσυστήματα χορήγησης φαρμάκου, συντέθηκαν νέα παράγωγα meso-τετραφαινυλοπορφυρίνης (TPP) και meso-τετρα(m-υδροξυφαινυλο)πορφυρίνης (mTHPP), μονο-υποκατεστημένα, αδιάλυτα στο νερό και φέρουν μία καρβοξυάλκυλο αλυσίδα (TPPOCOOHCx). Βρέθηκε ότι η περμεθυλ-β-κυκλοδεξτρίνη (pMβCD) ήταν ιδανικός ξενιστής μονομερισμού και εξαιρετικά αποτελεσματικός στη μεταφορά των φωτοευαισθητοποιητών στο νερό. Εντοπίστηκαν νέοι τρόποι οργάνωσης των εξαιρετικά σταθερών συμπλόκων εγκλεισμού (Kbinding > 1012 M-2) με στοιχειομετρία 2:1. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι τα σύμπλοκα είναι φωτοσταθερά και έπειτα από 24 ώρες δεν αποσυναρμολογούνται στο θρεπτικό υλικό κυτταρικής καλλιέργειας που περιέχει βόειο εμβρυϊκό ορό (FBS). Η επώαση των κυττάρων καρκίνου του μαστού MCF-7 με τα σύμπλοκα εγκλεισμού, έχει ως αποτέλεσμα έντονο ενδοκυτταρικό φθορισμό, ισχυρά ενισχυμένο στο ενδοπλασματικό δίκτυο (ER). Τα σύμπλοκα παρουσιάζουν υψηλή απόδοση φωτοτοξικότητας (~90%) και χαμηλή κυτταροτοξικότητα χωρίς ακτινοβολία. Συνολικά, η pMβCD ξεχωρίζει ως ένας πολύ ικανός μοριακός απομονωτής μονο-καρβοξυαλκυλο-αρυλοπορφυρινών που αυξάνει την πρόσληψη και ρυθμίζει τον εντοπισμό τους στα κύτταρα. Οι πιο αποτελεσματικές πορφυρίνες μπορούν να θεωρηθούν ως κατάλληλοι φωτοευαισθητοποιητές που μπορούν να συνδεθούν με βιοσυμβατούς φορείς φαρμάκων για εφαρμογές φωτο- και χημειοθεραπείας και αυτό επιδιώχθηκε στη συνέχεια.Με στόχο την ανάπτυξη φωτοδραστικών συστημάτων υψηλότερης πολυπλοκότητας και λειτουργικοτητας, οι παραπάνω καρβοξυαλκυλο-πορφυρίνες (TPPΟCOOHCx) συνδέθηκαν με β-κυκλοδεξτρίνη (βCD) μέσω αλειφατικών γεφυρών μεταβλητού μήκους (2, 5 και 11 άτομα C) αποδίδοντας τρία νέα συζεύγματα (TPPOCNHbCx). Ο στόχος ήταν να αξιοποιηθεί ο ισχυρά αμφίφιλος χαρακτήρας των συζευγμάτων για την κατασκευή φωτοευαισθητοποιητών-φορέων φαρμάκου, που μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε λειτουργικά προηγμένα νανοσυστήματα μεταφοράς. Βρέθηκε ότι όλα τα συζεύγματα αυτοοργανώνονται με παρόμοιο τρόπο, για να σχηματίσουν κυρίως πληθυσμούς νανοσωματιδίων(NPs) μεγέθους ~60 nm, όπως δείχθηκε με μια σειρά μεθόδων. Τα NPs παραμένουν σταθερά για τουλάχιστον 3 ημέρες σε διάλυμα PBS. Επιπλέον, τα NPs παρουσιάζουν παρόμοιες φωτοφυσικές ιδιότητες, ανεξάρτητα από το μήκος της αλειφατικής γέφυρας και κατά την ακτινοβόληση παράγουν 1O2 σε ρυθμούς συγκρίσιμους ή υψηλότερους μιας πορφυρίνης αναφοράς, ενώ εμφανίζουν επαρκή φωτοσταθερότητα. Κατά τον εγκλωβισμό επιλεγμένων αντικαρκινικών φαρμάκων, δηλαδή της κιτρικής ταμοξιφαίνης (TamCit) και γεμσιταβίνης (GEM), τα NP αυξάνονται έως και ~150 nm, λόγω της απομάκρυνσης των