Chế tạo vi hạt alginate bằng thiết bị vi lưu ứng dụng cho quá trình vận chuyển hoạt chất chống ung thư vorinostat

Bài viết Chế tạo vi hạt alginate bằng thiết bị vi lưu ứng dụng cho quá trình vận chuyển hoạt chất chống ung thư vorinostat đánh giá khả năng mang thuốc chống ung thư - vorinostat của các vi hạt alginate được chế tạo bằng thiết bị vi lưu.

Hóa học & Mơi trường Chế tạo vi hạt alginate thiết bị vi lưu ứng dụng cho trình vận chuyển hoạt chất chống ung thư vorinostat Ngô Thị Thùy Trang, Đặng Cư Trung, Trần Khắc Vũ, Trần Duy Thành, Đặng Trung Dũng*, Tạ Hồng Đức* Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số Đại Cồ Việt Hà Nội * Email: dung.dangtrung@hust.edu.vn; duc.tahong@hust.edu.vn Nhận bài: 07/9/2022; Hoàn thiện: 29/9/2022; Chấp nhận đăng: 12/12/2022; Xuất bản: 28/12/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.84.2022.86-92 TÓM TẮT Sử dụng thiết bị vi lưu phương pháp mới, nhiều ưu điểm đươc ứng dụng để chế tạo vi hạt ứng dụng hệ vận chuyển thuốc Nghiên cứu đánh giá khả mang thuốc chống ung thư - vorinostat vi hạt alginate chế tạo thiết bị vi lưu Hình thái sản phẩm vi hạt đánh giá phương pháp kính hiển quang học, kính hiển vi điện tử quét (SEM), E phổ tán xạ tia X (EDS-Mapping) Tương tác vi hạt alginate vorinostat hàm lượng thuốc vi hạt đánh giá thông qua phép phân tích quang phổ FT-IR sắc ký lỏng hiệu cao HPLC cho kết hiệu suất mang vorinostat 58,8% Vi hạt alginate mang vorinostat chế tạo thành công thiết bị vi lưu mở cách tiếp cận mới, hiệu tiết kiệm chi phí để ứng dụng q trình vận chuyển thuốc Từ khoá: Alginate; Thiết bị vi lưu; Hoạt chất chống ung thư; Vi hạt; Vorinostat MỞ ĐẦU Hệ vận chuyển thuốc (Drug delivery system – DDS) phương pháp q trình sử dụng cơng thức thiết bị để đưa thuốc điều trị vào thể mục đích cải thiện hiệu độ an toàn thuốc cách kiểm sốt tốc độ, thời gian vị trí giải phóng thuốc thể [1] Trong hệ thống phân phối thuốc, vi hạt thành phần phổ biến cấu trúc, chức ứng dụng chúng phù hợp để dùng quy trình làm thuốc dung nạp vào thể qua nhiều đường sử dụng Alginate polymer phổ biến hệ vận chuyển thuốc Đây polysaccharide rẻ, sẵn có, khơng độc hại, có nhiều ứng dụng ngành dược phẩm thực phẩm [2] Với khả hòa tan nước, khả bám dính niêm mạc, chuyển tiếp sol-gel, lực với ion hóa trị hai dễ dàng thay đổi hóa học để điều chỉnh đặc tính làm cho alginate trở thành polymer đầy hứa hẹn cho ứng dụng giải phóng thuốc có kiểm sốt [35] Có nhiều phương pháp để tạo vi hạt hydrogel alginate phương pháp phun khô, trùng hợp, tạo nhũ tương,… Các phương pháp có ưu điểm nhược điểm riêng Tuy nhiên, vấn đề chung phương pháp khó khống chế kích thước hạt khơng thể đạt độ phân bố kích thước hạt đồng cao Trong đó, thơng số lại vô quan trọng cho việc sử dụng vi hạt chất mang thuốc [6-8] Để giải nhược điểm này, sử dụng thiết bị kênh dẫn vi lưu để chế tạo vi hạt làm chất dẫn thuốc với ưu điểm như: độ xác cao, dễ dàng điều khiển khống chế độ đồng kích thước hạt phương pháp phù hợp, đưa kết đầy hứa hẹn [9] Vorinostat (vor) biết đến với tên gọi suberoylanilide hydroxamic acid (SAHA) Zolinza® chất ức chế enzyme histone deacetylase (HDAC), có cấu trúc thuộc nhóm hydroxymate, Cục quản lý Thực phẩm Dược