การพัฒนาพอลิเมอริกไมเซลล์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงพีเอชจากไคโตซานเพื่อนำส่งยาโดยการรับประทาน

Abstract

การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อสังเคราะห์อนุพันธ์ไคโตซานที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงพีเอช N-naphthyl-N,O-succinyl chitosan (เอ็นเอสซีเอส), N-octyl-N,O-succinyl chitosan (โอเอสซีเอส) and N-benzyl-N,O-succinyl chitosan (บีเอสซีเอส) และเตรียมพอลิเมอริกไมเซลล์สำหรับนำส่งยาโดยการรับประทาน ศึกษาหาความเข้มข้นวิกฤตของการเกิดไมเซลล์และการทดสอบความเป็นพิษต่อเซลล์ในหลอดทดลอง ในการศึกษานี้ได้เลือกยาเมล็อกซิแคมและเคอร์คูมินเป็นยาต้นแบบ โดยบรรจุยาในพอลิเมอริกไมเซลล์ด้วยวิธีทางกายภาพ (วิธีแยกสารผ่านเยื่อ วิธีอิมัลชันชนิดน้ำมันในน้ำ วิธีการหยด และวิธีระเหยแห้ง) ศึกษาผลของวิธีการเตรียมพอลิเมอริกไมเซลล์ ชนิดของพอลิเมอร์และปริมาณตัวยาเริ่มต้น (ร้อยละ 5-40 โดยน้ำหนักต่อพอลิเมอร์) ต่อประสิทธิภาพในการบรรจุยาและความสามารถในการบรรจุยา นอกจากนี้ศึกษาขนาดอนุภาค รูปร่าง ความคงสภาพของโครงสร้างไมเซลล์ การปลดปล่อยยา การดูดซึมผ่านผนังลำไส้และความเป็นพิษต่อเซลล์ของพอลิเมอริกไมเซลล์ที่บรรจุยา ผลการทดลองพบว่าประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์ เอ็นเอสซีเอส โอเอสซีเอสและบีเอสซีเอส ด้วยวิธี reductive N-amination และ N,O-succinylation และการประเมินสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ด้วยเทคนิค เอนเอ็มอาร์ เอฟทีไออาร์ จีพีซีและการวิเคราะห์ธาตุเคมีอนุพันธ์ไคโตซานที่สังเคราะห์ได้นี้สามารถก่อตัวเป็นไมเซลล์ในตัวกลางที่เป็นน้ำด้วยค่าความเข้มข้นวิกฤตของการเกิดไมเซลล์ต่ำ การทดสอบความเป็นพิษต่อเซลล์คาร์โก-2 และเซลล์เอชที-29 ในหลอดทดลองของอนุพันธ์ไคโตซาน เอ็นเอสซีเอส โอเอสซีเอส และบีเอสซีเอส มีค่าความเป็นพิษต่อเซลล์ต่ำ สำหรับการเตรียมพอลิเมอริกไมเซลล์บรรจุยาเมล็อกซิแคมด้วยวิธีทางกายภาพ พบว่าวิธีระเหยแห้งสามารถบรรจุยาได้มากกว่าวิธีอื่น และพอลิเมอริกไมเซลล์ที่เตรียมจากโอเอสซีเอสมีความสามารถในการบรรจุยามากกว่าการใช้อนุพันธ์ชนิดอื่น นอกจากนี้การเพิ่มปริมาณตัวยาเริ่มต้นต่อพอลิเมอร์จากร้อยละ 5 ถึงร้อยละ 40 โดยน้ำหนัก มีผลเพิ่มความสามารถในการบรรจุยา ขนาดอนุภาคของไมเซลล์อยู่ในช่วง 84-382 นาโนเมตร และมีรูปร่างกลม พอลิเมอริกไมเซลล์มีการเปลี่ยนแปลงทางรูปลักษณะภายใต้สารละลายที่มีพีเอชแตกต่างกันซึ่งแสดงถึงความไวต่อการเปลี่ยนแปลงพีเอชของพอลิเมอร์ที่สังเคราะห์ได้ การศึกษาการปลดปล่อยยาเมล็อกซิแคมจากยาที่บรรจุในพอลิเมอริกไมเซลล์ และเมล็อกซิแคมในรูปอิสระในตัวกลางที่จำลองสภาวะทางเดินอาหารเป็นเวลา 8 ชั่วโมง พบว่าการปลดปล่อยเมล็อกซิแคมที่บรรจุในพอลิเมอริกไมเซลล์ในสภาวะจำลองกระเพาะอาหารพีเอช 1.2 ประมาณร้อยละ 10-20 และเมื่อปรับพีเอชของตัวกลางให้จำลองสภาวะลำไส้เล็กพีเอช 6.8 พบว่าการปลดปล่อยเมล็อกซิแคมจากไมเซลล์เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ (ประมาณร้อยละ 100) เมื่อเปรียบเทียบกับยารูปแบบอิสระ (ประมาณร้อยละ 60) ทั้งนี้เนื่องจากผลของการแตกตัวเป็นไอออนของส่วนหมู่กรดซักซินิก นอกจากนี้พบว่าความสามารถในการดูดซึมผ่านผนังลำไส้หมูของยาเมล็อกซิแคมที่บรรจุในพอลิเมอริกไมเซลล์และยาในรูปแบบอิสระไม่แตกต่างกัน จากผลการทดลองแสดงว่าประสบความสำเร็จในการเตรียมพอลิเมอริกไมเซลล์บรรจุเมล็อกซิแคมเพื่อเพิ่มการละลายและควบคุมการปลดปล่อยยาโดยการปรับเปลี่ยนพีเอช