TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI BỘ MÔN CÔNG NGHIỆP DƯỢC CÔNG NGHỆ NANO VÀ ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT THUỐC (GIÁO TRÌNH ĐÀO TẠO DƯỢC SĨ ĐẠI HỌC) CHỦ BIÊN PGS TS NGUYÊN NGỌC CHIẾN HÀ NỘI 2019 Thuốc Polyme Tiểu.
Đại cương về công nghệ nano
Ưu, nhược điểm và thách thức của các tiểu phân nano
- Các hệ mang thuốc nano đóng vai trò là “bình chứa” các tác nhân bên trong, bảo vệ tác nhân điều trị khỏi môi trường bên ngoài và môi trường sinh học của cơ thể
- Tăng cường khả năng xâm nhập tế bào và quá trình thoát ra khỏi mao mạch
- Nâng cao khả năng hấp thu thuốc vào các khối u hoặc vị trí mà thuốc tác dụng
- Giảm được việc tương tác với các tế bào lành dẫn đến giảm tác dụng không mong muốn (ADR)
- Giảm sự thải trừ của thận
- Bề mặt lớn trên một tỉ lệ thể tích giúp thuận lợi cho các thay đổi hóa học ở bề mặt
- Tăng độ tan của dược chất ít tan
- Tăng sinh khả dụng của các thuốc nói chung, đặc biệt các tác nhân chống ung thư
- Cho phép kiểm soát tốt hơn về thời gian và sự phân bố của các thuốc trong cơ thể [121]
1.2.2 Nhược điểm và thách thức
- Khó khăn trong việc bào chế quy mô lớn và ổn định sản phẩm
- Nhiều trường hợp cần thiết phải đánh giá lại sinh khả dụng, tác dụng sinh học, độc tính
- Ảnh hưởng tới môi trường do có thể phải sử dụng quá mức dung môi
Một số thách thức lớn khác cần giải quyết, bao gồm [73]:
- Định hướng thuốc đến tế bào đích với độ đặc hiệu cao nhất
- Phát triển những công thức thuốc hiệu quả nhằm tăng cường độ an toàn
- Đơn giản hóa phác đồ điều trị
- Bảo đảm chi phí – hiệu quả và chất lượng thuốc trong mối tương quan với giá cả, việc nâng quy mô sản xuất.
Phân loại các tiểu phân nano
Có nhiều cách phân loại các tiểu phân nano khác nhau, bao gồm:
- Dựa vào cấu trúc nano và tá dược sử dụng
- Dựa vào tương tác giữa tiểu phân nano và hệ sinh học
1.3.1 Phân loại dựa vào cấu trúc tiểu phân nano và tá dược sử dụng
Dựa vào cấu trúc và tá dược sử dụng, hệ mang thuốc ở kích thước nanomét có thể phân loại gồm [31]:
- Nano vô cơ: Nano kim loại như nano vàng, bạc và nano không phải kim loại như nano carbon (quantum dot, fulleren, …), nano silica
- Nano hữu cơ: o Nano tinh thể: Thường chỉ gồm dược chất, không có giá mang, chỉ có tá dược tránh kết tụ, bao gồm nano tinh thể dạng vô định hình và nano tinh thể dạng kết tinh o Hệ mang thuốc kích thước nano mét (Hệ mang thuốc nano):
➢ Nano polyme: Là các hệ mang thuốc sử dụng polyme làm giá mang dược chất, bao gồm nano polyme thân dầu, nano polyme thân nước
➢ Nano lipid: Là các hệ mang thuốc sử dụng các lipid làm giá mang dược chất, bao gồm nano lipid rắn và hệ mang lipid có cấu trúc nano
➢ Nano polyme: bao gồm nano polyme thân dầu dạng nhân-vỏ và polymesome
➢ Nano lipid: bao gồm liposome và nano lipid dạng nhân-vỏ
Hình 1.2 Phân loại hệ mang thuốc hữu cơ có cấu trúc nano [31]
Ngoài ra, đối với hệ mang thuốc nano có thể được phân loại như sau:
➢ Nano polyme-lipid và nano lipid-polyme: Là các hệ mang thuốc sử dụng cả polyme và lipid làm giá mang dược chất
➢ Dendrime: Là các đại phân tử có cấu trúc nhánh được tổng hợp với cấu trúc hóa học bao gồm một nhân khởi đầu và nhiều lớp nhánh có các nhóm cuối hoạt động Cấu trúc đặc biệt này của dendrime cho phép nó có thể mang nhiều loại thuốc khác nhau thông qua các gắn kết hóa trị hoặc được bao gói trong các khoang rỗng của nhân thông qua các tương tác thân dầu, liên kết hydro, hoặc liên kết hóa học
➢ Liposome: Là một hệ mang thuốc gồm một hay nhiều lớp đồng trục được tạo thành từ các cấu trúc màng lipid kép của các phân tử lipid lưỡng tính tự nhiên hay tổng hợp
1.3.2 Phân loại dựa trên tương tác giữa tiểu phân nano và hệ sinh học
Dựa trên những tương tác giữa tiểu phân nano và hệ sinh học (gọi là tương tác nano-bio) có thể phân loại thành 3 thế hệ nano như sau [12]:
Thế hệ 1 Thế hệ 2 Thế hệ 3
Hình 1.3 Mô phỏng các thế hệ nano [12]
- Thế hệ thứ nhất bao gồm các tiểu phân nano cổ điển không cải biến đặc tính bề mặt, không có khả năng tránh thực bào, thời gian tuần hoàn ngắn, được bào chế bằng các nguyên liệu đơn có sẵn nhằm chứng minh khả năng tiềm tàng của 1 hệ đưa thuốc mới như tính tương thích sinh học, khả năng hấp thu bởi tế bào và độc tính
- Thế hệ thứ hai bao gồm các tiểu phân nano có bề mặt được cải biến, với 2 đặc trưng quan trọng: Có tính chất lẩn tránh thực bào và hướng đích thụ động; nhằm cải thiện độ ổn định, tăng thời gian tuần hoàn và tăng tính hướng đích trong các hệ sinh học
- Thế hệ thứ ba chuyển mô hình thiết kế từ các tiểu phân nano có tính ổn định cao sang các tiểu phân nano “thông minh”, hướng đích chủ động, sử dụng các tín hiệu sinh học, vật lý, hóa học trong môi trường đích để kích hoạt giải phóng thuốc, nhằm đạt được tác dụng tại đích tối ưu