αλειφατικών γεφυρών που είχαν προηγουμένως αναδιπλωθεί πάνω από το στενό άνοιγμα της βCD. Η επώαση των NPs, είτε ως έχουν είτε αφού είχε προηγηθεί η αυτο-οργάνωσή τους παρουσία αντικαρκινικών με ανθρώπινα καρκινικά κύτταρα μαστού MCF-7, οδήγησε σε εικόνες συνεστιακού μικροσκοπίου με άφθονο, πολύ έντονο στικτό ενδοκυτταρικό φθορισμό, ο οποίος είναι ένδειξη εντοπισμού των συζευγμάτων σε μεμβράνες ενδοκυτταρικών κυστιδίων και συγκεκριμένα λυσοσωμάτων. Πειράματα συνεντοπισμού και ενδοκυτταρικής μεταφοράς ενέργειας συντονισμού κατά Förster (FRET) με λυσοσωμικό ιχνηλάτη επιβεβαιώνουν την επιλεκτική συσσώρευσή των NPs σε αυτά τα οργανίδια. Από την άλλη πλευρά, πειράματα με λιποσώματα δείχνουν ότι τα NPs μπορούν να ενσωματωθούν ως μονομερή σε τεχνητές μεμβράνες με τις κοιλότητες των βCD διαθέσιμες για εγκλεισμό ξενιζόμενων μορίων. Πειράματα φωτοτοξικότητας χρησιμοποιώντας κύτταρα MCF-7 που έχουν επωαστεί με NP με φαρμακευτικό φορτίο (TamCit και ένα παράγωγο Ν-αδαμάντυλο GEM) όχι μόνο εμφανίζουν υψηλή τοξικότητα (> 85 %) αλλά και τα κύτταρα παύουν να αναπτύσσονται για τουλάχιστον 48 ώρες, ενδεικτικό συνεργιστικής απελευθέρωση φαρμάκου και 1Ο2 με τη δράση φωτός και μια εκδήλωση φωτοχημικής ενσωμάτωσης (PCI). Τα πιο αποτελεσματικά συζεύγματα (γέφυρες C2 και C5) είναι επομένως κατάλληλα για να επιτρέψουν την επιτυχή ενσωμάτωση μικρών χημειοθεραπευτικών μορίων σε πρωτόκολλα τεχνολογίας PCI.Η υπερμοριακή οργάνωση και η αυτο-οργάνωση είναι οι πυλώνες της λειτουργικότητας πολλών νανοσυστημάτων. Το ομοιοπολικό σύζευγμα (6-σπειρολακταμική ροδαμίνη Β-6-μονοδεοξυ)-β-κυκλοδεξτρίνη (Rho-βCD) συγκροτείται ως αυτοσυμπεριλαμβανόμενη, άκαμπτη νανοδομή, πανομοιότυπη στον κρύσταλλο και σε υδατικό διάλυμα, όπως αποκαλύπτεται από λεπτομερείς αναλύσεις με κρυσταλλογραφία ακτίνων X και φασματοσκοπία NMR. Το αυτο-οργανωμένο παράγωγο Rho-βCD είναι το αποτέλεσμα ενός ενδιαφέροντος μονοπατιού αντίδρασης, η οποία αποσυσσωματώνει εν μέρει τη Rho και διαταράσσει την ισορροπία αμφιτεριόντος↔σπειρολακτόνης. Το Rho-βCD όχι μόνο είναι σταθερό σε pH 4.6, αλλά επίσης εμφανίζει ελεγχόμενη φωτοεναλλαγή μεταξύ της έγχρωμης, φθορίζουσας, αμφιτεριονικής και άχρωμης, μη φθορίζουσας κλειστής δομής, κατά τη διάρκεια αρκετών επαναληπτικών κύκλων. Μετά από μια αρχική πτώση της απορρόφησης, η διαδικασία on-off συνεχίζεται χωρίς περαιτέρω αλλαγές υπό τις συνθήκες ακτινοβόλησης, συνέπεια της συγκεκριμένης αυτό-κλειδωμένης διάταξης της Rho στην κοιλότητα. Το Rho-βCD αποτελεί παράδειγμα ενός υδατοδιαλυτού φωτοευαίσθητου νανοσυστήματος με βελτιωμένη φωτοσταθερότητα, υποδηλώνοντας πολλά υποσχόμενες εφαρμογές στη βιοαπεικόνιση υψηλής ανάλυσης.