สำหรับการนำส่งยาสู่ลำไส้ใหญ่โดยการรับประทานนั้น พบว่าพอลิเมอริกไมเซลล์ที่เตรียมจากเอ็นเอสซีเอสบรรจุเคอร์คูมินด้วยวิธีแยกสารผ่านเยื่อจะบรรจุยาได้มากที่สุด การเพิ่มปริมาณตัวยาเริ่มต้นต่อพอลิเมอร์จากร้อยละ 5 ถึงร้อยละ 40 โดยน้ำหนัก มีผลเพิ่มความสามารถในการบรรจุยาการใช้พอลิเมอร์ต่างชนิดกันเพื่อเตรียมพอลิเมอริกไมเซลล์สำหรับบรรจุเคอร์คูมิน พบว่ามีความสามารถในการบรรจุยาไม่แตกต่างกัน โดยมีขนาดอนุภาคอยู่ในช่วง 120-338 นาโนเมตร พอลิเมอริกไมเซลล์ที่เตรียมจากเอ็นเอสซีเอสบรรจุเคอร์คูมินเริ่มต้นร้อยละ 5 มีความคงสภาพของโครงสร้างไมเซลล์ดีที่สุด การปลดปล่อยเคอร์คูมินออกจากพอลิเมอริกไมเซลล์ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงพีเอช โดยพบว่าในสภาวะจำลองกระเพาะอาหารพีเอช 1.2 มีการปลดปล่อยยาประมาณร้อยละ 20 และการปลดปล่อยยาเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ เมื่อปรับพีเอชเป็น 6.8 เพื่อจำลองสภาวะลำไส้เล็ก (ปลดปล่อยยาร้อยละ 50-55) และปรับพีเอชเป็น 7.4 จำลองสภาวะลำไส้ใหญ่ (ปลดปล่อยยาร้อยละ 60-70) เมื่อเทียบกับยาในรูปแบบอิสระปลดปล่อยยาร้อยละ 20 (p < 0.05) เคอร์คูมินบรรจุในพอลิเมอริกไมเซลล์ที่เตรียมจากเอ็นเอสซีเอสมีฤทธิ์ยับยั้งการเจริญของเซลล์มะเร็งลำไส้ใหญ่เอชที-29 สูงสุด ค่า IC50 เท่ากับ 6.18 ± 0.18 ไมโครกรัม/มิลลิลิตร การทดสอบเสถียรสภาพ พบว่าเคอร์คูมินบรรจุในพอลิเมอริกไมเซลล์ทั้งหมดมีเสถียรสภาพดีอย่างน้อย 3 เดือน สรุปได้ว่าประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์อนุพันธ์ไคโตซานที่สามารถก่อตัวเป็นพอลิเมอริกไมเซลล์ได้ซึ่งไมเซลล์เหล่านี้มีศักยภาพในการเพิ่มการละลายยา และควบคุมการปลดปล่อยยาเมล็อกซิแคมและเคอร์คูมินไปบริเวณเป้าหมายได้ในรูปแบบรับประทาน พอลิเมอริกไมเซลล์ที่เตรียมจากโอเอสซีเอสเหมาะสำหรับการใช้เพื่อนำส่งยาเมล็อกซิแคม ในขณะที่ไมเซลล์ที่เตรียมจากเอ็นเอสซีเอสเหมาะสำหรับการนำส่งเคอร์คูมินสู่ลำไส้ใหญ่โดยการรับประทาน The objectives of this study were to synthesize pH sensitive amphiphilic chitosan derivatives, i.e. N-naphthyl-N,O-succinyl chitosan (NSCS), N-octyl-N,O-succinyl chitosan (OSCS) and N-benzyl-N,O-succinyl chitosan (BSCS) and to formulate polymeric micelles (PMs) for oral drug delivery. The critical micelle concentration (CMC) and in vitro cytotoxicity of NSCS, OSCS and BSCS PMs were studied. Meloxicam (MX) and curcumin (CUR) were selected as model drugs. Drug-loaded pH sensitive PMs were prepared by the physical entrapment methods (dialysis, O/W emulsion, dropping and evaporation). The influence of entrapment methods, hydrophobic moieties of copolymers and initial amount of drug (5-40% w/w to polymer) on entrapment efficiency (EE) and loading capacity (LC) were investigated. Moreover, the particle size, morphology, micelles structure stability, drug release, intestinal permeation and cytotoxicity of the drug-loaded PMs were investigated. The NSCS, OSCS and BSCS were successfully synthesized via reductive N-amination and N,O-succinylation, and characterized by 1H NMR, ATR-FTIR, GPC and elemental analysis. The amphiphilic chitosan derivatives formed PMs at a low