Bảng 1.1 Đặc trưng và thách thức sinh học của các thế hệ nano [12]
Thế hệ 1 Thế hệ 2 Thế hệ 3 Đặc trưng
- Thiết kế, bào chế dễ
- Tối đa hóa vận chuyển thuốc
- Có tính chất ẩn (thụ động)
- Hướng đích bị động là chính
- Đáp ứng theo môi trường
- Sử dụng các tín hiệu sinh học hoặc nhân tạo để kích hoạt giải phóng thuốc
- Có khả năng chẩn đoán trị liệu
- Bị thanh thải bởi hệ đại thực bào đơn nhân
- Quá phụ thuộc vào hiệu ứng lưu giữ và tăng thấm tăng cường (EPR)
- Không có kháng nguyên chung
- Tính hướng đích chủ động không tối đa
- Dưới 10% liều thuốc đến được khối u
Thành phần, cấu trúc và đặc điểm hòa tan dược chất từ tiểu phân nano
1.4.1 Thành phần tiểu phân nano
Tùy thuộc vào phương pháp bào chế sử dụng và loại nano thu được, thành phần của tiểu phân nano có thể bao gồm dược chất, chất mang, chất ổn định (chất diện hoạt, chất tăng độ nhớt), dung môi và một số chất cải biến sinh học hoặc hướng đích Dược chất thường là chất có hoạt tính sinh học mạnh, nhưng độ tan kém Cũng có trường hợp có thể sử dụng dược chất tan trong nước
1.4.2 Cấu trúc một số tiểu phân nano
Trong khuôn khổ sách này, chúng tôi chỉ tập trung vào nano polyme, nano lipid và nano tinh thể Đối với liposome, vi nhũ tương người đọc có thể tham khảo sách tiếng Việt “ Kỹ thuật nano và liposome ứng dụng trong dược phẩm, mỹ phẩm ” đã xuất bản Đối với dendrime, người đọc tham khảo tài liệu khác
Nano tinh thể gồm các dược chất rất ít tan trong nước, thường được bào chế ở dưới dạng bột hay hỗn dịch bằng phương pháp giảm kích thước tiểu phân (top-down) Các nano tinh thể bao gồm 100% dược chất, không có chất mang Hỗn dịch nano sau khi phân tán trong môi trường lỏng (như nước, PEG, ) cần được duy trì ổn định bằng chất diện hoạt hoặc các chất ổn định có bản chất polyme Chúng có thể có cấu trúc kết tinh hoặc vô định hình [80]
Nano polyme là các hệ mang thuốc sử dụng polyme làm giá mang dược chất, có cấu trúc dạng siêu vi nang hay siêu vi cầu Cấu trúc siêu vi nang là cấu trúc nhân vỏ, cấu trúc siêu vi cầu là cấu trúc dạng cốt, trong đó dược chất phân tán đều trong siêu vi cầu Thực tế khó phân biệt siêu vi nang hoặc siêu vi cầu Trong cấu trúc này, dược chất hòa tan hoặc phân tán dạng phân tử hoặc tinh thể nano trong polyme, cũng có thể dược chất liên kết cộng trị với polyme Các polyme sử dụng bào chế nano polyme gồm các polyme tự nhiên hay tổng hợp Trong đó có cả các loại phân hủy sinh học, tương hợp với cơ thể sống
Phức hợp dược chất và polyme đã có những tác động lâm sàng đáng kể nhờ việc tăng cường hiệu quả và phân liều của những thuốc đã biết Tuy nhiên, hiệu suất nano hóa thuốc vẫn còn hạn chế do thiếu vị trí liên hợp trên phân tử polyme và phần lớn thiếu khả năng hướng đích chủ động hoặc kiểm soát khả năng giải phóng dược chất Để tăng hiệu suất nano hóa thuốc đồng thời kiểm soát việc vận chuyển thuốc theo không gian và thời gian, nhiều nano polyme có khả năng phân hủy sinh học đã được phát triển
Các micell polyme cũng đã thu hút nhiều sự quan tâm do có tiềm năng ứng dụng làm các hệ trị liệu Các micell polyme có thể hình thành do khả năng tự kết hợp của các polyme lưỡng tính có khả năng kỵ nước khác nhau Đến nay, một vài hệ micell polyme đã đi đến các giai đoạn khác nhau của thử nghiệm lâm sàng và các hệ này đã chứng tỏ có khả năng lưu giữ tác nhân điều trị tại vị trí đích và làm giảm tác dụng không mong muốn của các tác nhân này
Ngoài ra, việc kết hợp các nano polyme với các phức hợp hướng đích cũng giúp kiểm soát quá trình vận chuyển thuốc theo không gian và thời gian Điều này có thể làm tăng cường hơn nữa hiệu quả điều trị và giảm tác dụng không mong muốn của chúng
Nano lipid là các hệ mang thuốc sử dụng các lipid làm giá mang dược chất, có cấu trúc dạng siêu vi nang hay siêu vi cầu Nano lipid gồm các loại khác nhau, tùy loại tá dược sử dụng a Tiểu phân nano lipid rắn (solid lipid nanoparticles-SLN): SLN (gọi tắt là nano lipid rắn) có cấu tạo gồm 2 phần: phần lõi rắn là dược chất hòa tan hoặc phân tán trong môi trường lipid rắn, phần vỏ bao quanh lõi lipid rắn, là lớp chất diện hoạt (đầu sơ nước của phân tử chất diện hoạt gắn với phần lõi lipid, đầu thân nước hướng ra ngoài)