phẩm tổ chức Food and Drug Administration (FDA) Hoa Kỳ chấp thuận thuốc điều trị ung thư hạch tế bào T da (Cutaneous T-cell lymphomas) [10] Các nghiên cứu rằng, vor ức chế phát triển khối u đường uống đường tiêm điều trị ung thư tuyến tiền liệt, bệnh bạch 86 N T T Trang, …, T H Đức, “Chế tạo vi hạt alginate … hoạt chất chống ung thư vorinostat.” Nghiên cứu khoa học công nghệ cầu cấp, ung thư vú, u nguyên bào thần kinh đệm ung thư phổi Tuy nhiên, sinh khả dụng vor thấp Hiệu lâm sàng vor bị hạn chế độ tan nước độ thẩm thấu thấp [11] Các thông số hạn chế sinh khả dụng tuyệt đối thuốc lưu thông hệ tuần hoàn, dẫn đến cần dùng liều uống cao tần suất dùng thuốc nhiều đạt hiệu điều trị Bên cạnh số tính chất hóa lý kém, việc sử dụng thuốc ung thư theo đường uống cần phải vượt qua số rào cản sinh lý chuyển hóa giai đoạn ban đầu, bất ổn định đường tiêu hóa để đạt hiệu điều trị cao Hơn nữa, khả hòa tan hạn chế vor dẫn đến hình thành tập hợp huyết tương sau tiêm, gây thuyên tắc trước đạt đến khối u mục tiêu [11] Để khắc phục nhược điểm này, cần tìm phương pháp để tăng sinh khả dụng vor Một số nghiên cứu thực hiện, hệ vi hạt từ polymer thiên nhiên tổng hợp có chứa vor cải thiện rõ rệt thời gian lưu thông huyết tương giảm tốc độ thải trừ thuốc khỏi thể [12-14] Tuy nhiên, chưa có hướng nghiên cứu cải thiện cách hiệu tính chất hóa lý tăng sinh khả dụng đường uống vor Nghiên cứu sử dụng hệ thiết bị vi lưu – microfluidic devices để chế tạo vi hạt từ hoạt chất alginate chiết xuất từ tảo nâu làm chất mang hệ thống phân phối vor hướng tới việc tìm hệ thống phân phối thuốc hiệu THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất Pha phân tán sử dụng trình chế tạo vi giọt alginate dung dịch Na-alginate (muối sodium alginic – Sigma Aldrich) nồng độ 2% (w/w) Dầu đậu nành (Sigma Aldrich) sử dụng pha liên tục Để gel hóa hạt Na-alginate, dung dịch CaCl2 chuẩn bị từ bột calcium chloride (Sigma Aldrich) với nồng độ 10% (w/w) Đối tượng hoạt tính sinh học sử dụng để bao gói hoạt chất vorinosat (AK Scientific) 2.2 Phương pháp nghiên cứu kỹ thuật nghiên cứu Hình Thiết bị vi lưu loại dòng chảy tập trung dùng nghiên cứu hệ thống thiết bị ứng dụng chế tạo vi hạt Ca-alginate Dung dịch Na-alginate 2% pha từ hóa chất đầu vào nước cất với q trình khuấy tốc độ 300 vịng/phút với nhiệt độ 40 oC Sau để nguội dung dịch, thêm bột vorinostat với nồng độ 10 mg/10 mL vào đồng hóa máy đồng hóa tốc độ 30000 vịng/phút thời gian phút Bọt khí sinh q trình đồng hóa khử máy siêu âm Thiết bị vi lưu sử dụng nghiên cứu thiết bị vi lưu loại dòng chảy tập trung dài 40 mm, rộng 17 mm dày mm, chế tạo vật liệu poly(dimethyl siloxane) (PDMS) qua phương pháp in đúc thạch mềm chúng tơi nghiên cứu trước [17] Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 84, 12 - 2022 87 Hóa học & Mơi trường Các vi giọt Na-alginate có chứa vor chế tạo thiết bị kênh dẫn vi lưu loại dòng chảy tập trung với đầu vào dung dịch dạng nhũ tương chuẩn bị Dung dịch bơm vào thiết bị với lưu lượng 0.1 mL/h với vai trò dòng gián đoạn đồng thời với dòng dầu đậu nành với vai trò dòng liên tục với lưu lượng mL/h Dưới áp lực bơm vi lượng (KDS 100, KD Scientific Inc., PA, USA), hai dòng chất lỏng chuyển