Modul 3 - Nanofarmaci Flashcards
(28 cards)
Vad är nano?
Vad är nano?
“Nanomaterial” betyder ett naturligt, tillfälligt eller tillverkat material bestående av fasta partiklar som är närvarande, antingen själva eller som identifierbara beståndsdelar i aggregat eller agglomerat, och där 50 % eller mer av dessa partiklar i den nummerbaserade storleksfördelningen uppfyller åtminstone ett av följande villkor:
(a) En eller flera externa dimensioner av partikeln är inom storleksintervallet 1 nm till 100 nm.
(b) Partikeln har en avlång form, såsom en stav, fiber eller rör, där två externa dimensioner är mindre än 1 nm och den andra dimensionen är större än 100 nm.
(c) Partikeln har en platt form, där en extern dimension är mindre än 1 nm och de andra dimensionerna är större än 100 nm.
Vid bestämning av den nummerbaserade storleksfördelningen behöver partiklar med minst två ortogonala externa dimensioner större än 100 μm inte beaktas. Ett material med en specifik yta per volym på < 6 m²/cm³ ska dock inte betraktas som ett nanomaterial.
Fysiska materialegenskaper - Nano material:
Fysiska materialegenskaper - Nano material:
Extensiva egenskaper: Beroende på storlek men inte kemi, t.ex. vikt, volym, längd, mm.
Intensiva egenskaper: Karakteristiska materialegenskaper, t.ex. densitet, smältpunkt, ledningsförmåga, mm.
Kolligativa egenskaper: Beroende på antal enheter men inte kemin, t.ex. osmotiskt tryck, fryspunktssänkning, mm.
De karakteristiska materialegenskaperna ändras väsentligt på nanoskalan. Egenskaper hos material ändras i nano material skala
För nano material: Genom att förändra en extensiv egenskap (storlek), påverkas intensiva egenskaper (materialets beteende och funktion).
För nano material ändras följande egenskaper:
1- Stor yta-till-volym kvot
2- Stort antal partiklar per viktenhet
3- Kvanteffekter: Förändrade optiska och elektriska egenskaper.
Storleksberoende egenskaper av nanomaterial:
Storleksberoende egenskaper av nanomaterial:
1- Fysikalisk-kemiska egenskaper (Kvanteffekter):
* Löslighet
* Termiska egenskaper (smältpunkt, surface plasmon resonance)
* Optiska egenskaper (quantum dots)
* Magnetiska egenskaper (superparamagnetism)
* Ledningsförmåga (halvledare)
2- Biologiska egenskaper: Inte lika väldefinierade som fysikalisk-kemiska egenskaper:
* Proteinkorona
* Förbättrad permeabilitets- och retentionseffekt (EPR-effect)
* Cellupptag och riktat immunsvar: Immunceller kan ta upp partiklar med olika storlek.
* Toxicitet och eliminering
* Permeabilitet genom biologiska barriärer
Proteinkorona:
Proteinkorona: Viktigt för cellupptag och igenkänning av immunsystemet. Proteinkorona eller opsonisering är avgörande för igenkänning och eliminering av främmande partiklar samt viktig för cellupptag, t.ex. i lever- eller cancerceller.
När nanopartiklar kommer i kontakt med biologiska vätskor (som blod, plasma, cellmedia), täcks deras yta snabbt av proteiner. Detta lager kallas proteinkorona.