SLN được phát triển từ những năm đầu thập niên 90 SLN có thể coi là hệ đưa thuốc nhân tạo so với các hệ đưa thuốc truyền thống như nhũ tương lipid, liposome SLN kết hợp các ưu điểm và đồng thời cũng khắc phục các nhược điểm của hệ chất mang dạng keo kể trên như độ ổn định, khả năng bảo vệ và dung hợp dược chất, khả năng dung nạp tốt Đồng thời, SLN cũng giúp cải thiện sinh khả dụng của thuốc, kiểm soát duy trì giải phóng các dược chất [44] SLN cấu tạo từ 0,1- 30% lipid rắn, phân tán trong một dung dịch nước và được ổn định với 0,5-5% chất diện hoạt SLN có hàm lượng thuốc thường thấp, tuy nhiên có trường hợp lên tới 25%, và có độ ổn định tốt Ngoài ra, dược chất dễ bị thoát ra khỏi tiểu phân do sự biến đổi vật lý trong quá trình bảo quản b Hệ mang lipid cấu trúc nano (nanostructured lipid carriers, NLC): Để khắc phục các nhược điểm của nano lipid rắn (hiện tượng tống thuốc ra ngoài khi lipid kết tinh ở dạng β, tỷ lệ phân tán trong pha nước cao nhất chỉ khoảng 30%), hệ mang lipid cấu trúc nano đã ra đời với việc sử dụng đồng thời cả lipid dạng lỏng phối hợp cùng với lipid dạng rắn Vì sự khác nhau trong cấu trúc, hai dạng lipid này không thể trộn lẫn hoàn toàn để tạo tinh thể, tạo nhiều khe hở (khoảng giữa các chuỗi acid béo triglycerid) để chứa dược chất bên trong Có thể phối hợp lipid dạng rắn với lipid dạng lỏng ở tỷ lệ từ 70:30 đến 99,9:0,1 Sự có mặt của lipid lỏng sẽ làm giảm nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp so với lipid rắn Nồng độ của hệ trong pha phân tán có thể lên đến 95% (cao hơn hẳn so với nano lipid rắn) NLC có cấu tạo gồm một lớp chất diện hoạt bao quanh lõi lipid chứa hỗn hợp lipid rắn-lỏng, thường có kích thước 100-500 nm NLC nano hoá dược chất cao hơn SLN do phần lớn các dược chất có khả năng hòa tan trong lipid lỏng cao hơn dạng rắn Vì vậy, hệ NLC hạn chế được tình trạng đẩy dược chất ra khỏi tiểu phân, kiểm soát được tốc độ giải phóng dược chất tốt hơn, và được coi là thế hệ hai của SLN Ví dụ acid stearic là lipid rắn được kết hợp với lipid lỏng là acid oleic với các tỉ lệ khác nhau để bào chế NLC NLC cho các tiểu phân có kích thước nhỏ hơn và bề mặt của các tiểu phân nano có hình dạng cầu hơn so với các công thức SLN chỉ chứa lipid rắn Hiệu suất nano hóa và tỷ lệ dược chất nano hóa có xu hướng tăng khi tăng lượng acid oleic (Fu-Qiang Hu và cộng sự, [58]) Các thử nghiệm in vitro cho thấy hệ NLC có tỉ lệ giải phóng thuốc cao ở giai đoạn đầu và duy trì ổn định kéo dài ở giai đoạn sau, có thể kiểm soát được tỉ lệ giải phóng thuốc bằng cách điều chỉnh nồng độ lipid lỏng trong công thức [58]
Dựa vào cấu trúc khung xốp bên trong, NLC được chia làm 3 dạng: dạng kết tinh không hoàn toàn, dạng vô định hình, và dạng nhũ tương kép Hệ NLC được ứng dụng nhiều trong dược phẩm cũng như mỹ phẩm c Hệ liên hợp dược chất và lipid: Hệ liên hợp dược chất – lipid được hình thành bằng cách tạo muối (với các acid béo) hoặc tạo các dẫn xuất ester hoặc ether Sau đó, hệ được nhũ hóa với dung dịch chất diện hoạt thân nước để tạo các tiểu phân nano
Nano polyme-lipid là hệ mang thuốc kết hợp các ưu điểm của hệ mang thuốc liposome và nano polyme, trong đó các lipid và các polyme được đồng thời sử dụng Những thành công của nano liposome và polyme đã dẫn đến sự ra đời của tiểu phân nano lai polyme-lipid, do vậy cho đến nay, một vài nano polyme-lipid đã được phát triển
Ví dụ như các tiểu phân polyme được bao bởi lipid gồm nhân acid poly (lactic-co-glycolic) (PLGA), vỏ polyethylen glycol (PEG) và một lớp lipid ở lớp giữa đã được bào chế và đánh giá các đặc tính Nhân PLGA có thể mang các thuốc ít tan trong nước trong khi vỏ PEG giúp làm giảm khả năng tích tụ sinh học (biofouling) và tăng thời gian tuần hoàn Lớp lipid nằm ở giữa nhân PLGA và vỏ PEG đóng vai trò như một hàng rào phân tử giúp tăng cường khả năng lưu giữ và kéo dài thời gian giải phóng thuốc từ nhân polyme Ở một ví dụ khác, nano PLGA bao gói bởi liposome (hay được gọi là tế bào nano – “nanocell”) đã được phát triển qua nhiều bước với hướng điều trị ung thư Trong đó, nhân là phức hợp PLGA-doxorubicin, còn vỏ lipid nhiều lớp chứa tác nhân chống sự tăng sinh combretastatin [100]
Nano lai polyme-lipid đã kết hợp được tính toàn vẹn cấu trúc cao, đặc tính dễ điều chỉnh, khả năng dễ cải thiện đặc tính bề mặt của phần polyme và tính tương thích sinh học tuyệt vời, tính sinh miễn dịch thấp, độc tính thấp của phần lipid Ở nano lai, các lipid có thể làm chậm sự thấm nước và giảm đáng kể sự phân hủy các nano lai, làm kéo dài quá trình giải phóng dược chất Ngoài ra, lớp bao lipid bên ngoài lớp polyme mô phỏng giống như giao diện của lớp bề mặt sinh học, trong khi đó các polyme đảm bảo sự ổn định cơ học, giúp dễ điều chỉnh tính chất bề mặt cho các tiểu phân
1.4.3 Đặc điểm hòa tan dược chất từ tiểu phân nano
