CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.2. Biến tính bề mặt nanoliposome
1.2.1. PEG hóa bề mặt vật liệu
PEG hóa là phương pháp biến tính vật liệu bằng các phân tử hoặc dẫn xuất của polyethylene glycol. Khi được tích hợp trên bề mặt liposome, các phân tử PEG hình thành liên kết với các phân tử nước, tạo thành lớp hydrat hóa bao bọc bên ngồi vật liệu. Nhờ đó, q trình opsonin hóa cũng như sự tấn cơng bởi các kháng thể và đại thực bào của hệ thống lưới nội mô (RES) lên liposome bị hạn do sự hấp phụ của protein lên bề mặt hạt nano đã bị cản trở [3,4].
Chiến lược PEG hóa các hạt nano liposome bắt nguồn từ sự quan sát thấy rằng các hạt nano thơng thường có thời gian lưu thơng trong hệ tuần hồn ngắn sau khi tiêm tĩnh mạch, cũng như dễ bị rò rỉ thuốc bên trong. Cho đến những năm 1990, các thử nghiệm được tiến hành bởi một số nhóm các nhà nghiên cứu khoa học đã chỉ ra rằng sự PEG hóa bề mặt vật liệu giúp cải thiện đáng kể sự ổn định và thời gian tuần hoàn của liposome. Nó có thể được ví như việc trang bị thêm khả năng tàng hình trước ra đa dị tìm cho một chiếc máy bay chiến đấu ném bom tự động. Khả năng này được minh họa rõ nhất bằng ứng dụng PEG hóa trên liposome mang doxorubicin (có tên thương mại là Doxil®), hệ liposome mang thuốc này đã giúp tăng thời gian lưu thông trong máu của thuốc từ vài phút lên đến vài giờ. Mặc dù đã mở rộng nghiên cứu hướng đến biến tính bề mặt hạt nano bằng các loại polymer khác có tác dụng tương tự, như polyxamer, polyvinyl alcohol, polyacrylamide… thì PEG là vật liệu được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất cho đến ngày nay [15,16].
Sự PEG hóa liposome có thể đạt được bằng nhiều phương pháp khác nhau. Trong số đó, phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là biến tính PEG trên màng phospholipid bằng cách sử dụng liên hợp PEG – lipid [17]. Tuy nhiên, biện pháp này lại dẫn đến sự phóng thích chậm của thuốc.
Đặc điểm của liposome được PEG hóa đó là sự tăng kích thước, tăng độ hịa tan và tăng thời gian tuần hoàn do khả năng bảo vệ của PEG trước các yếu tố miễn dịch so với liposome thông thường [18].
1.2.2. Phương pháp biến tính PEG lên bề mặt liposome
Có 3 phương pháp được sử dụng để biến tính PEG lên bề mặt liposome: (1) biến tính PEG trong quá tình tổng hợp liposome (pre-insertion), (2) biến tính PEG
lên bề mặt liposome đã được tổng hợp (post-insertion) và (3) biến tính PEG lên bề mặt liposome đã được tổng hợp bằng phản ứng hóa học (post-modification) [19].
