hạt tải thuốc nano

- Hạt nano sử dụng liên kết hóa học: liposome, polymer 1.1 Hạt nano từ sử dụng Gradient điều khiển đến vùng cần trị: - Hệ hạt từ tính khi đi vào mạch máu sẽ được một gradient từ trường

Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách Khoa Khoa Kỹ Thuật Hóa Học

Bộ môn Kỹ Thuật Hóa Lý

ĐỀ TÀI HẠT TẢI THUỐC DẠNG NANO

GVHD: PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh SVTH: Võ Thị Cẩm Tú 61304676 Trần Thị Kim Huyền 61301562

Năm học: 2015-2016

Mục lục

1 Phân loại và tính chất hạt nano dẫn truyền thuốc vào tế bào 3

1.1 Hạt nano từ sử dụng Gradient điều khiển đến vùng cần trị: 3

1.2 Hạt nano sử dụng liên kết hóa học để đưa thuốc tới vùng điều trị 4

a Hạt nano Liposome 5

b Hạt nano Polymer 7

2 Nguyên tắc vận hành: 8

3 Các phương pháp chế tạo 14

3.1 Chế tạo Liposome chứa thuốc kháng ung thư: 14

3.2 Chế tạo nano từ tính Oxit Sắt từ bọc hạt bằng polymer tương thích sinh học 16

4 Tài liệu tham khảo: 23

1 Phân loại và tính chất hạt nano dẫn truyền thuốc vào tế bào

Có 2 loại chủ yếu:

- Hạt nano từ tính sử dụng Gradient: hạt oxit sắt, hạt nano vàng

- Hạt nano sử dụng liên kết hóa học: liposome, polymer

1.1 Hạt nano từ sử dụng Gradient điều khiển đến vùng cần trị:

- Hệ hạt từ tính khi đi vào mạch máu sẽ được một gradient từ trường ngoài rất mạnh tập trung vào một vị trí nào đó cần thết trên cơ thể Sau đó hạt tải sẽ tiến hành nhả thuốc

- Các hạt nano từ tính thường dùng là oxit sắt bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA, detran hoặc silica Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để có thể liên kết với các phân tử khác như nhóm chức carboxyl, biotin,

Hạt nano vàng Hạt nano oxit sắt

- Hạt nano từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị

- Hệ hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn qua mạch máu để đến mục tiêu

- Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể

- Quá trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ

1.2 Hạt nano sử dụng liên kết hóa học để đưa thuốc tới vùng điều trị

- Hạt tải thuốc nano được kết hợp với phân tử thuốc ở vỏ hoặc được chứa bên trong hạt

Cơ thể Gardient từ trường ngoài

rất mạnh

Tế bào

cần điều trị

a Hạt nano Liposome

- Liposomecó kích thước từ 50nm đến vài trăm nm

- Liposome là những hạt lipid có cấu trúc vi thể, nhỏ hơn các tế bào máu hàng ngàn lần Khi một dạng lipid gọi là phospholipid trộn hòa với một chất lỏng để tạo thành một vật mang nhỏ có cấu trúc gồm một lớp màng lipid kép bao quanh một nhân lipid

Hạt

nano

: Phân tử thuốc kết hợp ở vỏ hạt

: Phân tử thuốc đượcchứa bên trong hạt : phân tử

thuốc

- Là một loại hạt có vỏ kép được thiết kế có tính ái nước ở bề mặt trong và ngoài

để có thể di chuyển trong môi trường sinh học và chứa phân tử thuốc trong trạng thái dung dịch nước

- Bề mặt vỏ liposome được thiết kế với thành phần hóa học thích hợp sao cho hạt biết tránh các tế bào khỏe mạnh và chỉ có thế tác dụng với tế bào ung thư và nhả thuốc khi gặp một môi trường có nhiệt độ hay pH nhất định

- Liposome trong trị liệu gen: thực chất là phức hợp cationic liposome (liposome cấu tạo bởi các phân tử phospholipid mang điện dương) có khả năng nén nhỏ các phân tử AND hoặc plasmit cồng kềnh và vận chuyển vào trong nhân tế bào

- Khả năng ứng dụng liposome như chất thay thế hồng câu nhằm vận chuyển oxy có rất nhiều triển vọng

b Hạt nano Polymer

- Hạt nano polymer (PNPs) là những hạt có cấu trúc với đường kính từ 10 đến

100 nm Các PNPs thu được từ các polyme tổng hợp, chẳng hạn như polycaprolacton, polyacrylamide và polyacrylate hoặc các polyme tự nhiên ví dụ như albumin, DNA, chitosan, gelatin

- PNPs thường được phủ một lớp bề mặt không ion để làm giảm sự tương tác miễn dịch (ví dụ opsonization hoặc trình bày PNPs để CD8 T-lymphocytes) cũng như tương tác giữa các phân tử giữa các nhóm hóa học bề mặt của PNPs (van der Waals, tương tác kỵ nước hoặc hydro liên kết)