Dựa vào cấu trúc và tá dược sử dụng, tiểu phân nano có thể được phân loại gồm nano tinh thể, hệ mang thuốc nano (nano polyme, nano lipid và nano lai polyme-lipid/lipid-polyme và các loại khác) Mỗi loại tiểu phân nano có tốc độ hòa tan và mức độ hòa tan dược chất khác nhau Đối với nano polyme, nano lipid và nano lai polyme-lipid/lipid-polyme , tốc độ và mức độ hòa tan dược chất có thể được kiểm soát khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc và tá dược sử dụng Trong môi trường hòa tan, dược chất phân tử và nano tinh thể khuếch tán ra bên ngoài tiểu phân nano Quá trình hòa tan tiếp tục xảy ra đối với nano tinh thể Tốc độ hòa tan dược chất phụ thuộc nhiều quá trình hòa tan và khuếch tán dược chất phân tử, đồng thời phụ thuộc cả vào quá trình khuếch tán nano tinh thể và tốc độ phân hủy của chất mang Mức độ hòa tan hay độ tan của dược chất tăng ở các tiểu phân kích thước dưới 1000 nm do kích thước tiểu phân dược chất giảm mạnh Đối với nano tinh thể, việc giảm đến kích thước nano dẫn đến tăng tốc độ và mức độ hòa tan dược chất Bàn luận dưới đây liên quan đến nano tinh thể Đối với tốc độ hòa tan, dựa vào phương trình Noyes-Whitney ta có:
Trong đó, dc/dt: tốc độ hòa tan; D: hệ số khuếch tán; h: bề dày của lớp khuếch tán; A: diện tích bề mặt tiếp xúc của các tiểu phân; Cs, Cx: lần lượt là độ tan, nồng độ của chất tan
Hình 1.4 Sự tăng diện tích bề mặt do giảm kích thước tiểu phân [80]
Một số đặc điểm sinh dược học và dược động học của tiểu phân nano
Đặc điểm dược động học của tiểu phân nano từ các dạng thuốc khác nhau bao gồm hấp thu, phân bố, chuyển hóa và thải trừ có thể có sự thay đổi khác biệt so với dạng thuốc truyền thống chứa dược chất không ở dạng nano hóa
1.5.1 Đặc điểm sinh dược học chung của các tiểu phân nano
Như đã đề cập trong phần phân loại, có rất nhiều dạng thuốc chứa tinh thể nano hoặc hệ mang thuốc nano Trong hệ mang thuốc nano, dược chất được bao gói trong các chất mang như dendrime, liposome, nano polyme, nano lipid, nano lai lipid-polyme/polyme-lipid Hệ mang thuốc nano thường có nhiều ưu điểm như khả năng vận chuyển thuốc đặc hiệu, độ ổn định cao, khả năng thấm qua màng sinh học cao, sinh khả dụng được tăng cường, và tác dụng kéo dài (Bảng 1.2) Bằng cách thay đổi các đặc tính sinh dược học của các chất tiềm năng dùng làm thuốc mới, việc bào chế các dạng thuốc chứa hệ mang thuốc nano có thể là một giải pháp hứa hẹn để giữ vững các đặc tính của thuốc Các đặc tính lý hóa của các tiểu phân nano như KTTP, điện thế bề mặt và khả năng thân dầu sẽ ảnh hưởng đến đặc tính hấp thu qua màng sinh học của chúng Các tiểu phân nano có kích thước nhỏ thường có khả năng hấp thu thông qua các nang của biểu mô cao hơn so với các tiểu phân có kích thước lớn Các tiểu phân nano có thể đi vào tế bào thông qua quá trình nội thực bào như nhập bào qua trung gian caveola và clathrin, ẩm bào Ngược lại, các tiểu phân lớn hơn có thể bị opsonin hóa nhanh (các protein có khả năng bám dính vào vật ngoại lai hay tế bào giúp chúng dễ bị nhận diện bởi quá trình thực bào) và loại khỏi hệ tuần hoàn thông qua các đại thực bào của hệ lưới nội mô
Bảng 1.2 Đặc điểm sinh dược học của một số dạng thuốc có kích thước nano [86]
Dạng thuốc nano Đặc điểm sinh dược học
- Khả năng thấm qua màng cao
- Khả năng vận chuyển thuốc đặc hiệu
- Làm tăng độ tan của dược chất Nhược điểm:
- Hạn chế đường sử dụng
Nano tinh thể Ưu điểm
- Tăng tác dụng toàn thân
- Khả năng lưu giữ cao ở lớp màng nhầy
- Thích hợp nhiều đường dùng khác nhau Nhược điểm
- Khả năng duy trì giải phóng thấp
- Khả năng phân hủy sinh học và được chuyển hóa nhờ các men như lipase, esterase
- Tác dụng toàn thân kéo dài
- Khả năng vận chuyển thuốc đặc hiệu
- Khả năng tích lũy tại các khối u Nhược điểm
- Đào thải nhanh bởi hệ lưới nội mô (RES)
- Hạn chế đường sử dụng
- Khả năng thấm qua màng cao
- Làm tăng độ tan của dược chất
- Tăng tác dụng toàn thân Nhược điểm
- Khả năng duy trì giải phóng thấp
- Quá trình giải phóng in vivo ổn định
- Tác dụng kéo dài Nhược điểm
- Cần hạn chế khả năng giải phóng ồ ạt ban đầu
- Hạn chế đường sử dụng
Trong việc thiết kế công thức của tiểu phân nano, cần thiết làm giảm thiểu khả năng opsonin hóa và kéo dài thời gian tuần hoàn của các tiểu phân nano Điều này có thể đạt được bằng cách bao bề mặt của tiểu phân nano bằng các polyme hoặc chất diện hoạt thân nước và/hoặc thiết kế công thức tiểu phân nano với các đồng polyme phân hủy sinh học có thêm các phần thân nước như polyethylen glycol, poloxame, poloxamin và polysorbat [86]
Các tiểu phân nano có điện thế bề mặt dương có thể tương tác với điện thế âm của mucin do chứa các hợp phần acid sialic và đường, dẫn đến việc tăng cường quá trình vận chuyển qua màng tế bào và quá trình nội bào nhờ các tế bào biểu mô
