Lipit esaslı liyotropik sıvı kristallerin beyne ilaçhedeflendirmede nanotaşıyıcı olarak kullanımı ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of lipid based lyotropic liquid crystals as nanocarrier in brain targeted drug delivery
Yazar: RÜYA ATLIBATUR
Danışman: PROF. DR. YEŞİM GÜRSEL ; DOÇ. DR. FATEMEH BAHADORI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Günümüzde nörodejeneratif hastalıkların tedavisinde kullanılan ilaçların çeşitli sınırlamaları ve beraberinde pek çok yan etkisi bulunmaktadır. Dolayısıyla ilaçların sadece ilgili patolojik bölgede etki göstermesini sağlamak önemli hedeflerden biri haline gelmiştir. Ancak beyne ilaç hedeflendirme çalışmalarında karşılaşılan en önemli problem kullanılan ilaçların "Kan-Beyin Bariyeri"ni (KBB) geçememeleri olup burnumuzun arka kısmında KBB bulunmamaktadır. Bu yüzden intranazal ilaç taşıma sistemleri beyne ilaç taşımak için oldukça kullanılmaktadır. Özellikle, nanoteknoloji'nin bu alanda gelişmesiyle birlikte tedavinin etkinliğini arttırmak amacıyla çeşitli ilaç taşıma sistemleri ortaya çıkmış olup sıvı kristallerin nanotaşıyıcı olarak kullanımı amfifilik yapıdaki liyotropik türler ile ön plana çıkmıştır. Polar uç grup ve apolar uzun zincir içeren bu moleküller kendiliğinden bir araya gelip bağ oluşturma (self assembly) özelliğine sahiptir. Liyotropik sıvı kristallerin sentezlenmesi ve karakterizasyonuna yönelik çalışmalar beyne hedeflenen ilaç taşıma sisteminin ana çekirdeğini oluşturmaktadır. Dolayısıyla bellek güçlendirici molekülün yüklenmesi ve beyne taşınması sentezlenen bu yapıların ideal morfolojik özelliklere sahip olmasına bağlıdır.
Moleküllerin yönlenmeleri mezofaz (literatürde sınıflandırma liyotropik sıvı
kristaller için genel olarak lamelar, hekzagonal ve kübik faz şeklinde) oluşumlarını
etkilemektedir. Lamelar fazda olan moleküller tek boyutlu, hekzagonal olanlar iki
boyutlu ve kübik olanlar üç boyutludur. Yüzey alanlarının genişliği, yapı
kararlılıkları ve ilaç salımı konusunda yapılan çalışmalardaki üstünlükleri baz alındğı
üzere hekzagonal ya da kübik yapıdaki liyotropik sıvı kristaller daha fazla tercih
edilmektedir.
Lipit esaslı liyotropik sıvı kristaller polar ve apolar gruplar içeren amfifilik yapıda
yani kendiliğinden bir araya gelip yönlenme özelliğine sahip bileşiklerdir. Böylelikle,
sulu çözelti ortamında polar gruplar bir araya gelirken uzun kuyruklu yüzey aktif
maddenin bulunduğu bir ortamda apolar grupların bir araya gelmesi ve kolaylıkla
misel oluşturmaları mümkün olacaktır. Diğer yandan bu mezofaz türleri hücre
membranlarını oluşturan fosfolipitlerde de gözlenmekte olduğundan buradan
geçişleri kolay olan biyouyumlu ve toksik olmayan bu yapılar nanotaşıyıcı
sistemlerde hayli kullanılmaktadır.
Kürkümin doğada kolay bulunmasının yanı sıra beyne pek çok faydasının olduğu
bilinen ve bu yüzden bellek güçlendirici şekilde nitelendirilen ve zerdeçal bitkisinden
elde edilen bir bileşendir. Kürküminin apolar karakterinin fazla olmasından kaynaklı
sudaki çözünürlüğünün çok düşük oluşu ve dolayısıyla vücutta az emilmesi
kürküminden maksimum verim alınabilmesi için taşıyıcı kullanımının gerekliliğini
ortaya koymuştur. Bu amaçla çeşitli nanoformülasyon sistemleri geliştirilmiş ve kürküminin beyne iletimi farklı yollardan sağlanmıştır. Lipit esaslı nanotaşıyıcıların
kürkümin ile olan etkileşimlerinin bu anlamda iyi sonuçlar verdiği belirlendiğinden
literatürde kullanımı hızlı şekilde artmış ve oldukça çalışmaya konu olmuştur.