động thiết bị dòng dầu – dòng liên tục cắt dòng phân tán (nhũ tương Na-alginate vor) điểm giao cắt tạo thành vi giọt Các vi giọt theo đường ống dẫn đưa Sau tạo vi giọt thiết bị vi lưu, vi giọt đưa ngồi hóa rắn Vi giọt sodium alginate gel hóa tiếp xúc trực tiếp với dung dịch calcium chloride Khi hai dung dịch tiếp xúc, xảy thay ion Ca2+ vào vị trí ion Na+ cấu trúc alginate, hình thành cấu trúc hydrogel, dai, cứng, định hình cho vi giọt Tồn q trình chế tạo vi giọt thơng qua thiết bị vi lưu quan sát kính hiển vi có camera kết nối với máy tính (hình 1) Nghiên cứu hình thái cấu trúc vi mơ, hình dạng, kích thước đặc điểm vi hạt mang vor phương pháp kính hiển vi quang học (Optika B-193), kính hiển vi điện tử quét (SEM) (FEI Nova NanoSEM 450 - Thermo Fisher), lập đồ nguyên tố (EDS – Mapping) (Bruker Xflash 6160) Quang phổ hồng ngoại biến đổi FT-IR (Spectrum Two FT-IR Spectrometer, Perkin Elmer) sử dụng để nghiên cứu tương tác alginate vor vi hạt Định lượng hàm lượng vor vi hạt phương pháp sắc ký lỏng ghép nối khối phổ LC-MS/MS hệ thống QTOF SCIEX X500R (Mỹ) với nguồn Turbo V™ nguồn ion hóa điện tử ESI, sử dụng bơm kênh, có điều nhiệt cho cột, hệ bơm mẫu tự động; cột tách: Gemimi C18 110 Å (2,0 mm ì 50 mm ì àm) hóng Phenomenox (M) Các phân tích tiến hành thiết bị phân tích Viện Hóa học-Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ quân KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình biểu diễn hình ảnh quan sát kính hiển vi quang học trình hình thành vi giọt Na-alginate khơng mang có mang vorinostat thiết bị vi lưu sản phẩm vi hạt Ca-alginate sau chế tạo thành công nhờ q trình hóa rắn quan sát kính hiển vi quang học Hình Sự hình thành vi giọt alginate thiết bị (a, b) vi hạt alginate chế tạo thành công (c, d) không mang có mang vorinostat Có thể nhận thấy vi giọt hình thành kênh vi lưu (hình 2a) sản phẩm vi hạt không mang vor (hình 2c) gần suốt Hình dạng tổng thể vi hạt dạng hình cầu có giống nịng nọc (tadpole shape) hình thái đặc trưng vi hạt alginate hóa rắn nhờ q trình gel hóa ngồi kênh vi lưu Kích thước vi hạt điều khiển dễ dàng nhờ thay đổi lưu lượng dòng phân tán dòng liên tục với lưu lượng lựa chọn nghiên cứu này, đường kính vi hạt thu khoảng 100 µm Khi vor đưa vào dung dịch Na-alginate cấp vào thiết bị vi lưu, quan 88 N T T Trang, …, T H Đức, “Chế tạo vi hạt alginate … hoạt chất chống ung thư vorinostat.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ sát thấy rõ ràng vor có mặt dịng phân tán cấp vào (hình 2b) phân bố vi hạt sản phẩm (hình 2d) Hình dạng vi hạt thu dạng cầu có kích thước vi hạt khơng có độ đồng cao khơng mang vor Nguyên nhân xuất phát từ tương tác vor alginate ảnh hưởng đến trình hóa rắn thay đổi thành phần pha dung dịch phân tán ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy tạo vi giọt thiết bị vi lưu Các vi hạt thu sau gel hóa giữ ổn định dung dịch CaCl2 10% nhiệt độ phòng Sau đó, sử dụng lưới lọc với mắt lưới có đường kính 45x45 µm để lọc bỏ dung dịch thu vi hạt hóa rắn Các vi hạt rửa nhiều lần với nước cất sau sấy nhiệt độ phịng 24 Hình ảnh vi hạt quan sát kính hiển vi điện tử qt SEM Hình Hình ảnh thu qua kính hiển vi điện tử quét (SEM) với độ phóng đại gấp 500 