Việc “chức năng hóa” bề mặt tiểu phân nano với các chất tăng cường tính thấm qua màng hoặc các phức hợp có khả năng gắn kết với các thụ thể trên màng tế bào có thể thúc đẩy khả năng vận chuyển qua màng tế bào của các thuốc được bao gói Ngoài khả năng vận chuyển qua màng tế bào, các thuốc kích thước nano được bao gói hay liên kết với các polyme bám dính sinh học hoặc các chất tạo phức chelat có thể giúp tăng cường khả năng vận chuyển liên bào của các thuốc thông qua việc điều hòa các khe hở hẹp giữa các tế bào Việc cải biến bề mặt (surface modification) của các tiểu phân nano với các protein đặc hiệu, các kháng thể và các phân tử sinh học khác có thể được sử dụng để thiết kế các thuốc có tác dụng chọn lọc trên các mô cụ thể Ngoài ra, cũng có thể sử dụng các thành phần trong công thức có khả năng nhạy cảm với các tín hiệu vi môi trường bên trong (như nhạy cảm với pH, nhạy cảm với enzym) hay các tín hiệu ngoại cảnh (như từ trường, ánh sáng) Các giải pháp này giúp tăng cường khả năng điều trị và giảm tác dụng không mong muốn của các thuốc điều trị ung thư vốn là các thuốc độc tế bào thường có cửa sổ điều trị hẹp [5], [86]
Quá trình chuyển hóa dược chất từ tiểu phân nano và chuyển hóa bản thân tiểu phân nano tương đối phức tạp so với quá trình chuyển hóa các phân tử dược chất vì sự khác nhau trong cấu trúc của nó Ví dụ như các tiểu phân nano có thể bao gồm các phối tử trên bề mặt như PEG hay các chuỗi acid amin dạng L, hoặc chúng có thể bao gồm các kim loại, carbon, các polyme bên trong nhân Khi các tiểu phân nano đi đến gan để được chuyển hóa thì các phối tử liên kết với các tiểu phân này sẽ được chuyển hóa cùng Tuy nhiên, con đường chuyển hóa chính xác của chúng vẫn còn chưa được biết Nhiều quá trình chuyển hóa khác nhau có thể xảy ra đối với từng loại tiểu phân nano khác nhau, do vậy, việc hiểu biết đầy đủ về các cơ chế này đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công thức cũng như đảm bảo độ an toàn của sản phẩm [47] Đối với quá trình thải trừ, cơ quan thải trừ chính là thận, tuy nhiên, quá trình thải trừ còn có thể xảy ra qua đường mật, mồ hôi, nước bọt, không khí thở hoặc sữa Các đặc tính của tiểu phân nano thường được tối ưu để đào thải tiểu phân nano khỏi cơ thể mà không gây bất cứ một độc tính nào, các đặc tính này bao gồm chất mang, KTTP, hình dạng, điện thế và hóa học bề mặt Các tiểu phân nano có kích thước dưới 8 nm thường chịu quá trình đào thải qua thận và bài tiết qua nước tiểu Trong khi đó, khả năng lọc qua thận giảm do có liên quan đến sự hấp phụ các protein huyết tương trên bề mặt các tiểu phân nano mang điện tích hoặc do có sự tương tác với thành phần tích điện trên thành mao mạch của cầu thận
Ngoài quá trình thải trừ ở thận, một số tiểu phân còn được đào thải ở gan thông qua quá trình bài tiết mật vào đường ruột và thải trừ qua phân Các đại thực bào Kupffer trong hệ lưới nội mô sẽ bắt giữ các tiểu phân không mong muốn trong máu và là vị trí chính của quá trình chuyển hóa Hoặc các tiểu phân cũng có thể bị dị hóa thông qua các tế bào gan Từ đó, các tiểu phân bị giữ bởi các tế bào gan sẽ đi vào mật và bị bắt giữ bởi các tế bào Kupffer, sẽ chịu quá trình phân hủy bởi tế bào Các tiểu phân chịu sự thải trừ qua gan thường có kích thước từ 10-20 nm Đồng thời, quá trình đào thải các tiểu phân cũng có thể được thực hiện qua trung gian hệ thống bổ thể như các protein opsonin, giúp tăng cường sự bắt giữ ở gan [47]
1.5.2 Đặc điểm dược động học tiểu phân nano dùng theo đường uống
Tiểu phân nano có trong các dạng thuốc dùng theo đường uống thường là nano tinh thể, cũng có thể là các tiểu phân nano khác Đối với các dạng thuốc chứa các tiểu phân nano dùng theo đường uống, sinh khả dụng thường tăng, ổn định không phụ thuộc vào bữa ăn và thể hiện dược động học tuyến tính ví dụ như Lipanthyl Supra NT 145mg(chứa nano tinh thể fenofibrat) Quá trình hấp thu tăng do mức độ và tốc độ hòa tan dược chất tăng Đặc biệt, kích thước nano có thể làm tăng tính thấm của dược chất qua thành ruột do tiểu phân kích thước dưới 100 nm có thể được hấp thu qua khe kẽ liên bào, các tiểu phân nano kích thước vài nm, có thể đi qua các kênh nước (water channel) Các tiểu phân nano còn có thể bảo vệ dược chất khỏi điều kiện bất lợi trong đường tiêu hóa, do vậy làm giảm sự phân hủy dược chất Việc này cũng làm tăng hấp thu dược chất Khi tuần hoàn trong máu dưới dạng phân tử, phân tử dược chất được phân bố, chuyển hóa và thải trừ tương tự dược chất hấp thu từ thuốc uống chứa dược chất kích thước micron
Cụ thể, đối với thuốc dùng đường uống, quá trình hấp thu qua lớp biểu mô của đường ruột có thể diễn ra theo hai cơ chế sau:
+ Con đường liên bào: Các tiểu phân có kích thước dưới 1 nm có thể không đi qua theo con đường này bởi vì các khe hở hẹp giữa các tế bào biểu mô Tuy nhiên, các khe hở liên bào này có thể mở thuận nghịch đủ lớn để cho các tiểu phân nano đi qua bằng cách dùng các chất tăng cường sự hấp thu bao gồm các polyme ion dương hay ion âm và các phức chelat calci như chitosan, acid polyacrylic và acid ethylenediaminetetraacetic (EDTA) Nếu chúng có kích thước lớn hơn 20 nm, các tiểu phân nano cần phải rã ra đủ nhỏ để giải phóng thuốc và đi qua các khe hở này [47]