Bu tez çalışmasında biri sentezlenen diğeri hazır alınan iki farklı lipit esaslı
liyotropik sıvı kristal nanoformülasyonların hazırlanmalarında kullanılmıştır.
Sentezlenen ürün ile literatürde daha önce çalışma yapılmadığı araştırıldığı kadarıyla
tespit edilmiş olmakla birlikte bu yapının aydınlatılarak detaylı analizleri yapılmış ve
neticesinde yine deneysel çalışmalarla belirlenen uygun yüzey aktif madde ortamında
nanotaşıyıcı sistem oluşturulduktan sonra sprey yapımına hazır hale getirilmiştir.
Hazır alınan bileşikler ile elde edilen nanoformülasyonlar için de farklı teknikler
kullanılmıştır. Literatürde GDB (Gliseril dibehenat) ve GMS (Gliseril mnostereat)
karışımı ile nanoformülasyon hazırlanmadığı tespit edilerek bu yapıların uygun
koşullarda misel oluşturmaları sağlanmıştır, ancak tanecik boyutları stabil olmaması
nedeniyle sprey tasarımında kullanılmamışlardır. İleri teknik ve tetkiklerle
geliştirilebileceği ön görülmektedir. Diğer yandan sentezlenen lipit ile yapılan
nanoformülasyon çalışmaları sonucunda DLS (Dinamik ışık saçılımı) analizlerinde
tespit edildiği üzere 100 nm'nin altında nanopartiküller elde edilmiş ve yapıların
SAXS (Küçük Açılı X Işını Saçılması) analizlerinde kübik ve hekzagonal ağırlıklı
olduğu belirlenmiştir. Optimum koşulları sağlayan nanoformülasyon çözeltisi ile
yapılan sprey çalışmaları olumlu sonuçlar vermiş ve in vivo-in vitro çalışmalarının
tamamlanmasıyla ticarileşme anlamında ürünün umut vadettiği saptanmıştır.

Abstract:
Nowadays, drugs used for neurodegenerative diseases treatment have certain
limitations and side effects. Therefore, providing that drugs act in the relevant
pathological region has become one of the important aims. However, one of the most
significant problems in the studies about brain targeting drugs is that those drugs
couldn't pass Blood-Brain-Barrier (BBB), on the other hand, there is no BBB in the
back of human noses. Hence, intranasal drug delivery systems are frequently utilized
for brain drug delivery. In particular, miscellaneous forms of drug delivery
techniques have emerged in order to increase the effectiveness of treatment with the
development of nanotechnology in this field and the use of liquid crystals as
nanocarriers has come to fore with amphiphilic lyotropic species. Those species have
self assemble structure including polar end groups and apolar long chains. Synthesis
and characterization of lyotropic liquid crystals are main core of the nanoformulation
system especially considering of brain drug targeting. In this manner, it is ultimately
significant to produce ideal morphological nanocarrier medium by loading active
molecules and deliver it to the brain. Several parameters should be taken into
account that effect structure of the lyotropic liquid crystals formation and
nanoformulation such as pH, concentration, surfactant interactions, temperature and
chemical bound interactions so on.
Molecular orientation can alter depending on the mesophases of lyotropic liquid
crystal species. Generally, lyotropic liquid crystals have classified as lamellar,
hexagonal and cubic according to mesophases. Lamellar form has one dimensional
structure, hexagonal form has two dimensional structure and cubic form has three
dimensional structure. Cubic and hexagonal liquid crystals are very popular due to
high surface area, structure stability, drug release superiority with great
encapsulation efficiency and pharmacokinetic features regarding non-lamelar
frameworks. In recent years, with development of nanotechnological studies,
especially fatty acid based nanoforms of them are utilized for drug delivery system
due to biocompatible and biodegradable aspects.