lần vi hạt alginate không mang vor (a) vi hạt alginate có mang vorinostat (b) Hình cho thấy vi hạt sau làm khơ có kích thước dao động khoảng từ 50 – 60 µm So với vi hạt chưa làm khơ kích thước giảm khoảng nửa Điều dễ dàng lý giải vi hạt alginate liên kết hydrogel có chứa từ 60 - 80% nước Trong trình làm khơ nhiệt độ thích hợp, hạt gel bị phân tử nước (H 2O) làm cho cấu trúc ban đầu bị biến dạng, liên kết co lại với tạo thành vi hạt có kích thước nhỏ nhiều so với hạt gel ban đầu Các vi hạt sau khô giữ dạng hình cầu có Hình Kết EDS – Mapping thể phân bố nguyên tố hóa học vi hạt alginate có mang vor bị cắt đôi a) Ảnh SEM; b), c), d), e) phân bố nguyên tố C, O, Ca N vi hạt alginate có mang vorinostat Trong cơng thức phân tử vật liệu tạo nên vi hạt Ca-alginate (C12H14CaO12)n hoàn toàn khơng có xuất ngun tố Ni-tơ (N) hoạt chất vorinostat có cơng thức C14H20N2O3 lại chứa nguyên tố Do đó, phương pháp EDS với việc xây dựng đồ nguyên tố vi hạt sản phẩm sử dụng việc xác định có mặt vor vi hạt Để quan sát rõ phân bố vor vi hạt, vi hạt cắt đôi tiến hành chụp mẫu đánh giá Theo kết EDS-Mapping vi hạt alginate có mang vor (hình 4) ngồi ngun tố C, O Ca nguyên tố cơng thức phân tử Ca-alginate cịn có Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 84, 12 - 2022 89 Hóa học & Mơi trường thêm xuất dày đặc nguyên tố N phân bố tồn mẫu Như vậy, bước đầu khẳng định chế tạo thành công vi hạt Ca-alginate có chứa vorinostat Vorinostat phân bố tồn vi hạt H nh Hình ảnh phổ FTIR vi hạt alginate nguyên (a), vi hạt alginate mang vorinostat (b) với phổ FTIR vorinostat (c) Phổ FTIR vi hạt alginate có mang vor (hình 5c) so sánh với phổ FTIR vi hạt alginate khơng mang vorinostat (hình 5a) vorinostat ngun chất (hình 5c) Kết cho thấy sau trình bao gói vor khơng xuất peak đặc trưng nhóm chức Như vậy, khơng xuất tương tác vor với alginate mặt hóa học, bao bọc vi hạt alginate vorinostat mang tính học Alginate polymer thiên nhiên, hoàn toàn an toàn, thân thiện ứng dụng thực phẩm, dược phẩm vor FDA Hoa Kỳ chấp nhận sử dụng người Việc không xuất tương tác, liên kết hóa học tín tốt bước đầu khẳng định khơng xuất hợp chất mới, yếu tố độc hại gây tác động xấu tới sức khỏe người sử dụng H nh Phổ sắc ký ion sản phẩm MS2 ion phân tử khử ion vorinostat (a) sắc ký đồ dung dịch vorinostat với nồng độ 200 ppb (b) H nh Đường chuẩn nồng độ vorinostat Khả mang vorinostat vi hạt Ca-alginate xác định thông qua hiệu suất bao bọc (the encapsulation efficiency – EE%) tính theo công thức: EE% = (lượng hoạt chất thực tế hạt / lượng hoạt chất lý thuyết) x 100% 90 N T T Trang, …, T H Đức, “Chế tạo vi hạt alginate … hoạt chất chống ung thư vorinostat.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Để tính tốn thơng số này, tiến hành chế tạo vi hạt alginate có mang vorinostat thiết bị vi lưu với quy trình trình bày phần thực nghiệm 15 phút Các vi hạt alginate mang vor sau rửa đưa vào mL methanol tiến hành khuấy mạnh máy khuấy vortex 15 phút, siêu âm 15 phút sau ủ nhiệt độ phòng Sau 24 lọc lấy phần dung dịch pha lỗng 100 lần để tiến hành phân tích LC-MS/MS Dung dịch gốc để xây dựng đường chuẩn vor chuẩn bị cách hòa tan 10 mg vorinostat (mẫu xác thực) 10 mL methanol Dung