CMC in aqueous media. In vitro cytotoxicity of NSCS, OSCS and BSCS PMs had low cytotoxicity on Caco-2 cells and HT-29 cells. For MX-loaded PMs, the evaporation method gave PMs with the highest loading capacity and OSCS showed the higher loading capacity than other chitosan derivatives. In addition, increasing initial amount of MX from 5 to 40% w/w to polymer increased the loading capacity of PMs. The particle sizes of all MX-loaded PMs were in the range of 84-382 nm and showed spherical shape in deionized water. PMs exhibited the morphological changes under different pH medium, confirming the responsiveness to pH. In vitro release studies of MX from all MX-loaded PMs and MX free drug were conducted for 8 h to mimic the conditions of the GI tract. In acidic medium (pH 1.2) as the simulated gastric fluid (SGF), the percent cumulative release of MX from MX-loaded PMs was approximately 10-20%. When the pH was shifted to 6.8 as simulated intestinal fluid (SIF), the MX release from all MX-loaded PMs significantly increased (approximately 100 %), compared with free MX (approximately 60%), due to the ionization of the succinic acid moiety. Moreover, there were no significant differences in the intestinal permeation of MX from MX-loaded PMs and MX free drug. These results suggest that MX was successfully loaded into the PMs to increase solubility with high efficiency and MX release behaviors depending on the pH. For oral colon-targeted drug delivery, CUR-loaded NSCS PMs prepared by the dialysis method presented the highest loading capacity. An increasing initial amount of CUR from 5% to 40% w/w to polymer resulted in the increase of loading capacity of PMs. Among the hydrophobic cores, there were no significant differences in loading capacity of CUR-loaded PMs. The particle sizes of all CUR-loaded PMs were in range of 120-338 nm. The PMs from NSCS with 5% initial CUR, showed the highest structure stability. In vitro release behaviors of CUR from all CUR-loaded PMs were pH-dependent. In SGF, the percent cumulative release of CUR from all CUR-loaded PMs was about 20%. Afterward, the amount of CUR released from CUR-loaded PMs significantly increased (SIF; 50-55%) and (SCF; 60-70%), compared with free CUR (approximately 20%) (p<0.05). CUR-loaded NSCS exhibited the highest anti-cancer activity against HT-29 colorectal cancer cells with IC50 of 6.18 ± 0.18 µg/mL. The stability studies indicated that all CUR-loaded PMs were stable for at least 3 months. In summary, pH-responsive amphiphilic chitosan derivatives (NSCS, OSCS, and BSCS) were successfully synthesized and used for the preparation of PMs. These PMs had the potential to improve the solubility of MX and CUR, and to control the drug release at targeted sites by oral administration. OSCS PMs could be used as desirable for MX oral drug delivery, whereas NSCSPMs was suitable for CUR oral colon-targeted drug delivery.