- Nano polymer là vật tải thuốc có chức năng tương tự nhưng với một cấu trúc đơn giản hơn

- Vật liệu polymer thường được dùng là polymer sinh học chitosan (chế biến tổng hợp từ vỏ tôm) hay polymer tổng hợp như cacbon nanotube được đưa vào sử dụng để truyền tải thuốc Carbon nanotube là những lớp graphiteđơn giản cuộn tròn

ở dạng hìnhcống, có thể có dạng đơn hoặc đa vách Cho phép những tế bào thâm nhập và có thể kết hợp của chúng trở thành hạt truyền tải thuốc trong cơ thể sống

Kết tụ

Kết hợp phân tử thuốc

Hệ thống tuần hoàn

4 (nm) < Kích thước hạt nano < 400 (nm)

- Các polymer kết tập thành các mixen (micelle) có tính tương thích sinh học (bio-compatible) và phân hủy sinh học (bio-degradable) Gần đây, tương tự như hạt liposome, mixen polymer được thiết kế có độ nhạy đối với pH của môi trường xung quanh Độ nhạy pH của polymer được thiết kế để khi gặp môi trường của khối u ung thư polymer bị phân giải và nhả thuốc chống ung thư ở một tốc độ tối ưu định sẵn

2 Nguyên tắc vận hành:

- Khi đạt đến kích cỡ nano, các kim loại chuyển tiếp có khả năng hoạt động rất mạnh Những hoạt tính ở kích cỡ thông thường kim loại không thể hiện, như: khả năng diệt khuẩn, khả năng xúc tác cho nhiều phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thường hoặc ở nhiệt độ âm, và quan trọng nữa là tính dẫn thuốc thông minh trong y học, hơn nữa nó có tính tự phát quang khi chiếu tia sáng vào, mà không cần đến chất phát quang gây độc tới các tế bào như một số hóa chất sử dụng để tạo phát huỳnh quang trong công nghệ sinh học v.v…Lợi dụng các tính chất này, rất nhiều nano của kim loại ứng dụng vào thực tế cuộc sống và trong công nghiệp

- Hạt nano kim loại mang đặc tính gắn kết, một khi được gắn với kháng nguyên hoặc kháng thể (thông thường là kháng thể đơn dòng), được lắp ráp trong các loại hình dụng cụ chẩn đoán, có thể sử dụng như là một loại công cụ phát hiện nhanh tác nhân gây bệnh Kháng nguyên hoặc kháng thể là các phân tử protein có nhiều gốc liên kết và mang điện tích, nên chúng có khả năng kết hợp với hạt nano đồng thời kháng nguyên và kháng thể đặc hiệu còn có khả năng kết hợp với nhau bằng liên kết miễn dịch học

- Đối với vật liệu siêu thuận từ: từ dư và lực kháng từ bằng không Điều đó có nghĩa là, khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học

- Hạt nano từ tính dùng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: tính đồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn và vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính) Tính đống nhất về kích thước là tính chất liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo còn từ độ bão hòa và tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu Trong tự nhiên, sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhất tại nhiệt độ phòng, sắt không độc đối với cơ thể người và tính ổn định khi làm việc trong môi trường không khí nên các vật liệu như ô-xít sắt được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nanô từ tính

- Các hạt nano từ tính được ứng dụng trong y-sinh học là do:

Kích thước nhỏ bé tạo điều kiện thuận lợi cho hạt nano tiếp cận với các thực thể sinh học mà không làm ảnh hưởng nhiều đến các hoạt động chức năng

Diện tích bề mặt lớn làm cho khả năng tương tác giữa các hạt nano và thực thể sinh học tăng mạnh

Do có từ tính nên có thể dùng từ trường điều khiển các thực thể sinh học thông qua các hạt nano từ

- Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các

tế bào mạnh khỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đã được nghiên cứu từ những năm 1970 , những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính Có hai lợi ích cơ bản là:

(i) thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc

(ii) giảm lượng thuốc điều trị

- Hạt nano từ tính có các ứng dụng cả ngoài cơ thể và trong cơ thể Phân tách và chọn lọc tế bào bằng việc sử dụng hạt nano từ tính là một phương pháp tiên tiến

Các thực thể sinh học cần nghiên cứu sẽ được đánh dấu thông qua các hạt nano từ tính Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa, tương tự các phân tử trong

hệ miễn dịch, có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư, vi khuẩn Một từ trường bên ngoài sẽ tạo lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu và giữ chúng lại, các tế bào không được đánh dấu sẽ thoát ra ngoài

- Hạt nano từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị Lúc này hạt nanô có tác dụng như một hạt mang Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ

- Những hạt nano phát quang khi đi vào cơ thể và khu trú, tập trung tại các vùng bệnh, kết hợp với kỹ thuật thu nhận tín hiệu phản xạ quang học giúp con người có thể phát hiện các mầm bệnh và có biện pháp điều trị kịp thời

- Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt nhất là dùng để điều trị u não Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc cần phải vượt qua hàng rào băng cách giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của hạt nanô từ có kích thước 10-20 nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả hơn rất nhiều

- Hình dưới đây minh họa sự chuyển động của mạch máu trong đó có sự tồn tại của hạt nanô từ tính Các thành phần trong mạch máu có tính chất từ khác nhau Có thành phần là nghịch từ (DM), thuận từ (PM), sắt từ (FM) và siêu thuận từ (SPM) Phần lớn các chất hữu cơ có tính nghịch từ, một số ion của sắt có mặt trong các ferritin có tính thuận từ, hạt nanô từ tính được tiêm từ bên ngoài vào có tính sắt từ

và siêu thuận từ

- Khi được đưa vào cơ thể, hạt nano tải thuốc sẽ theo hệ thống tuần hoàn qua mạch máu để đi đến mục tiêu Kích cỡ của hạt nano hay mixen polymer là một yếu tố quan trọng cho việc tải thuốc Kích cỡ này phải trong phạm vi từ 4 đến 400 nm Nếu nhỏ hơn

4 nm, hạt sẽ nhanh chóng bị thải ra theo đường bài tiết Nếu lớn hơn 400 nm, hạt sẽ bị

hệ thống miễn nhiễm phát hiện và loại trừ ra khỏi cơ thể Như thế, dược liệu được bao lại trong từng "gói" nhỏ và di chuyển đến mục tiêu để "bắn phá" các tế bào ung thư

- Ở đây, người ta cũng lợi dụng sự khác biệt giữa vùng mô bình thường khoẻ mạnh

và khối u ung thư Tế bào của vách huyết quản trong vùng mô khoẻ mạnh có sự liên kết rất khít khao, trong khi đó những khoảng hở nanomet xuất hiện ở vách huyết quản của khối u ung thư Phân tử thuốc tự do có thể đi xuyên vách qua sự thẩm thấu và khuếch tán tự nhiên, tác dụng và hủy diệt các tế bào tốt lẫn tế bào ung thư không phân biệt

Ngược lại, khi thuốc bị gói trong hạt tải nano, độ lớn của hạt không cho nó đi qua vách huyết quản nhưng có thể chui lọt qua những khoảng hở đi vào khối u ung thư

Sự di động của phân tử thuốc và hạt tải thuốc trong huyết quản

(1) Huyết quản mô tế bào bình thường ; (2) huyết quản mô tế bào ung thư

Hạt nano từ tính sử dụng gardient điều khiển đến vùng cần điều trị

Nguyên lí dẫn thuốc dùng hạt nanô từ tính Một thanh nam châm bên ngoài rất mạnh tạo

ra một gradient từ trường kéo các hạt nanô từ tính gắn với thuốc đến vị trí mong muốn

Truyền thuốc bằng Lyposomes

3 Các phương pháp chế tạo

- Trên lí thuyết có rất nhiều loại hạt nano tải thuốc và kèm theo đó là rất nhiều

cách chế tạo Ở đây, đề cập đến 2 dạng hạt tải thuốc là Lyposome và hạt nano từ tính Fe3O4 phủ polymer vì qua tìm hiều 2 dạng trên đã có những ứng dụng thực tế

và tương đối phổ biến trong cuộc sống

3.1 Chế tạo Liposome chứa thuốc kháng ung thư

- Các nhà nghiên cứu sinh hóa học đã thiết kế lớp phospholipid có độ nhạy cảm với pH của môi trường Nhờ vậy, khi liposome đi vào môi trường vi mô mang tính acid của khối u ung thư vỏ liposome tan vỡ và nhả thuốc vào tế bào bệnh Thành quả nghiên cứu trong vài thập niên vừa qua đã tối ưu hóa cấu trúc liposome, gia tăng hiệu năng cho việc hóa trị liệu ung thư trong cơ thể con người

Cấu trúc thuốc nano-liposome thông minh

- Hai con đường để hoạt chất có thể tích hợp vào liposome phụ thuộc vào tính chất tan hay không tan trong nước của thuốc:

 Thuốc tan trong nước khi trộn với phospholipid hình thành nên liposome kẹp thuốc ở bên trong

 Đối với những dược chất không tan trong nước ban đầu nó phải được hòa tan vào một dung môi như ethanol hoặc cloroform sau đó trộn với phospholipid thì nó trở nên hòa tan trong phosphoipid Khi hỗn hợp thuốc/ phospholipid được trộn với liposome hình thành nên một cấu trúc liposome với hoạt chất được bao trong lớp lipid kép

