Сравнительное исследование формирования гидрогелевых микросфер на основе различных пектинов и зеина кукурузы с модельным лекарством

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ______________________________________2013, том 56, №5__________________________________

БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 554.773.432:547.962.7:547.488.88

Г.Ф.Касымова, З.К.Мухидинов, С.Халикова, А.С.Джонмуродов, Л.Ш.Лиу*

СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОГЕЛЕВЫХ МИКРОСФЕР НА ОСНОВЕ РАЗЛИЧНЫХ ПЕКТИНОВ И ЗЕИНА КУКУРУЗЫ С МОДЕЛЬНЫМ ЛЕКАРСТВОМ

Институт химии им. В.И.Никитина АН Республики Таджикистан,

Восточный региональный научно-исследовательский центр Госдепартамента США по сельскому хозяйству

Разработаны новые системы носителей лекарственных препаратов на основе пектинов различного происхождения и зеина кукурузы. Установлено, что степень насыщения лекарством отличается в зависимости от структурных особенностей пектиновых полисахаридов и способа формирования микросфер. Показано, что используя пектины различного происхождения, можно получать комплексы с определёнными характеристиками, с заданным составом, структурой и степенью насыщения лекарством.

Ключевые слова: пектин - зеин - микросферы - носители лекарственных препаратов.

В последние годы большое распространение получила новая технология доставки лекарственных веществ (ЛВ) на основе микрочастиц: гидрогели, микросферы, липосферы, наночастицы, эмульсии, которые являются модуляторами высвобождения адсорбированного лекарства. Разработка новых лекарственных форм в виде гидрогелевых микросфер, полученных на основе биодеградируе-мых полимеров природного происхождения, будет способствовать развитию новых направлений в фармацевтике. Лекарственные формы, встроенные в системы транспорта, устраняют многие недостатки существующих препаратов - низкую растворимость, быструю сорбцию в организме и способствуют повышению биодоступности и терапевтической эффективности лекарств, снижая их побочное действие. Данное направление открывает путь к созданию лекарственных форм нового поколения с улучшенными фармакокинетическими свойствами, в особенности для препаратов с ярко выраженной токсичностью (антибиотики, противовоспалительные, противотуберкулезные).

Задача настоящего исследования состояла в сравнительном изучении процесса получения и физико-химических характеристик микросфер в виде гидрогелей на основе зеина кукурузы и низко-метилированных (НМ) - пектинов различного происхождения с инкапсулированным модельным лекарственным веществом (ЛВ) - пироксикамом (РХ), с целью разработки носителей лекарственных препаратов, стойких к преждевременному высвобождению в верхней части желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). Предусматривалось также провести сравнительную оценку микросфер на основе пек-

Адрес для корреспонденции: Мухидинов Зайниддин Камарович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/2, Институт химии АН РТ. E-mail: zainy@mail.ru.

тина корзинок подсолнечника с микросферами, полученными [1] на основе пектина из других источников, в частности цитрусовых и яблок.

В предыдущих публикациях [1-3] нами было показано, что гидрогели на основе НМ-цитрусового и яблочного пектинов формируются посредством ионных поперечных связей металла с НМ-пектином, включение зеина в полимерную сетку происходит посредством перекрёстной сшивки, включая водородные связи и гидрофобные взаимодействия между белком и полисахаридом. Природа взаимодействия белков с полисахаридами зависит, прежде всего, от структуры биополимеров и условий среды. В зависимости от природы и свойств пектина гидрогелевые микросферы могут отличаться по структуре. Хорошо сформированные микросферы, в форме шариков, были нами получены с цитрусовым - НM-9 и высокометилированным яблочным - ВM-52 пектинами. Показано, что, регулируя содержание ионов металла (Ca+2, Zn+2), можно упорядочить гидрогелевую сетку и получать комплексы с оптимальной структурой, высокой степенью инкапсулирования ЛВ и контролируемым выходом в условиях ЖКТ [1-4].

В данной работе мы исследовали возможность применения пектина подсолнечника для получения композиции зеин/пектин с инкапсулированным ЛВ как системы доставки лекарств, а также провели сравнительную характеристику полученных гидрогелей с пектинами из других источников сырья.