+ Con đường xuyên bào: Các tiểu phân nano có thể tránh quá trình chuyển hóa qua gan lần đầu, theo cơ chế này, chúng có thể đi qua các tế bào đường ruột hoặc tế bào M của mảng Peyer (Peyer’s patches) Sự vận chuyển này đạt được bằng quá trình thực bào (phagocytosis), quá trình đại ẩm bào (marcopinocytosis), nội thực bào qua trung gian của clathrin hay caveola [47] Các tiểu phân có kích thước dưới 200 nm có thể bị nội thực bào qua trung gian của clathrin, trong khi đó, các tiểu phân có kích thước lớn hơn có thể bị bắt giữ bởi các túi caveola Một số con đường thực bào khác vẫn đang được tiếp tục tìm hiểu và hiện vẫn chưa được phân loại rõ ràng [98]
Quá trình hấp thu thuốc qua đường tiêu hóa vào vòng tuần hoàn chung phụ thuộc vào nhiều yếu tố như KTTP, điện tích bề mặt, độ ổn định của tiểu phân nano, thời gian lưu của tiểu phân nano tại vị trí hấp thu và các thành phần trong đường tiêu hóa [47] Để thuốc tạo ra được hiệu quả và thực hiện mục đích của nó thì thuốc cần đến được vị trí tác dụng Để thực hiện được điều này, thuốc cần đi qua được các hàng rào sinh lý như các hàng rào của tế bào, thể dịch và màng nhầy Do đó, việc dùng các tiểu phân nhỏ có kích thước nano có thể tăng cường việc đưa thuốc vào tế bào và khả năng ẩm bào, cũng như xâm nhập vào các khối u, tích lũy và giải phóng thuốc vào các khối u Như đã đề cập, các yếu tố như KTTP, thế zeta, các phối tử hướng đích, thành phần công thức đóng vai trò quan trọng trong việc phân bố các tiểu phân nano trong cơ thể Ngoài ra, các quá trình khác như quá trình opsonin hóa, khả năng đi qua khe hở của niêm mạc, hiện tượng tăng tính thấm và lưu giữ (EPR – Enhanced permiability and retention) cũng ảnh hưởng đến sự phân bố của các tiểu phân nano [47]
1.5.3 Đặc điểm dược động học tiểu phân nano dùng theo đường tiêm
Hỗn dịch tiểu phân nano dùng theo đường tiêm là hỗn dịch của nano tinh thể và hỗn dịch hệ mang thuốc nano Tất cả các tiểu phân nano đều có thể dùng theo đường tiêm nếu đáp ứng được các yêu cầu của thuốc tiêm Hỗn dịch nano có thể được tiêm bắp, tiêm dưới da, trong phúc mạc ruột hay tiêm tĩnh mạch
Sau khi tiêm tĩnh mạch, tiểu phân nano trực tiếp tuần hoàn trong máu, sự phân bố của tiểu phân có thể xảy ra theo hai hướng là thanh thải bằng thực bào và phân bố đến cơ quan, tổ chức [6], [98]:
- Thanh thải bằng thực bào:
Hệ thống thực bào trong cơ thể coi tiểu phân như một vật thể lạ và tiến hành thanh thải theo cơ chế bảo vệ của cơ thể Sau khi thực bào, tiểu phân được đưa về gan, lách…
Như vậy, có thể lợi dụng cơ chế thực bào để chủ động đưa thuốc tới gan, lách, phổi…và tăng cường ái lực với thụ thể trên thực bào đơn nhân bằng các phối tử có ái lực Mặt khác, tổ chức u, viêm là những nơi có quá trình thực bào xảy ra mạnh nhất, trở thành cơ quan đích của tiểu phân Để tránh thực bào, tăng cường phân bố đến các tổ chức cần phải:
Vai trò của công nghệ nano trong dược phẩm
Vai trò của công nghệ nano trong dược phẩm có thể tóm tắt qua sơ đồ dưới đây:
Hình 1.6 Vai trò của công nghệ nano trong dược phẩm
Tiểu phân nano có thể ứng dụng trong vận chuyển thuốc nhằm:
- Nâng cao hiệu quả điều trị và giảm tác dụng bất lợi
Phát triển thuốc Điều trị tại đích
- Tạo ra các phép điều trị mới
- Phục vụ công tác nghiên cứu các hoạt chất có khả năng làm thuốc mà chưa được nghiên cứu đầy đủ
Ví dụ: Abrego và cộng sự đã bào chế nano PLGA chứa pranoprofen dùng cho nhãn khoa dưới dạng hydrogel Công thức hydrogel chứa pranoprofen có các đặc tính thể chất và hóa lý phù hợp để dùng trong nhãn khoa Ngoài ra, nó còn giúp tăng cường các tác dụng chống viêm và giảm đau của thuốc, do đó có thể góp phần nâng cao sự tuân thủ của bệnh nhân [10]
Việc đưa thuốc tới tổ chức bị bệnh được thực hiện bằng cách sử dụng các hợp phần có khả năng hướng đích như: o Kháng thể Các phần tử mang điện tích o Protein Polysaccharid o Lipoprotein Các phối tử có khối lượng phân tử thấp o Hormon
Hình 1.7 Minh họa cấu trúc tiểu phân nano với các hợp phần có khả năng hướng đích
Trong đó, các nhóm thuốc thường được ưu tiên trong nghiên cứu để tăng cường tác dụng điều trị tại đích bao gồm: Điều trị ung thư, điều trị tiểu đường, điều trị HIV – AIDS, thuốc vào hàng rào máu não, thuốc cần lưu giữ trên niêm mạc mắt, da và đại tràng
1.6.2.1 Điều trị bệnh ung thư
Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học khác, trong vài thập kỷ qua, ngành Dược trên thế giới đã vận dụng những thành quả của khoa học nano nói chung vào lĩnh vực nghiên cứu phát triển các dạng thuốc mới, từ đó tạo ra cuộc cách mạng cho ra đời các hệ phân phối thuốc mới nhằm khắc phục những hạn chế của các dược chất và dạng thuốc truyền thống trong điều trị các bệnh khó điều trị như ung thư, HIV, bệnh về gen,… [6], [73] Ứng dụng công nghệ nano để điều trị bệnh ung thư là một bước tiến trong ngành dược, do việc tăng sinh khả dụng và đưa thuốc tới đích