Två huvudtyper av corona:
Soft corona (mjuk)
* Låg affinitet till nanopartikeln
* Transient – binder och lossnar snabbt
Hard corona (hård)
* Hög affinitet till nanopartikeln
* Stabil och långvarig: Permanent
Weak type interactions (Soft corona men också för hard corona): Påverkar particle properties (size, shape, charge/chemistry):
* H-bonding
* Electrostatic interactions
* Π-π stacking
* Dipole interactions
* Hydrophobic interactions
Plasma proteins (Icke-kovalent - Mest för hard corona): Påverkas av surrounding factors (pH, ionic strength, incubation time):
* Albumin
* Immunoglobulins
* Fibrinogen
* Apolipoproteins
* Complement system
* Transferrin
Strategier som riktar sig till proteinkorona: Olika ändamål för proteinkorona:
Strategier som riktar sig till proteinkorona: Olika ändamål för proteinkorona:
- Proteinavvisande beläggning: Undvika att proteiner binder alls:
* PEGylering: Hydrofil beläggning som skapar hinder (avstånd men en viss hög densitet) —> Mekanisk hinder som hindrar att andra proteiner fäster sig på ytan för att undvika igenkänning av immunsystemet och eliminering.
* PEOering
- Förbeläggning med en viss typ av protein för att få annan effekt och funktion:
- Liposomer belagda med Aβ-amyloidderiverad peptid attraherar apoliproteiner för förbättrat cellupptag, t.ex. i hjärna eller lever.
- Förbeläggning av nanopartiklar med albumin förlänger cirkulationstiden i blodet. Albumin förlänger cirkulationstiden av nanopartiklar.
- Konjugering till proteinkorona
- Bindning av transferrin till förebyggd proteinkorona kan förbättra cellupptag via transferrin-receptorer.
Kliniska tillämpningar av nanomedicin
Kliniska tillämpningar av nanomedicin
Hälften av kliniska prövningar med nanomedicin är cancer-relaterade.
Cancer och nanomedicin:
Cancer och nanomedicin: Cancerceller fysiologi är annorlunda jämfört med friska celler. Nano partiklar kan ackumuleras i cancer celler och inte i friska celler, detta beror på:
1. Förändringar i mikromiljön: * Dåligt lymfdränage * Dålig blodperfusion * Hög vaskularisering: Bildning av nya blodkärl * Läckande blodkärl (Ovanstående 4 är EPR-effekten) * Högt näringsbehov * Försurning * Överuttryck av vissa receptorer och cytokiner/kemokiner
I cancer område är blodkärlen läckande, vilket gör att nanopartiklar kan passera igenom blodbanan lättare och snabbare jämfört med friska vävnader. Dåligt lymfdränage, vilket leder till att nanopartiklar inte kan transporteras bort ur cancer området och därmed ackumuleras vätskan där. Ackumuleringen av vätska gör att pH blir annorlunda (lägre än normalt).
3 faktorer 1) Hög vaskularisering 2) Läckande blodkärl 3) Dåligt / ingen lymfdränage (Gör att nanopartiklar ackumuleras vid cancerceller och inte till friska celler samt att vätskan stannar där —> EPR effekten).
2. Cancerens kännetecken: * Proliferativ signalering * Undvikande av tillväxtsuppressorer * Motstånd mot celldöd * Möjliggörande av replikativ odödlighet * Inducering av angiogenes * Aktivering av invasion och metastasering * Omprogrammering av energimetabolism * Undvikande av immunförstörelse
Doxil/CaelyxTM - PEGylerad liposomal doxorubicin:
Kliniska indikationer
Doxil/CaelyxTM - PEGylerad liposomal doxorubicin:
Kliniska indikationer för Doxil/Caelyx: Svåra cancer. LM:et har låg löslighet och flera biverkningar —> Därför är den liposomal:
Doxil har aminogrupp (Är svag bas).
Varför liposomal formulering?
* Doxorubicin har:
○ Låg vattenlöslighet
○ Starka biverkningar
Cancerformer som indikation:
- AIDS-relaterad Kaposi sarkoma
- Återkommande äggstockscancer
- Metastatisk bröstcancer
- Multipelt myeloma
Ett av de bäst-säljande anti-cancer läkemedel (1.3 miljarder USD 2023)
Doxil/CaelyxTM - Första generationens oligolamellära DOX-liposomer:
Doxil/CaelyxTM - Första generationens oligolamellära DOX-liposomer:
1:a generationen hade begränsad klinisk nytta:
* Låg laddningsgrad (DOX laddat via passivdiffusion i dubbelskiktet).