Следует отметить, что в отличие от НМ-пектинов, выделенных из цитрусовых и яблок, пектин подсолнечника отличается наименьшей степенью полидисперсности, низкой молекулярной массой и преобладанием линейных гомогалактуронанов с небольшим количеством нейтральных сахаров, способных обеспечить оптимальную плотность поперечных сшивок, что в свою очередь приводит к нарушению баланса между эластичностью и желаемой прочностью полимерной композиции. За счёт большого количества поперечных сшивок с ионами двухвалентных металлов подсолнечный пектин способен образовывать более хрупкие гели. Высокое содержание карбоксильных групп будет способствовать сильному электростатическому взаимодействию с протеинами, что в свою очередь может привести к утрате гибкости и подвижности полимерной цепи. Плотность поперечных сшивок влияет на степень набухания, механическую прочность и эластичность полимерной цепи. Высокая плотность поперечных сшивок приводит к более высокой механической прочности, но при этом понижается эластичность и набухание, что может вызывать образование хрупких гелей [5]. Поэтому для эффективного использования гидрогелей на основе полисахарида и белков как носителей ЛВ необходимо контролировать образование поперечных сшивок.

Материал и методы

В данной работе использовали низкометилированный пектин (ППФ2), полученный из корзинки подсолнечника новым динамическим способом гидролиза [6], со следующими характеристиками: галактуроновая кислота (ГA) 59%; степень этерификации (СЭ) 26% и средневесовая молекулярная масса 180 кД, далее именуемый как ПП-26. Зеин выделяли из обезжиренной муки кукурузы по методу, описанному ранее [7]. В качестве модельного лекарства использовали нестероидный противовоспалительный препарат пироксикам (РХ). Зеин/пектиновые (З/П) комплексы формировались путём постепенного добавления раствора пектина к 75% спиртовому раствору зеина, содержа-

щему РХ, СаС12 или 2пС12, при комнатной температуре. Для получения комплексов готовили следующие растворы: зеин в 75% этаноле, пектин в дистиллированной воде и РХ в 75% этаноле. Сформированные комплексы центрифугировали при 6000 об./мин в течение 15 мин, маточники сливали, а осадки трижды промывали дистиллированной водой от непрореагировавших компонентов. Количество несвязанного в комплексы РХ определяли в маточнике и промывных водах на спектрофотометре при 355 нм. Из полученных данных рассчитывали количество РХ, инкапсулированного в комплексы. Для достоверности результатов также определяли содержание РХ в комплексах экстракцией буфером, содержащим: 100 мл 75% этанола, 0.4 г №ОИ и 0.5% Твин-20 при 370С из гидрогелей до и после их высушивания.

Результаты и их обсуждение

Для сравнительного исследования процесса формирования гидрогелевых микросфер использовали пектины: ВМ-яблочный, НМ- подсолнечный, НМ-цитрусовый и зеин кукурузы. В табл. 1 представлена характеристика исследуемых образцов пектинов.

Таблица 1

Характеристика пектинов, выделенных из различных источников сырья

Источник сырья Шифр пектина ГА, % СЭ, % м„, кД

Цитрусовый, вБШтОО, СР Ке1со ЦП НМ-9 69 9.0 212

Яблочный, Шахринау-85-1.8 ЯП НМ-38 58 38.0 118

Яблочный, Муминобад-120-2.0 ЯМ ВМ-52 65 52 134

Подсолнечный, ПП-85-2 ПП НМ-26 59 26.2 180

Сравнительная характеристика полученных гидрогелей: выход, степень набухания, содержание инкапсулированного РХ и количество несвязанного зеина в гидрогелях приведены в табл. 2.

Таблица 2

Выход продуктов в процессе формирования гидрогелевых микросфер на основе зеина и пектинов с

инкапсулированным РХ

Тип пектина Исходное содержание П/З П/З в геле Выход продуктов

Гидрогель, % Осадок Пектин несвязанный, %

осадок от массы гидрогеля, % зеин в осадке, %

ЦПНМ-9 Са2+ 0.67 0.74 57.36 17.83 83.34 24.0

ЦПНМ-9 ги2+ 0.67 0.53 75.97 13.95 65.22 9.5

ЯПНМ-38 Са2+ 0.77 0.77 87.18 8.85 73.92 3.6

япнм-38 ги2+ 0.77 0.76 92.32 4.94 78.95 2.1

ЯПВМ-52 Са2+ 1.00 0.38 36.36 - - 62.0

ЯПВМ-52 Са2+ 0.83 0.14 26.88 - - 72.0

ППНМ-26 ги2+ 0.83 0.51 60.87 - - 39.0

ппнм-26 ги2+ 0.67 0.44 65.38 - - 34.0

Из данных табл.2 следует, что с высоким выходом формировались микросферы с НМ-яблочным пектином (87-92%) и с низким выходом микросферы с НМ-цитрусовым пектином (55-

72%). В процессе формирования гидрогелей часть зеина (13.9-17.8%) была вытеснена из реакционной среды и осаждалась на дне центрифужных пробирок в виде жёлтого осадка. Как было показано в предыдущих исследованиях [1], пектин с зеином могут образовывать два типа комплексов: первый -посредством электростатического взаимодействия при участии НМ-пектина и ионов двухвалентных металлов, и второй - в результате гидрофобного взаимодействия, преимущественно зеина с ВМ-пектином. В данном случае наблюдается образование первого типа комплекса, при котором в результате быстрых поперечных сшивок ионов металла с карбоксильными группами высокомолекулярных цепей НМ-пектина зеин не успевает внедриться в гидрогелевую сетку.

