مقاله سیستم های نانوهیدروژل : سامانه های نوین رسانش ترکیبات زیست فعال غذایی

بخشی از مقاله

چکیده:

هیدروژل ها شبکه های سه بعدی و آب دوست زنجیره های پلیمری هستند که می توانند مشابه بافت های بیولوژیکی عمل نمایند. امروزه نانوذرات هیدروژل های بیوپلیمری به دلیل دارا بودن خواصی چون سازگاری زیستی، تجزیه پذیری، تهیه آسان و قابلیت انحلال در آب در زمینه های مختلف غذایی، دارویی و آرایشی مورد توجه قرار گرفته است. نانوذرات هیدروژل ها در سیستم رسانش ترکیبات زیست فعال غذایی - کاروتنوئیدها، ویتامین ها، پپتیدهای زیست فعال و آنتی اکسیدان ها - به عنوان حامل، با قابلیت کنترل بالا، انتقال هدفمند، بهبود زیست دسترس پذیری، رسانش ترکیبات با حلالیت کم، سمیت پایین و نداشتن اثرات جانبی می توانند بکار روند و از این سیستم درتوسعه غذاهای فراسودمند با قابلیت اثرات فیزیولوژیک در درمان بسیاری از بیماری ها از جمله سرطان استفاده شود. در این مقاله به بررسی کاربرد هیدروژل های مبتنی بر بسپارهای زیستی کیتوزان، آلژینات، پکتین در مقیاس نانو در رسانش موثر دارویی مولکول های زیست فعال پرداخته می شود.

وازه های کلیدی: نانو ذرات هیدروژل، ترکیبات زیست فعال غذایی، رسانش

مقدمه:

روش نانو ریزپوشانی یکی از مهم ترین زیرگروه های بیونانوفناوری، جهت رهایش کنترل یافته مواد زیست فعال بکار می رود. نانوذرات عموماً سامانههای کلوئیدی از 10-1000 نانومتر هستند و از پلیمرهای زیست تجریه پذیر یا معمولی تهیه می شوند. با توجه به نوع فرایند تولیدی، دو نوع نانوذره تحت عنوان نانوکره ها و نانوکپسول ها بدست می آید. در نانوکره ها، ماده زیست فعال در سر تا سر ذره پخش می شود در حالی که نانو کپسول ها یک ساختار دیواره ای- غشایی و یک هسته روغنی یا آبی دارنده ماده فعال نشان می دهند. چون نانوذرات دارای مساحت سطحی بسیار زیادی هستند، ماده فعال ممکن است روی سطح آنها جذب یا کنژوگه شود. سرعت رهایش ماده فعال به ماهیت حامل و عوامل مختلف محیطی مانند ماهیت حلال، فشار اسمزی، دما، pH محیط و ... بستگی دارد. ریزپوشینه سازی در صنایع غذایی و دارویی جهت پوشاندن مواد رنگی، طعمی و دیگر ترکیبات زیست فعال و افزایش پایداری آنها کاربردهای فراوانی دارد. ریزپوشینه سازی ترکیبات زیست فعال سبب شده که بتوانند به راحتی حمل و نقل شده و پایداری شان نسبت به اکسیداسیون بهبود یابد.

براساس گزارشی از شرکت ساینتیفیکاٌ لندن افزایش زیادی در بازار رسانش داروهای پایه نانو از میزان رایج آن یعنی 3/4 بیلیون دلار - از 33 بیلیون دلار کل بازار رسانش دارویی - به حدود 26 بیلیون دلار تا سال 2012 نشان می دهد یعنی افزایش حدود %37 سالیانه و تا سال 2015 انتظار می رود به 220 بیلیون دلار برسد. از جمله فواید توسعه نانوذرات خوراکی به عنوان سامانه های رسانش دارویی می توان به بهبود حلالیت، هدفمند بودنٍ، افزایش زیست دسترس پذیری، جلوگیری از سمیت ناخواسته، بهبود پایداری برای داروهایی با ماهیت ناپایدار، افزایش فعالیت آنتی اکسیدانی و فراهم سازی رهایش حفظ شده ترکیبات فعال منجر به بهبود پروفیل پلاسمایی اشاره کردآنها. می توانند مستقیماً منتقل شوند و یا به غشای مخاطی بچسبند که یک مرحله پیش نیاز قبل از فرآیند جای گیری ذرات است. در طراحی رسانش خوراکی داروها، هیدروژل های حساس به pH توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. با کاهش تورم هیدروژلها در معده، میزان رهایش دارو در معده کاهش می یابد و بنابراین زیست دسترس پذیری و کارا بودن دارو در روده بهبود می یابد.

