[論文レビュー] Tuneable drug-loading capability of chitosan hydrogels with varied network architectures

Giuseppe Tronci, Hiroharu Ajiro+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2013

Hydrogels: synthesis, properties, applications参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、酒石酸、PEG、フェニレンジアセチック酸、ヘパラン硫酸模倣型PhSといった多様な架橋剤を用いて設計された、網目構造が調整可能なキトサンゲルが、調整可能な静電気的駆動型薬物負荷を示すことを示している。架橋剤の電荷を調整することにより、ゾータ電位が異なる薬物と選択的に複合化し、最大で18 mol%のPhS架橋が達成され、薬物の組み込み効率を精密に制御可能である。

ABSTRACT

Advanced bioactive systems with defined macroscopic properties and spatio-temporal sequestration of extracellular biomacromolecules are highly desirable for next generation therapeutics. Here, chitosan hydrogels were prepared with neutral or negatively-charged crosslinkers in order to promote selective electrostatic complexation with charged drugs. Chitosan (CT) was functionalised with varied dicarboxylic acids, such as tartaric acid (TA), poly(ethylene glycol) bis(carboxymethyl) ether (PEG), 1.4-Phenylenediacetic acid (4Ph) and 5-Sulfoisophthalic acid monosodium salt (PhS), whereby PhS was hypothesised to act as a simple mimetic of heparin. ATR FT-IR showed the presence of C=O amide I, N-H amide II and C=O ester bands, providing evidence of covalent network formation. The crosslinker content was reversely quantified by 1H-NMR on partially-degraded network oligomers, so that 18 mol% PhS was exemplarily determined. Swellability, compressability, material morphology, and drug-loading capability were successfully adjusted based on the selected network architecture. Here, hydrogel incubation with model drugs of varied electrostatic charge, i.e. allura red (AR, --), methyl orange (MO, -) or methylene blue (MB, +), resulted in direct hydrogel-dye electrostatic complexation. Importantly, the cationic compound, MB, showed different incorporation behaviours, depending on the electrostatic character of the selected crosslinker. In light of this tuneable drug-loading capability, these CT hydrogels would be highly attractive as drug reservoirs towards e.g. the fabrication of tissue models in vitro.

研究の動機と目的

• 薬物送達応用を向上させるために、制御可能な網目構造を有するキトサンゲルの開発。
• 架橋剤の電荷（中性、陰性、ヘパラン硫酸模倣型）を変化させた場合の薬物負荷効率への影響の調査。
• ゲル網目組成とモデル薬物との静電気的相互作用の間の構造-物性関係の確立。
• 共有結合で機能化されたキトサン網目を用いて、電荷を有するバイオマoleculeの正確でチューナブルな封入を実現。
• in vitro組織モデルおよび再生医療のためのスマートな薬物リザーバー設計のためのプラットフォームの提供。

提案手法

• キトサンをジカルボン酸（酒石酸、PEG、1.4-フェニレンジアセチック酸、5-スルホイソフタール酸モノナトリウム塩）で共有結合で機能化し、架橋されたゲル網目を形成した。
• ATR FT-IR分光法により、特徴的なアミドI（C=O）、アミドII（N-H）、エステル（C=O）バンドの観察により、共有結合網目の形成が確認された。
• 分解された網目のオリゴマーの1H-NMR分析により、架橋剤含有量の定量的評価が可能となり、18 mol%のPhS架橋が確認された。
• モデル染料（アラーラレッド、メチルオレンジ、メチレンブルー）を用い、電荷が異なるものを用いて、ゲルの膨張度、圧縮性、形態、および薬物負荷容量を体系的に評価した。
• カチオン性メチレンブルーと陰性架橋剤との間の静電気的複合化を用いて、電荷依存性負荷挙動の調査を行った。
• ヘパラン硫酸模倣型のPhS架橋剤は、細胞外マトリックス模倣のためのグリコスアミノグリカン相互作用を模倣するように特に設計された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電荷を有する架橋剤の選択が、キトサンゲルの薬物負荷容量にどのように影響するか？
• RQ2 網目構造を調整することにより、キトサン網目と電荷を有する薬物との間の静電気的相互作用をどの程度チューニングできるか？
• RQ3 ヘパラン硫酸模倣型架橋剤（PhS）は、自然のグリコスアミノグリカンの静電気的挙動を薬物封入において効果的に再現できるか？
• RQ4 分解されたオリゴマーの1H-NMRを用いて得られた架橋度の定量的値は何か？ また、それがゲルの物性とどのように相関するか？
• RQ5 薬物のゾータ電位（カチオン性対陰性）が、異なる電荷を有するゲル網目に組み込まれる程度にどのように影響するか？

主な発見

• ATR FT-IRにより、アミドI（C=O）、アミドII（N-H）、エステル（C=O）バンドの特徴的ピークが観察され、共有結合網目の形成が確認された。
• 1H-NMR分析により架橋剤含有量が定量的に評価され、ゲル網目に18 mol%のPhSが存在することが判明した。
• 異なる架橋剤の選択により、ゲルの膨張度、圧縮性、および形態が成功裏にチューニングされた。
• キトサンゲルとモデル染料（AR、MO、MB）との間の静電気的複合化が直接観察され、電荷依存性負荷が確認された。
• カチオン性メチレンブルーは、架橋剤の電気的性質に応じて明確に異なる組み込み挙動を示し、負荷のチューニングが可能であることが示された。
• ヘパラン硫酸模倣型のPhS架橋剤は、カチオン性薬物に対して選択的で高親和性の結合を可能にした。これは、細胞外マトリックス模倣型の薬物リザーバーへの応用可能性を示唆している。