Выход гидрогелей с НМ-подсолнечным пектином составил 60-65%, хотя весь зеин участвовал в формировании комплекса. Однако 34-39% пектина не включилось в формирование гидрогеля и удалялось при промывке водой.

При замене ионов Са2+ на ионы 2п2+ выход микросфер с НМ- цитрусовым пектином несколько увеличился, в результате уменьшилось количество жёлтого осадка и непрореагировавшего пектина. Выход гидрогелей с яблочным пектином ЯП ВМ-52, независимо от соотношения З/П, был значительно ниже (36-37%), так как большая часть пектина не участвовала в формировании геля.

Гидрогели на основе НМ-подсолнечного пектина, в отличие от гидрогелей, полученных из других источников сырья [1,4], были однородные по структуре, при промывке водой на дне центрифужных пробирок не образовывались осадки жёлтого цвета. Относительно низкий выход комплекса в данном случае связан с вытеснением пектина из гидрогелевых микросфер, что свидетельствует о формировании второго типа комплекса [1] в результате гидрофобного взаимодействия между пектином и зеином.

Степень набухания комплексов изменялась по возрастанию гидрофильности пектиновых цепей в ряду: ВМЯП > НМЦП >НМЯП> НМПП (табл.3). Увеличение доли пектина не влияло на выход комплексов, однако это привело к заметному повышению степени их набухания. Степень набухания гидрогелей, сформированных с ВМ-яблочным и НМ-цитрусовым пектинами, была на порядок выше, чем у гидрогелей с НМ-подсолнечным и НМ-яблочным пектинами, в зависимости от доли полисахарида в комплексе.

Таблица 3

Степень набухания и содержание инкапсулированного РХ в гидрогелях на основе зеина и пектинов

Тип пектина Соотношение П/З в геле Степень набухания, 8 Содержание РХ, % в геле

ЦПНМ-9 Са2+ 0.74 21.2 70.2

ЦПНМ-9 гп2+ 0.53 16.1 70.7

ЯПНМ-38 Са2+ 0.77 18.9 59.8

ЯПНМ-38 гп2+ 0.76 10.9 61.9

ЯПВМ-52 Са2+ 0.38 32.2 54.1

ЯПВМ-52 Са2+ 0.14 22.6 77.1

ППНМ-26 гп2+ 0.51 5.3 55.8

ппнм-26 гп2+ 0.44 4.0 57.8

Степень набухания гидрогелей представляет особое значение при изучении кинетики высвобождения ЛВ в ЖКТ: высокая степень набухания будет способствовать преждевременному высвобождению ЛВ, что может привести к нежелательной потере лекарств на стенках желудка. Комплексы с

низкой степенью набухания будут длительное время сдерживать уровень ЛВ, способствуя терапевтической эффективности препарата. Предполагается, что комплексы с пектином подсолнечника будут проявлять кинетику постепенного высвобождения ЛВ в ЖКТ, что представляется важным при создании носителей ЛВ, стойких к действию желудочной кислоты.

Гидрогели на основе цитрусового пектина отличались высоким содержанием инкапсулированного РХ по сравнению с другими пектинами. Пониженная степень связывания РХ в микросферах с НМ-пектином подсолнечника, по сравнению с цитрусовым, связана с особенностями структуры полисахарида, не исключая энтальпийные факторы: высокая степень полидисперсности, высокое содержание звеньев галактуроновой кислоты. Как показала сравнительная оценка, по основным характеристикам - степени инкапсулирования ЛВ, степени набухания, механической прочности, - гидрогели с пектином подсолнечника несколько схожи с гидрогелями, полученными с яблочным пектином ЯП НМ-38.

Ранее было показано [1,2], что хотя выход микросфер на основе яблочного НМ-пектина заметно уменьшается с увеличением доли зеина в комплексе, в то же время количество инкапсулированного ЛВ увеличивается. Однако по сравнению с микросферами, полученными на основе ЦП НМ-9 и ЯП НМ-38 пектина, выход микросфер и содержание РХ у подсолнечного ПП НМ-47 пектина не зависят от количества зеина в комплексе. Эти отличия, как установлено, связаны с особенностями структуры полисахарида, способного формировать с ионами металла сшитые гидрогели и образовывать с зеином коацерваты, способные захватывать большее количество ЛВ.