برخی از بسپارهای زیستی و خصوصیات آنها:

کیتوزان:

کیتوزان یک پلی ساکارید خطی کاتیونی است که از زیرواحدهای گلوکز آمین ساخته شده است. ویژگی هایی که کیتوزان را برای سیستم انتقال ترکیبات زیست فعال منحصر می کند شامل تجزیه پذیری زیستی، زیست سازگاری، غیر سمی بودن، حساسیت به pH، چسبندگی موکوزی و افزایش نفوذپذیری می باشد. کیتوزان دارای خصوصیات زیستی مطلوبی مانند داروی خون بند، باکتریواستاتیک، متوقف کننده رشد قارچ ها، ضد سرطان و ضد کلسترول می باشد. این بیوپلیمر آب دوست می تواند به آسانی با دیگر پلی آنیون ها مانند تری پلی فسفات، آلژینات، پکتین و ... ژل تشکیل می دهد و دارای توانایی تشکیل پوشش بسیار خوبی است. خصوصیات چسبندگی مخاطی کیتوزان به علت جذب الکترواستاتیک بین کیتوزان دارای بار مثبت و گروه سیالیک اسید با بار منفی موسین روده ای می باشد و با افزایش زمان تماس بین سامانه پلیمریک و سطح لایه مخاطی، جذب ترکیب در بر گرفته افزایش می یابد. این مطلب می تواند منجر به رفتار رهایش حفظ شده شود. اندازه کوچکتر و بار سطحی مثبت نانوذرات کیتوزان، امکان بالقوه شان را جهت فراهم سازی چسبندگی زیستی در دستگاه گوارش نشان می دهد. میزان pKa گروهای گلوکزآمین کیتوزان معمولاً از 6 تا 7 بسته به درجه استیلاسیون و وزن مولکولی بالا می رود در نتیجه بار خالص سطحی نانوکپسول های کیتوزان در اغلب سیالات زیستی نزدیک به صفر است از جمله در محیط روده ای یا وریدی که می تواند منجر به تجمع آنها در این سامانه ها شود. بر اساس مطالعات، نانوکپسول های بسیار پایدار کاربردی در محیط زیستی با شوری متوسط آنهایی بودند که با کیتوزان وزن مولکولی پایین دارای درجه استیلاسیون حدود %50 فرموله شده بودند.

آلژینات:

آلژینات یک پلی ساکارید خطی محلول در آب بوده که از جلبک قهوه ای استخراج شده و از واحدهای متناوب باقیمانده های گلورونیک و مانورونیک اسید تشکیل یافته است. مهمترین خصوصیت آلژینات، توانایی آن جهت تشکیل ژل به کمک کانیون های دوظرفیتی مانند کلسیم می باشد. چندین خصوصیت از جمله زیست سازگاری، چسبندگی زیستی، حساسیت به pH و شرایط ملایم ژله ای شدن سبب می شود که بتوان از این هیدروژل در رهایش دهانی ترکیبات زیست فعال استفاده نمود. آلژینات در pH پایین - محیط گوارشی - جمع شده و ترکیبات در برگرفته را رها نمی سازد. در شیره گوارشی، آلژینات سدیم هیدراته شده نامحلول می شود و با گذر از pH بالاتر لوله روده ای، این پوسته نامحلول به لایه ویسکوز محلول تبدیل می شود بنابراین این رفتار وابسته به pH آلژینات می تواند در پروفیل رهایش ترکیبات زیست فعالموثر باشد. معمولاً آلژینات دارای وزن مولکولی زیاد و میزان اسید گلورونیک بالا، شبکه بهتری از نظر رهایش ترکیبات در بر گرفته نشان می دهد.

پکتین:

پکتین یک پلیمر زیستی آنیونی است که از زیرواحدهای گالاکتورونیک اسید تشکیل یافته است که می تواند با کیتوزان بر هم کنش دهد و از این ترکیب هیدروژلی به عنوان شبکه حامل دارو در مطالعات برون تنی استفاده شده است. این نوع شبکه ها اثر حفاظتی بهتری در pH پایین معده برای داروها فراهم می سازند چون برهم کنش بین پکتین و کیتوزان در pH پایین مطلوب است و با ایجاد هیدروژل های قوی در این pH، از رهایش دارو جلوگیری می شود. بتدریج با افزایش pH، هیدروژل متورم شده و دارو رهایش می یابد. گلوله های ژله ای پکتینات کلسیم غیر سمی، بسیار زیست سازگار و پایدار به اسید هستند و بطور گسترده جهت رسانش دهانی بسیاری از داروها و پروتئین های زیست فعال استفاده شدهاند.