dịch gốc bảo quản °C sử dụng tháng Các dung dịch làm việc thu cách pha loãng nối tiếp dung dịch gốc với methanol tới nồng độ khác Bằng cách phân tích dung dịch vorinostat nồng độ khác xây dựng đường chuẩn nồng độ dung dịch vorinostat Kết phân tích sắc ký lỏng LC-MS/MS đường chuẩn nồng độ vorinostat thể hình hình ng Kết phân tích LC-MS/MS Với tỷ lệ chế tạo nhũ tương đầu vào 10 mg vorinostat 10 ml dung dịch alginate, thời gian tạo hạt 15 phút, lượng hoạt chất lý thuyết vi hạt thu 25 µg Kết phân tích LC-MS/MS (bảng 1) cho kết lượng vorinostat thực tế vi hạt alginate thu 14,7 µg Kết cho thấy, vi hạt Ca-alginate chế tạo thiết bị vi lưu nghiên cứu có hiệu suất bao bọc (EE%) vorinostat 58,8% So với nghiên cứu bao bọc vorinostat vật liệu khác có hiệu suất bao bọc từ 40% đến 70% [15, 16], kết khả quan mang lại kỳ vọng lớn cho nghiên cứu KẾT LUẬN Vi hạt Ca-alginate với kích thước micro chế tạo thành công thiết bị vi lưu Nghiên cứu chứng minh tồn vorinostat trình hình thành vi giọt Na-alginate chế tạo thiết bị vi lưu Hoạt chất tồn phân bố vi hạt Ca-alginate sản phẩm hình thành sau q trình hóa rắn Kết nghiên cứu cho thấy thành cơng q trình đưa vorinostat vào vi hạt với hiệu suất bao bọc 58,8% Để kết tiếp tục phát triển, ứng dụng, cần tiếp tục tiến hành nghiên cứu tối ưu hóa q trình mang hoạt chất vi hạt, nghiên cứu đánh giá khả nhả thuốc sản phẩm xác định đặc tính sinh khả dụng, khả nhả chậm, độc tính,… hệ vi hạt Lời c m ơn: Nghiên cứu tài trợ Chương trình phát triển khoa học lĩnh vực Hóa học, Khoa học sống, Khoa học trái đất Khoa học biển giai đoạn 2017-2025 theo đề tài số ĐTĐL.CN-69/19 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Li, Chong, et al "Recent progress in drug delivery." Acta Pharmaceutica Sinica B 9.6: 1145-1162, (2019) [2] Trần Thị Luyến Ngô Đăng Nghĩa, "Nghiên cứu sản xuất sodium alginate theo phương pháp xử lý CaCl2 0.1%", Tập san KHCN – Trương Đại học Thủy sản Nha trang, (1999) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 84, 12 - 2022 91 Hóa học & Mơi trường [3] Tomaro-Duchesneau, Catherine, et al "Microencapsulation for the therapeutic delivery of drugs, live mammalian and bacterial cells, and other biopharmaceutics: current status and future directions." Journal of pharmaceutics (2013) [4] Agüero, Lissette, et al "Alginate microparticles as oral colon drug delivery device: A review." Carbohydrate polymers 168: 32-43, (2017) [5] Lengyel, Miléna, et al "Microparticles, microspheres, and microcapsules for advanced drug delivery." Scientia Pharmaceutica 87.3: 20, (2019) [6] Rashid, Muzamil, et al "Microparticles as controlled drug delivery carrier for the treatment of ulcerative colitis: A brief review." Saudi Pharmaceutical Journal 24.4: 458-472, (2016) [7] Tomaro-Duchesneau, Catherine, et al "Microencapsulation for the therapeutic delivery of drugs, live mammalian and bacterial cells, and other biopharmaceutics: current status and future directions." Journal of pharmaceutics (2013) [8] Agüero, Lissette, et al "Alginate microparticles as oral colon drug delivery device: A review." Carbohydrate polymers 168: 32-43, (2017) [9] Lengyel, Miléna, et al "Microparticles, microspheres, and