Bệnh ung thư là một thách thức của y học cho đến ngày nay Bất chấp những nỗ lực và nhiều tiến bộ trong suốt 30 năm qua, việc kiểm soát bệnh ung thư vẫn còn những hạn chế Các hóa chất mới thường bị hạn chế sử dụng do độc tính cao hoặc do hiệu quả thấp Do vậy, việc tăng nồng độ thuốc tại tế bào ung thư và quá trình phân phối thuốc sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra những tác nhân an toàn và hiệu quả Việc phân phối thuốc có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi đường sử dụng hoặc thay đổi thiết kế công thức thuốc [73]
Trong công nghệ dược phẩm, công nghệ nano đã được ứng dụng để làm tăng khả năng hấp thu của thuốc qua đó làm tăng hiệu quả điều trị Các tiểu phân nano có thể giải phóng thuốc tại đích tác dụng với liều lượng và khoảng thời gian như dự kiến, đặc biệt với các tế bào khối u, kết quả là làm tăng hiệu quả điều trị và giảm thiểu độc tính cho cơ thể người bệnh [38], [46]
Việc thiết kế hệ mang thuốc nano thường được dựa trên các đặc điểm sinh học của khối u Ba đặc điểm sinh học của khối u được sử dụng làm căn cứ cho việc thiết kế tiểu phân nano chứa các thuốc chống ung thư định hướng đến các khối u đích, bao gồm [73], [91]:
- Cấu trúc bất thường của lớp lót nội mạc của các mạch máu đi qua khối u dẫn đến hiệu ứng tăng tính thấm và lưu giữ (EPR – enhanced permeability and retention)
- Vi môi trường khác biệt ở khối u như: pH ngoại bào của khối u thấp hơn cho phép phân phối thuốc từ các tiểu phân nano tại pH thấp hoặc định hướng các khối u đích của các thuốc có nhạy cảm với acid; thân nhiệt cao cục bộ,…
- Các kháng nguyên đặc hiệu của khối u giúp định hướng các tiểu phân nano thuốc đến các tế bào khối u có bộc lộ các kháng nguyên này
Hiệu ứng tăng tính thấm và lưu giữ
Sự phát triển nhanh của các khối u rắn tiến triển cùng với sự tăng sinh quá mức của chúng, hai quá trình này được điều khiển bởi một hệ thống phức tạp các yếu tố tiết ra bởi các tế bào khối u Dấu hiệu phân biệt của quá trình tưới mao mạch và sự dẫn lưu của khối u là sự không lành lặn của lớp nội mạc mao mạch và sự giảm dẫn lưu bạch huyết
Trái ngược với mao mạch của các mô bình thường, mao mạch của khối u bất thường ở hình dạng và cấu trúc; mao mạch mới thiếu lớp cơ mềm mại hay cứng cáp do đó chúng có các khoang rộng hơn và dễ bị rò rỉ và khúc khuỷu Một trong những chức năng chính của hệ bạch huyết đó là cung cấp con đường để loại bỏ các protein và tiểu phân ngoài mao mạch, bạch cầu Trong khi đó, các khối u như trên lại ít có dòng chảy bạch huyết đi qua hơn do áp suất ở bên trong nhân khối u cao hơn áp suất ở ngoại biên Sự bất bình thường kép của mao mạch bị rò rỉ và sự giảm dẫn lưu của hạch bạch huyết dẫn đến hiệu ứng EPR hay hiệu ứng ở đó các đại phân tử kích thước dưới micromét như protein hay hệ mang thuốc nano dễ dàng tích tụ và lưu giữ tại vùng khối u [73], [91]
Hiệu ứng EPR có bốn điểm đặc trưng chủ yếu bao gồm: Phụ thuộc vào kích thước của phân tử hay tiểu phân; là kiểu hướng đích thụ động; có độ chọn lọc kém; bị ảnh hưởng bởi thời gian tuần hoàn của hệ mang thuốc, với thời gian tuần hoàn kéo dài sẽ làm tăng khả năng phân phối thuốc đến khối u đích
Khe hở liên bào thành mạch khối u được ước tính cỡ khoảng từ 400-600 nm (hay 300-700 nm [6], thậm chí từ 100 nm-2 μm tùy thuộc loại khối u [91] Hiệu ứng EPR xảy ra đối với bất kỳ một đại phân tử có khả năng tương thích sinh học nào lớn hơn 40kDa và thậm chí lớn hơn 800kDa hoặc lớn như vi khuẩn Các hệ mang thuốc như micell, liposome, nhũ tương nano, nano polyme, nano lipid và dendrime chứa các thuốc ung thư với kích thước tiểu phân trung bình khoảng 200nm hay nhỏ hơn là điều kiện lý tưởng đối với hiệu ứng EPR Thông qua quá trình này, nồng độ thuốc trong khối u tăng lên so với nồng độ thuốc trong các mô khỏe mạnh Sự khác biệt về hiệu ứng EPR được ghi lại thông qua tỉ lệ giữa nồng độ thuốc trong khối u so với trong máu, bình thường từ 10-
30, tuy nhiên có trường hợp có thể lên đến 2000 Việc thay đổi đặc tính bề mặt của tiểu phân nano như gắn các chuỗi polyme trung tính như PEG có thể làm tăng thời gian tuần hoàn trong máu của các tiểu phân nano, từ đó gia tăng sự tích tụ của chúng trong các khối u thông qua hiệu ứng EPR
Cuối cùng, một vài yếu tố sinh lý học bệnh học có thể làm tăng hiệu ứng EPR bao gồm oxyd nitric, một vài prostaglandin và TNF Ngoài ra, bệnh tăng huyết áp do angiotensin II và nitroglycerin có thể được sử dụng để làm tăng hiệu ứng EPR
Vi môi trường xung quanh khối u
Độc tính của tiểu phân nano