* Snabb liposom eliminering via immunsystemet: Immunsystemet kände igen liposomen snabbt.
* Snabb DOX-frisättning/läckage i plasma.
Identifierat kliniskt behov för nästa generationens DOX-liposomer:
Identifierat kliniskt behov för nästa generationens DOX-liposomer: Man satte nya mål:
- Förlängd cirkulationstid
- Hög DOX-laddningsgrad, helst inte i dubbelskiktet, utan i kärnan.
- DOX-ackumulering i tumören, ej i friska vävnader (EPR effekten).
- Cellupptag av liposomer och DOX-frisättning inuti cellerna.
Innovationen bakom Doxil-framgången:
Innovationen bakom Doxil-framgången:
1. DOX-fjärrladdning:
Laddning i liposom kärnan: Doxorubicin (DOX) laddas i liposomer, som fungerar som en kapsel som innesluter DOX och skyddar det från att frisättas för tidigt i kroppen. Man hade mål att ha 90% laddningsgrad i liposomkärnan, vilket innebär att en stor mängd DOX kan vara innesluten i liposomerna, vilket gör behandlingen mer effektiv.
Minskad DOX-läckage: Inuti liposomerna kristalliserar DOX sig, vilket gör att det hålls fast och inte läcker ut under hela transporten i kroppen. Frisättning av DOX sker vid rätt tidpunkt – när liposomen når tumörområdet.
- PEGylering: PEGylering innebär att man fäster en PEG på liposomernas yta, för att undvika immunsystemets igenkänning och därmed öka cirkulationstiden och ackumulera DOX-innehållande liposomer i cancerceller (Via EPR-effekten).
DOX-fjärrladdning:
DOX-fjärrladdning:
1- Fällning av DOX i liposomer: Doxorubicin (DOX) laddas inuti liposomer genom att DOX kristalliserar sig i kärnan av liposomen (Laddningsgrad på 90%).
2- Gradient av aminosulfat: Den höga laddningsgraden möjliggörs via aminosulfat gradient, där koncentrationen av aminogrupp inuti liposomen skiljer sig mycket från koncentrationen utanför, med en faktor på 1000 gånger.
Doxorubicin (DOX) är ett läkemedel som har en aminogrupp i sin struktur. Eftersom aminosulfat och DOX:s aminogrupp påverkas av samma koncentrationsgradient, sker en kompensation. För att balansera denna gradient, tvingas DOX med aminogrupp att ta sig in i liposomen.
3- Kristallisation och fällning av DOX: Eftersom DOX har låg löslighet i vatten (det är ett salt med låg löslighet), fälls det ut och bildar kristaller i liposomen.
DOX - PEGylerad vs. icke-PEGylerad:
DOX - PEGylerad vs. icke-PEGylerad:
När doxorubicin ges i sin fria form (utan liposomer), har den en kort halveringstid i blodet. Detta innebär att läkemedlet snabbt elimineras från kroppen.
Myocet är en liposomal formulering, men utan PEG (polyetylenglykol). Här kapslas DOX in i liposomer, vilket förlänger halveringstiden jämfört med den fria formen av DOX.
Men med PEGylering på liposomernas yta gör att de inte känns igen lika lätt av immunsystemet (makrofager), vilket gör att liposomerna kan stanna längre i blodet, vilket förlänger halveringstiden av läkemedlet. Detta gör att liposomerna med DOX kan ackumuleras i cancerceller.
Nanosimilier:
Nanosimilier: Nanosimilier är alltså läkemedel som har designats att likna eller vara likvärdiga med ett befintligt läkemedel, men i en nanoformulering.
Varför är det svårt att kopiera Doxil?
Varför är det svårt att kopiera Doxil?
* Liposomesammansättning: Svårt att definiera sammansättningen.
* Status för det inkapslade läkemedlet.