Hình 1.6. Hình ảnh so sánh giữa liposome được biến tính PEG trong q trình tổng
hợp (I) và biến tính PEG lên liposome đã được tổng hợp từ trước (II) [19]
1.2.2.1. Biến tính PEG trong q tình tổng hợp liposome (pre-insertion)
Phương pháp biến tính PEG lên bề mặt liposome trong quá tình tổng hợp liposome là một phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trong các nghiên cứu về liposome PEG hóa [20]. Dẫn chất lipid gắn PEG được gắn vào cấu trúc lớp màng lipid của liposome, trong đó, dẫn chất lipid được chèn vào lớp màng lipid kép và phần PEG ưa nước hướng ra khoang nước. Trong phương pháp này, dẫn chất lipid gắn PEG đươc hòa tan vào dung môi hữu cơ cùng với các thành phần khác trong tổng hợp liposome. Sau đó, tiến hành hydrat hóa tạo màng film lipid tương tự như trong tổng hợp liposome khơng biến tính PEG. Đối với phương pháp này, PEG sẽ phân bố ở cả hai phía của lớp màng lipid kép làm giảm lượng hoạt chất được tải vào chất mang và đây cũng là một nhược điểm chính. Bên cạnh đó, PEG-phospholipid dễ bị phân hủy do xúc tác acid/bazơ trong các liposome dựa vào sự chênh lệch pH [21]. Quá trình thủy phân gây ảnh hưởng đến quá trình mang hoạt chất bên trong các liposome này. Đặc biệt, PEG-lipid thương mại tương đối đắt tiền nhưng về cơ bản khơng hiệu quả và khơng góp phần vào việc làm tăng tính ổn định, sự bền bỉ lưu thông của liposome nên không mang lại hiệu quả kinh tế cao khi thương mại hóa. Kích thước liposome càng nhỏ thì tác động của PEG bên trong khoang nước
đến khả năng tải hoạt chất và độ ổn định của liposome càng lớn. Trong trường hợp liposome đa lớp, không gian chứa hoạt chất bị giảm xuống rất nhiều [19].
Ưu điểm vượt trội của phương pháp biến tính PEG lên bề mặt liposome trong quá tình tổng hợp là các bước thực hiên tương đối đơn giản.
1.2.2.2. Biến tính PEG lên bề mặt liposome đã được tổng hợp (post- insertion)
Phương pháp biến tính PEG lên bề mặt của liposome đã được tổng hợp từ trước được thực hiện dựa vào khả năng di chuyển của phân tử lipid từ pha lipid này qua pha lipid khác nhờ vào nhiệt độ chuyển pha của lipid. Được báo cáo đầu tiên bởi Uster và cộng sự (1999), dẫn chất PEG-lipid được biến tính lên bề mặt liposome đã được tổng hợp từ trước được thực hiện bằng cách cho từ từ PEG-lipid vào liposome ở nhiệt độ gần với nhiệt độ nóng chảy (Tm) của lipid cấu thành [22]. Quá trình này được thúc đẩy bởi sự tương tác kỵ nước của lipid màng và phần kỵ nước của PEG-lipid. Để ngăn chặn sự tự tạo thành micelle của các phân tử lipid, nồng độ của PEG-lipid được duy trì ở mức thấp hơn nồng độ micelle tới hạn (CMC) của chúng. Lúc này, nhiệt động lực học để chèn PEG-lipid vào lớp lipid kép của liposome thấp hơn so với việc tạo thành micelle PEG-lipid giúp hạn chế tạo thành liposome PEG hóa [23]. Sự thành cơng của nghiên cứu của Uster và cộng sự đã thu hút được sự tập trung sử dụng phương pháp này trong các nghiên cứu tổng hợp các hệ mang thuốc dựa trên liposome [22-24]. Uster và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu biến tính PEG-DSPE lên liposome đã được tổng hợp từ trước bằng phương pháp post-insertion [25]. Trong nghiên cứu của Nag và cộng sự, liposome đã được tổng hợp từ trước được biến tính HDAS-PEG đã được chứng minh sự ổn định của PEG trên bề mặt liposome bằng hình ảnh chụp kính hiển vi đồng tiêu (confocal microscopy) [26]. Nghiên cứu của Awasthi và cộng sự đã cho thấy sự kéo dài thời gian tuần hồn trong máu của liposome được biến tính PEG bằng PEG5000-DSPE trên nghiên cứu in vivo trên thỏ [24]. Q trình PEG hóa làm tăng sự hiện diện của liposome trong máu ở thời điểm 24 giờ sau khi tiêm lên khoảng ba lần so với liposome thông thường.