- Khi một dược chất tan trong nước, nó được nang hóa trong liposome, màng lipid bao quanh thuốc bảo vệ chúng khỏi tác động chuyển hóa của gan và lượng lớn thuốc còn lại vượt qua được các quá trình chuyển hóa này sẽ gây hiệu quả tác dụng cao hơn Bên cạnh đó, cấu trúc liposome khá lớn không thể xuyên qua những khe

hở của tế bào mạch máu và thoát khỏi mạch máu Thuốc liposome sẽ tuần hoàn như một hỗn dịch nano trong máu một thời gian dài, kết quả những thuốc liposome

có hoạt chất hòa tan trong nước sẽ tồn tại trong cơ thể lâu hơn và sinh khả dụng sẽ cao hơn

- Đối với những hoạt chất không tan trong nước thì có một số điểm khác biệt, tuy nhiên khi bào chế ở dạng liposome cũng đem lại nhiều lợi ích đáng kể Hiện tại, đối với những hoạt chất không tan, ban đầu nó phải được hòa tan vào những dung môi như cremophore, polysorbat, trước khi tiêm Những dung môi này bản thân

nó có độc tính hoặc gây kích ứng mô bình thường

- Việc sử dụng các dung môi độc có thể hạn chế bằng phương pháp tích hợp các hoạt chất không tan vào liposome Những hoạt chất không tan sẽ được hòa tan vào một hỗn hợp đặc biệt phospholipid và cuối cùng sẽ tạo thành liposome với hoạt chất được tích hợp vào lớp phospholipid kép Vì các liposome có kích thước rất nhỏ nên

nó sẽ tồn tại dưới dạng hỗn dịch nano và gây nên tác động tương tự dung dịch Những thuốc liposome dạng hỗn dịch có kích thước nano sẽ được đưa vào cơ thể

mà không hề phải sử dụng đến những dung môi độc hại

- Lớp màng lipid của liposome sẽ bảo vệ thuốc không bị gan chuyển hóa, bên cạnh đó các phần tử liposome có kích thước quá lớn nên không thể thoát ra khỏi mạch máu, vì vậy thuốc sẽ lưu lại trong máu lâu hơn Kết quả khi một hoạt chất

không tan trong nước được bào chế dưới dạng liposome sẽ có nhiều phân tử thuốc lưu lại trong vòng tuần hoàn đồng thời nâng cao sinh khả dụng của thuốc

- Đối với các thuốc ung thư nếu bào chế dạng liposome còn có một ưu điểm đáng kể khác Các mạch máu nuôi khối u thường có hình dạng bất thường và có những lỗ rò Các lỗ rò của lớp tế bào lót màng trong mạch máu thường có đường kính vượt quá 400 nm Các phân tử thuốc liposome có đường kính nhỏ hơn 400nm

sẽ vượt qua được những khe hở này đi vào khối u, phóng thích thuốc

- Kích thước các khe hở ở những mạch máu của các mô bình thường có đường kính nhỏ hơn 10 nm, không cho các phân tử thuốc liposome đi qua, vì vậy ngăn chặn thuốc đến các mô lành và gây hại Kết quả sẽ có nhiều phân tử thuốc tập trung

ở vùng khối u và giảm đáng kể lượng thuốc đến những mô bình thường

- Để cải thiện thêm những ưu điểm trên, bề mặt của thuốc liposome cần được bao phủ bởi một hợp chất bảo vệ ví dụ như PEG có tác dụng giúp ổn định liposome, bảo vệ chúng khỏi quá trình phân giải ở gan hoặc hệ thống miễn dịch của người bệnh Những dạng thuốc liposome có lớp áo PEG bao phủ thường được xem là dạng liposome "ẩn" Thuốc được bào chế dạng liposome đầu tiên được FDA công nhận cách đây 10 năm để chữa ung thư là Dauno Xome (liposome daunorubicin) và Doxil (liposome doxorubicin)

3.2 Chế tạo nano từ tính Oxit Sắt từ bọc hạt bằng polymer tương thích sinh học

- Hạt nano từ tính trong y sinh học thường ở dạng chất lỏng từ (hay còn gọi là nước từ) Chất lỏng từ gồm 3 thành phần: hạt nano từ tính, chất hoạt động bề mặt

và dung môi Hạt nanô từ tính là thành phần duy nhất quyết định đến tính chất từ của CLT CHĐBM có tác dụng làm cho hạt nanô phân tán trong dung môi, tránh các hạt kết tụ lại với nhau ngay cả khi có mặt của từ trường ngoài CHĐBM còn có tác dụng “che phủ” hạt nanô khỏi sự phát hiện của hệ thống bảo vệ cơ thể và tạo các mối liên kết hóa học với các phân tử khác Dung môi là chất lỏng mang toàn bộ hệ