Lipid based lyotropic liquid nanocrystals are produced with amphiphiles (commonly
monoglyceride) and convenient surfactants or stabilizers also additives such as
hydrotropes depending on the lipid-surfactant interactions. Structural analysis can be
provided by certain characterization techniques which are generally DLS (Dynamic
Light Scattering) for size analysis, IR (Infrared) spectroscopy and NMR Nuclear
Magnetic Resonance spectroscopy for qualitative analysis, POM (Polarized Optical
Microscopy) for crystallographic analysis visually, Cryo-TEM (Cryogenic Electron
Microscopy) for crystallographic and computational analysis and SAXS (Smallangle X-ray Scattering) which is the most powerful technique for detecting of lyotropic liquid nanocrystal mesophases. Almost every study about lyotropic liquid nanocrystal for drug delivery contains SAXS analysis in terms of describing of structural units and then determining convenient designation of nanoformulations according to targeted tissue.
Lipid based lyotropic liquid nanocrystals are self assemble structures and include
amphiphilic molecules carrying polar and apolar groups. Therefore, micellization
occurs in simple way that polar groups are surrounded by water molecules in
aqueous medium whereas apolar tail avoids water molecules and getting packed
towards their surface then miceller form occurs. Besides, cell membranes make up of
phospholipids and it may form lyotropic liquid nanocrystals so lipid based based
lyotropic liquid nanocrystals makes transition of those molecules easier from the cell
membranes. In this aspect, lipid based lyotropic liquid nanocrystals which have
biocompatible and non toxic structures are utilized as nanocarriers. In literature,
GMO (Glyceryl monooleate) and phytantriol compound are most popular used lipids
due to having non-lamelar mesophases and they also form reverse bicontinuous
micellar structures that it provides certain benefits to nanformulation systems in
terms of stability, sustained and controlled release.
Curcumin is a constituent easily found in nature gaining from turmeric plant and
which is also known to have many benefits and that is why it is described as memory
enhancer. Curcumin doesn't dissolve in water because of the hydrophobic parts and
isn't absorbed in human body efficiently. It requires nanocarriers usage to get
maximum efficiency from curcumin as memory enhancer. Providingly, diverse
nanoformulation systems were developed and transmission of curcumin to the brain
was achieved through different pathways. Since, lipid based nanocarriers and
curcumin interactions were provided good results, usage of those systems increased
rapidly in literature.
In this study, two different lipid based lyotropic liquid crystal nanoformulation
systems which are based on synthesized lipid and purchased materials was prepared
for brain targeted drug delivery to be given intranasal way. Synthesized product for
the first time was utilized in literature according to our investigations and in this
case, it required more characterization studies for clarification of the structure that
experimental studies were conducted and accomplished. Then, nanoformulation
systems for nose spray implementation were designed with convenient surfactant by
loading curcumin. Purchased materials were used in nanoformulation systems with
different techniques. GDB (Glyceril dibehenate) and GMS (Glyceril monostereate)
mixtures haven't been used so far according to our investigations as lyotropic liquid
crystals nanoformulation. Therefore, these structures were enabled to form micelles
under suitable conditions. However, nanoformulations obtaining from these mixtures
weren't used in nose spray design due to instability of the nanoparticles sizes. It is
considered that it can be improved with advanced techniques and examinations. On
the other hand, according to DLS analysis results of the nanoformulation studies with
synthesized lipid, under 100 nm nanoparticles were obtained and SAXS analysis
results indicated that cubic and hexagonal structures existed in the formulation
predominantly. Nose spray studies were conducted with the nanoformulation
providing optimum conditions and it observed clearly that spray formulations were
prepared as fluid enough in mucoadhesive way.
It is consider that nanoformulation system works to release the curcumin at body
temperature. Providing with the completion of in vivo and in vitro studies, it was
determined that the product was promising in terms of commercialization.