Ưu điểm của phương pháp post-insertion là PEG-lipid chỉ biến tính trên bề mặt bên ngồi của liposome, do đó khơng làm hạn chế khơng gian mang thuốc hoạt
chất sinh học bên trong của liposome. Một số nghiên cứu đã chứng minh ưu điểm này của phương pháp post-insertion so với phương pháp pre-insertion. Bằng cách theo dõi sự thay đổi thế zeta sau khi PEG hóa, Yoshino và cộng sự đã cho thấy rằng so với các liposome được biến tính PEG bằng phương pháp post-insertion, các liposome được biến tính bằng phương pháp pre-insertion lấy gần như gấp đơi lượng PEG-lipid cho một sự thay đổi tương tự trong thế zeta [22]. Việc gia tăng lượng PEG-lipid trong quá trình tổng hợp trong phương pháp pre-insertion là do sự hiện diện của PEG-lipid trong lớp lipid bên trong khơng góp phần vào sự thay đổi thế zeta của liposome được biến tính. Bên cạnh đó, kết quả sắc ký trao đổi anion của các liposome được biến tính bằng phương pháp pre-insertion cho thấy các đỉnh tương đối rộng so với các liposome được biến tính bằng phương pháp post- insertion. Điều này cho thấy rằng các liposome được biến tính bằng phương pháp pre-insertion có nhiều đặc tính bề mặt khơng đồng nhất so với các liposome được biến tính bằng phương pháp post-insertion [22]. Trong một nghiên cứu khác, liposome được biến tính PEG bằng phương pháp post-insertion mang irinotecan đã chứng minh được thời gian tuần hoàn trong máu cao hơn so với các liposome được biến tính bằng phương pháp pre-insertion. Hơn nữa, sự phân hủy của PEG-lipid trong máu đã bị ức chế rõ rệt trong phương pháp post-insertion [22].
Tuy nhiên, mặc dù mang lại nhiều ưu điểm như đã được nêu trên, nhược điểm chính hạn chế việc ứng dụng của phương pháp post-insertion là khả năng biến tính PEG-lipid lên bề mặt liposome phụ thuộc nhiều vào độ dài của chuỗi PEG. Chuỗi PEG càng dài thì cho khả năng liposome đã được tổng hợp được biến tính càng thấp [27].
1.2.2.3. Biến tính PEG lên bề mặt liposome đã được tổng hợp bằng phản ứng hóa học (post-modification)
Phương pháp biến tính PEG lên bề mặt liposome đã được tổng hợp post- modification được thực hiện dựa trên các phản ứng hóa học để tạo các liên kết đồng hóa trị giữa nhóm phản ứng trên bề mặt liposome polymer và polymer. Phương pháp này chủ yếu được sử dụng để biến tính liposome cho mục đích tổng hợp hệ mang thuốc hướng đích. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là với bản chất dễ bị phân hủy vốn có của cấu trúc liposome, điều kiện dung môi và phản ứng
cũng như những khó khăn trong việc tách các chất phản ứng tự do và sản phẩm biến tính, sự hạn chế của hoạt tính dạng ưa nước, sự tập hợp và phân tách pha và các khả năng xảy ra phản ứng phụ. Vì vậy, phương pháp này ít được sử dụng trong các nghiên cứu biến tính PEG lên bề mặt liposome. Thay vào đó, các nghiên cứu đã sử dụng các điều kiện phản ứng đơn giản hơn cho phương pháp này. Ví dụ, liposome biến tính lipid polydiacetylene với nhóm alkynyl trong lớp kép của chúng đã được báo cáo gần đây [28]. Các nhóm alkynyl trong lớp lipid kép phản ứng với các polyme chức azide trong một phản ứng có đồng xúc tác. Kết quả là sự chuyển hóa chu trình azide-alkyne giúp gắn nhanh chóng các polyme với thành phần được kiểm soát vào liposome. Sau phản ứng, các chất phản ứng phụ được loại bỏ bằng cách xử lý với EDTA (axit etylendiamintetraacetic) và sắc ký cột. Một phương pháp tiềm năng khác để biến tính PEG lên bề mặt liposome là tạo thành oxime trong phản ứng giữa hydroxylamine và aldehyde [29].