مروری بر مطالعات انجام شده در زمینه هیدروژل ها:

ترکیبات زیست فعال مانند کاروتنوئیدها، ویتامین ها، بیوپپتیدها و آنتی اکسیدانها غالباً ناپایدار بوده و در نتیجه به آسانی در طی فرمولاسیون ها و در لوله گوارشی تجزیه می شوند. استراتژی های مختلفی برای حفاظت و رسانش مولکول های زیست فعال وجود دارد که در این میان بدام انداختن بیومولکول ها در هیدروژل ها موضوع بسیاری از مطالعات بوده است. استفاده از نانوذرات هیدروژل های بیوپلیمری حاوی ترکیبات مذکور می تواند زیست دسترس پذیری، پایداری در شرایط in vivo و in vitro ، رهایش کنترل یافته و جلوگیری از بر هم کنش های ناخواسته آنها با سایر ترکیبات غذایی را افزایش دهد.

براساس آمار جهانی سالیانه حدود 6 میلیون نفر بر اثر سرطان می میرند. یکی از رایج ترین روش های جلوگیری از سرطان، پیشگیری با مواد شیمیاییَ است که می توان از مواد طبیعی یا سنتزی جهت توقف توسعه سرطان در انسان استفاده کرد . داروهای ضد سرطان اغلب حلالیت پایینی در آب دارند و نیاز به حلال های آلی برای عملکرد بیولوژیکی می باشد. با وجود این مشکلات به یک سیستم انتقال دارو با پتانسیل درمان سرطان با ویژگی هایی از قبیل قابلیت کنترل، هدف دار بودن و ویژگی بالا بدون اثرات جانبی نیاز است. امروزه پلی فنل های چای را به عنوان یک آنتی اکسیدان و ضد سرطان قوی می شناسند اما معایبی مانند پایداری کم فعالیت بیولوژیکی و زیست دسترس پذیری پایین در شرایط in vivo سبب شده است که محققین بر توسعه حامل های دارویی نانوذره ای فوکوس کنند. نانوذرات کیتوزان حاوی پلی فنل های چای به روش ژله ای شدن یونی بین کربوکسی متیل کیتوزان و هیدروکلرید کیتوزان توسط Liang و همکاران - 2011 - تهیه شد. نانوذرات حاصله دارای اثر آشکاری بر سلول های سرطانی بوده و می توانند به عنوان یک سیستم دارویی ضد سرطان معرفی شوند.

خصوصیت هیدروفیل بودن هیدروژل ها به درون پوشانی بیومولکول های محلول در آب کمک کرده و زمان سرکولاسیون طولانی تر در شرایط in vivo سبب می شود. در سال 2009، Gazori و همکاران تهیه و بهینه سازی نانوذرات کیتوزان- آلژینات را مورد بررسی قرار دادند. نانوذرات بدست آمده پایدار بوده و قابلیت کاربرد جهت درون پوشانی ترکیبات زیست فعال را نوید می دهند.
رتینول و مشتقات آن بطور وسیعی در زمینه های دارویی و آرایشی بکار می روند. رتینول و رتینیل پالمیتات باعث سفت شدن اپی درم پوست شده و برای درمان بیماری های پوستی موثر هستند. این ترکیبات نسبت به نور و حرارت ناپایدار هستند لذا جهت افزایش پایداری و حلالیت رتینول، Kim و همکاران - 2006 - نانوذرات کیتوزان محلول در آب حاوی رتینول را تهیه کردند و خصوصیات آنها را به روشهای آنالیزی مختلفی مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که نانوذرات کیتوزان حاوی رتینول کروی شکل بوده و محدود اندازه 50-200 نانومتر دارند همچنین نانو ذارت کیتوزان محلول در آب یک حامل موثر برای افزایش حلالیت رتینول به شمار می رود.

مولکول بیواکتیو رسوراترولُ یک پلی فنل بوده که در حبوبات، بادام زمینی و پسته یافت می شود و در درمان بسیاری از بیماریها از جمله عفونت های ویروسی، بیماری های عصبی و سرطان ها مورد توجه است. اما به علت وجود معایبی مانند ناپایداری، حلالیت ضعیف، رسانش سیستماتیک ناکافی و زیست دسترس پذیری پایین کاربردش محدود شده است. مطالعه ای در سال 2012، این محدودیت ها را تا حدی به کمک نانوذرات کیتوزان-آلژینات- پلی لاکتید