Большое количество поперечных сшивок пектина подсолнечника с ионами металла привело к образованию хрупких гелей с пониженной эластичностью, что явилось причиной относительно низкой степени связывания с ЛВ. Однако следует учитывать, что заметный вклад в связывание пектина и протеина, адсорбцию ЛВ в гидрогеле могут вносить и другие факторы - водородные связи, гидрофобные взаимодействия и др.

В результате проведённых исследований разработаны гидрогелевые микросферы на основе природных биополимеров, которые могут быть использованы как системы носителей лекарственных препаратов. Показано, что, используя пектины различного происхождения, можно получать комплексы с определёнными характеристиками, с заданным составом, структурой и степенью насыщения лекарством.

Работа проведена в рамках проекта Т-1419 Международного научно-технического центра при финансовой поддержке Госдепартамента США по сельскому хозяйству.

Поступило 18.03.2013г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Muhidinov Z.K., Teshaev Kh.I., Kasimova G. F., Nasriddinov A.S., Liu L.S. - In: Gum and Stabilizers for the Food Industry 16, RSC publishing, ed. P.A. Williams and G.O. Fillips, 2012, рр. 401-406.

2. Тешаев Х.И., Бобокалонов Д.Т., Джонмуродов А.С., Мухидинов З.К., Касымова Г.Ф., Лиу Л.Ш. -Изв. вузов. Химия и хим. технология, 2011, т. 54, № 11, с. 97-100.

3. Мухидинов З.К., Касымова Г.Ф., Бобокалонов Д.Т., Тешаев Х.И, Халиков Д.Х., Луи Л.Ш. - Химико-фармацевтический журнал, 2010, т.44, №10, с.20-24.

4. Мухидинов З.К., Касымова Г.Ф., Бобокалонов Д.Т., Насриддинов А.С., Халиков Д.Х., Тешаев Х.И., Луи Л.Ш. - Изв. АН РТ. Отд.физ-мат., хим., геол. и техн.н., 2009, №1 (134), с. 59-65.

5. Рeppas N.A., Bures P., Leobandung W., Ichikawa H. - European J. of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 2000, 50, pр. 27-46.

6. Патент TJ 290. Способ получения пектина из растительного сырья. Мухидинов З.К., Горшкова Р.М., Халиков Д.Х. , опубл. 20 января 2010 бюл. № 57 (1) НПЦ Р. Таджикистан.

7. Касымова Г.Ф., Бобокалонов Д.Т., Халикова М.Д. - Изв. АН РТ. Отд. физ-мат., хим., геол. и техн.н., 2007, №2 (127), с. 42-50.

Г.Ф.Косимова, З.К.Мухидинов, С.Холикова, А.С. Чонмуродов, Л.Ш.Лиу* ОМУЗИШИ МУЦОИСАВИИ КОРКАРДИ ГИДРОГЕЛ^ОИ МИКРОСФЕРЙ АЗ ПЕКТИЩОИ ГУНОГУН ВА ЗЕИН БО ДОРУИ МОДЕЛИ

Институти химияи ба номи В.И.Никитини Академияи илм^ои Чумхурии Точикистон, *Маркази та^кцкртии шаркии департаменти давлатии ШМА дар со^аи хоцагии кишлок

Дар макола тарзи хосил намудани системахои нави барандаи маводи доругй аз пектинх,ои гуногун ва зеини чуворимакка бо иштироки доруи моделй омухта шудааст. Дар натичаи тахкикотхо муайан карда шуд, ки ин барандахо вобаста ба тарзи хосилшавй ва струк-тураи пектин метавонанд микдори муайяни доруро дар худ чалб кунанд, ки ин барои коркарди чадиди системаи барандагони дору имконият хохад дод.

Калима^ои калиди: пектин - зеин - микросфера - барандауои маводи дору.

G.F.Kasimova, Z.KMuhidinov, S.Khalikova, A.S.Jonmurodov, LS.Liu* COMPARATIVE STUDY OF THE HYDROGEL MICROSPHERS FORMATION FROM DIFFERENT PECTIN AND ZEIN WITH MODEL DRUG

V.I.Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan,

Eastern Regional Research Center, Agricultural Research Service, U.S-А. Department of Agriculture The results of microsphere formation from different HM- and LM-pectins and corn zein in presence model drug are presented. It’s show that the drug loading capacity differ among pectins used and depend on the structure and complex formation properties whether by crosslinking with bivalent metal ions or with hydrophobic zein protein. As a result a number of microspheres have been prepared from biodegradable and biocompatible naturally occurred materials for controlled drug delivery system.

Key words: pectin - zein - microsphers - drug delivery system.