microcapsules for advanced drug delivery." Scientia Pharmaceutica 87.3: 20, (2019) [10] Mann, Bhupinder S., et al "FDA approval summary: vorinostat for treatment of advanced primary cutaneous T-cell lymphoma." The oncologist 12.10: 1247-1252, (2007) [11] Bubna, Aditya Kumar "Vorinostat—an overview." Indian journal of dermatology 60.4 (2015): 419 [12] Huang, Keng-Shiang, et al "Calcium alginate microcapsule generation on a microfluidic system fabricated using the optical disk process." Journal of Micromechanics and Microengineering 17.8: 1428, (2007) [13] White House Station, NJ: Merck and Co; 2006 “Zolinza (vorinostat)” Full Prescribing Information [14] Grant, Steven, Chris Easley, and Peter Kirkpatrick "Vorinostat." Nature reviews Drug discovery 6.1: 21-23, (2007) [15] Mohamed, Elham A., et al., "Vorinostat with sustained exposure and high solubility in poly(ethylene glycol)-b-poly(dl-lactic acid) micelle nanocarriers: Characterization and effects on pharmacokinetics in rat serum and urine", Journal of Pharmaceutical Sciences 101(10), pp 37873798, (2012) [16] Vijayaraghavalu, Sivakumar and Labhasetwar, Vinod, "Nanogel-mediated delivery of a cocktail of epigenetic drugs plus doxorubicin overcomes drug resistance in breast cancer cells", Drug Delivery and Translational Research 8(5), pp 1289-1299, (2018) [17] Dang, T D., and S W Joo "Preparation of tadpole-shaped calcium alginate microparticles with sphericity control." Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 102: 766-771, (2013) ABSTRACT Fabrication of alginate microparticles by microfluidic device for vorinostat anti-cancer agent delivery Microfluidic systems are an emerging technology for the fabrication of microparticles for drug delivery systems This study investigated the vorinostat carrying capacity of alginate microparticles generated by the microfluidic device The efficiency of the microcapsules were examined by scanning electron microscopy, SEM, EDS-Mapping showing the change on the microcapsules surface compared with the original microparticles Drug-excipient interaction studies using FT-IR spectroscopy showed no change in the characteristic peaks of the drug The encapsulation efficiency is 58.8% Overall, the present investigation corroborated successful development of microparticles of vornostat as an effective and cost-effective approach for delivery of vornostat Keywords: Anti-cancer drugs; Calcium alginate; Microparticle; Microfluidic device; Vorinostat 92 N T T Trang, …, T H Đức, “Chế tạo vi hạt alginate … hoạt chất chống ung thư vorinostat.” ... cho nghiên cứu KẾT LUẬN Vi hạt Ca -alginate với kích thư? ??c micro chế tạo thành công thiết bị vi lưu Nghiên cứu chứng minh tồn vorinostat trình hình thành vi giọt Na -alginate chế tạo thiết bị vi. .. đường kính vi hạt thu khoảng 100 µm Khi vor đưa vào dung dịch Na -alginate cấp vào thiết bị vi lưu, quan 88 N T T Trang, …, T H Đức, ? ?Chế tạo vi hạt alginate … hoạt chất chống ung thư vorinostat. ”... cứu Hình Thiết bị vi lưu loại dòng chảy tập trung dùng nghiên cứu hệ thống thiết bị ứng dụng chế tạo vi hạt Ca -alginate Dung dịch Na -alginate 2% pha từ hóa chất đầu vào nước cất với q trình khuấy