Cùng với nhiều vai trò và ưu điểm của các tiểu phân nano, việc sử dụng ngày càng tăng các vật liệu nano cũng đi kèm với các yếu tố liên quan đến độ an toàn của chúng Do các đặc tính sinh học và dược động học của thuốc từ tinh thể nano và hệ mang thuốc nano thay đổi, độc tính của thuốc và hệ mang thuốc nano cũng có thể thay đổi, ví dụ như hệ mang thuốc nano cải biến bề mặt bằng polyethylen glycol giúp hệ mang thuốc nano tuần hoàn trong máu lâu, nhưng lại dẫn đến lắng đọng hệ tại các đầu chi, dẫn đến hoại tử các đầu chi Ví dụ: Thuốc điều trị ung thư doxorubicin phân bố ở tủy xương và các tế bào cơ tim, gây ức chế tủy xương và độc tính đối với tim Tuy nhiên, khi thuốc này được bao gói trong liposome được PEG hóa thì chất mang giúp bảo vệ thuốc không phân bố tại tủy xương và mô tim, giúp làm giảm sự ức chế tủy xương và độc tính đối với tim Tuy nhiên, liposome được PEG hóa lại gây tích tụ thuốc tại da và dẫn đến một độc tính khác là hội chứng tay- chân và viêm da (vết ban đỏ mất cảm giác ở lòng bàn tay-bàn chân - palmar-plantar erythrodysesthesia) Trong khi đó, nếu sử dụng chất mang là cyanoacrylat thì doxorubicin lại gây độc tính trên thận
Nếu các tiểu phân nano không có khả năng phân hủy sinh học hay có sự phân hủy sinh học quá lâu thì sự tích lũy tiểu phân ở các cơ quan tổ chức, ví dụ gan và lách, có thể dẫn đến độc tính và tăng tác dụng không mong muốn tại các tổ chức này Hai yếu tố được sử dụng để đánh giá nguy cơ ảnh hưởng bất lợi của các vật liệu nano đối với sức khỏe con người đó là yếu tố phơi nhiễm và khả năng gây độc của chúng Khi không bị phơi nhiễm thì yếu tố nguy cơ sẽ bị loại trừ mà không cần xem xét đến tính độc của chúng
Các tiểu phân nano được xem như các hóa chất và được kiểm soát theo quy định về đăng ký, đánh giá, thẩm quyền và giới hạn về hóa chất của Liên minh châu Âu (REACH) và đặt dưới hoạt động kiểm soát các chất độc hại của Mỹ Một vài sáng kiến quốc tế cũng đang tiến hành để đảm bảo việc sản xuất an toàn và giảm tác động đến môi trường của các sản phẩm dựa trên công nghệ nano Ví dụ, tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hóa (ISO) và tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế (OCED) đang tham gia vào các vấn đề an toàn của công nghệ nano bằng việc cung cấp các tiêu chuẩn để đánh giá vật liệu nano Tổ chức OECD đã thành lập bộ phận chuyên trách về các vật liệu nano được sản xuất Bộ phận này điều hành một vài dự án với mục đích nhằm tìm hiểu đặc tính và các nguy cơ tiềm ẩn của vật liệu nano Mỹ và Canada đã có sáng kiến hợp tác điều hành một hội đồng hợp tác pháp lý (RCC) Hội đồng RCC nỗ lực kiểm soát vấn đề an toàn môi trường của vật liệu nano và trong các lĩnh vực ứng dụng công nghệ nano bao gồm trong y học và trong các lĩnh vực khác Tiểu phân nano ứng dụng trong y học hoặc làm các bộ phận của dụng cụ y tế được kiểm soát theo khung pháp lý của Cục quản lý thực phẩm và dược phẩm Mỹ (FDA) và Cơ quan Y tế châu Âu (EMA) đối với các thuốc có khối lượng phân tử thấp hoặc các chế phẩm công nghệ sinh học Các công thức chứa hệ mang thuốc nano và một thuốc có khối lượng phân tử thấp hoặc sản phẩm sinh học (như protein hoặc kháng thể có khả năng trị liệu) được xem như sản phẩm kết hợp và được xem xét bởi Văn phòng về sản phẩm kết hợp của Mỹ Độc tính do tiểu phân nano là một chủ đề rộng liên quan đến môi trường, nghề nghiệp và an toàn sức khỏe Một vài dạng độc tính do vật liệu nano xuất phát từ các đường phơi nhiễm chung như đường qua da, đường hô hấp, đường tiêu hóa, và đường toàn thân có thể gặp phải Việc đánh giá độc tính do tiểu phân nano dựa trên vài yếu tố cơ bản như (1) mục đích sử dụng, (2) đường sử dụng hoặc phơi nhiễm, (3) liều lượng và số lần dùng, (4) xem xét đến khả năng phân bố toàn thân hoặc đánh giá độc tính toàn thân thậm chí khi đường sử dụng không phải là đường tiêm tĩnh mạch,
(5) sử dụng các mô hình phù hợp nhất và có độ nhạy tốt nhất, (6) xem xét vấn đề chuyển hóa của tiểu phân nano, (7) nhận thức rõ các độc tính trường diễn và độc tính cấp Việc đánh giá kết hợp đa chiều về các vật liệu nano sẽ định hướng được các ứng dụng của chúng trong y học, và giúp có cái nhìn sâu sắc về sự hình thành của các dấu hiệu độc tính trong các ứng dụng khác nhau của chúng Đồng thời, việc công nhận về sự an toàn của các vật liệu nano đối với bệnh nhân cũng cần kết hợp với việc đề cao khía cạnh an toàn môi trường và nghề nghiệp Việc hợp tác giữa những lĩnh vực này sẽ đảm bảo sự tác động tối thiểu lên sức khỏe của bệnh nhân, cũng như môi trường và sức khỏe của nhân viên sản xuất và xử lý các vật liệu nano [31]
Như vậy, các chế phấm chứa tiểu phân nano cần được đánh giá độc tính như là một thuốc mới để đảm bảo an toàn, hiệu quả của thuốc trong chẩn đoán hay điều trị bệnh
1 Trình bày những ưu, nhược điểm của tiểu phân nano
2 Dựa vào cách phân loại, trình bày các đặc điểm của từng tiểu phân nano
3 Phân tích một số vai trò của công nghệ nano trong dược phẩm
4 Trình bày các yếu tố cơ bản cần xem xét khi đánh giá độc tính của tiểu phân nano Cho ví dụ.