* Inre miljö i liposomen (pH, volym, joner).
* Storleksfördelning på liposomer (100-200 nm).
* Ytladdning
* Lamellaritet (unilamellär).
* Graftad PEG.
* In vitro läckage.
* In vivo stabilitet.
Utmaningen ligger i förståelsen av de viktigaste fysikalisk-kemiska egenskaperna samt användningen av lämpliga analytiska tekniker.
AbraxaneTM - albumin (nab)-PTX technologi: Kliniskt behov:
AbraxaneTM - albumin (nab)-PTX technologi: Kliniskt behov:
1- Avancerad bröstcancer:
* En av de vanligaste cancertyperna i världen
* Den främsta orsaken till cancerrelaterad dödlighet bland kvinnor
* Potential för metastatisk spridning
2- Avancerad icke-småcellig lungcancer:
* Den vanligaste typen av lungcancer
* Hög dödlighet och dålig prognos
* Få behandlingsalternativ
3- Avancerad bukspottkörtelcancer
* Den sjunde vanligaste orsaken till cancerrelaterade dödsfall i världen
* Aggressiv sjukdom
* Resistens mot systemiska behandlingar
* Utmaningar med tidig diagnos
Fördelar med albumin användning vid cancer: Varför albumin nano partiklar är bra?
Fördelar med albumin användning vid cancer: Varför albumin nano partiklar är bra?
* Albumin är ett transportprotein som binder hydrofoba molekyler.
- Läkemedel som är bundna till albumin uppvisar lägre toxicitet pga lägre frikoncentration i plasma.
- Ackumuleras i tumörer och inflammerade (artritiska) vävnader, t.ex. på grund av dålig lymfdränering, blodkärl läckage och andra mekanismer.
- Har ökad cirkulationstid i kroppen (halvtid på 19 dagar).
Evans Blue-testet:
Evans Blue-testet: används för att visa hur albumin ackumuleras i cancerceller, och det baseras på användningen av färgämnet Evans Blue, som binder till albumin i blodet.
Evans Blue, ett färgämne, injiceras i en djursmodell där djuret har cancer (vanligtvis en mus eller råtta). Evans Blue binder sig till albumin. Över tid; Koncentrationen av Evans Blue (och därmed albumin) ökar i tumörområdet (cancerceller), vilket tyder på att albumin, bundet till Evans Blue, ansamlas och ackumuleras i tumörområdet.
Albumin som läkemedelsbärare
Albumin som läkemedelsbärare
1- Passive targeting
* EPR effect
* Increased albumin consumption in tumours
* SPARC/osteonectin in tumors
* gp60-mediated transcytosis; g18/gp30 degradation
* FcRn-mediated binding
* RAScell signaling/glucose deprivation
2- Active targeting receptors
* Mannosylated HSA
* Galactosylated HSA
* Lactosaminated HSA
* Folate decorated NP
* Cationized HSA/NP
* Arg-Gly-Asp peptide (integrin-mediated cell adhesion)
gp60-mediated endothelial transcytosis:
gp60-mediated endothelial transcytosis: Protein med hög affinitet för albumin. gp60 finns på blodkärlens insida (endotelceller).
a) Albumin binder till gp60 som sedan kopplas till caveolin-1 (cav-1).
b) Kluster av gp60-albumin tas upp i cellen och bildar vesiklar (caveolae).
c) Caveolae transporteras från den luminala till den basolaterala sidan av cellen och släpps ut.
När albumin bundit till gp60, samlas de ihop och bildar små bubblor som kallas caveolae. Dessa bubblor är täckta med ett protein som heter caveolin-1. Bubblan flyttas genom endotelcellen – från insidan av blodkärlet till utsidan. När bubblan når andra sidan av cellen, släpper den ut albumin i vävnaden – t.ex. in i en tumör.
FcRn (neonatal Fc-receptor) medierad återvinning av HSA (humant serumalbumin):
FcRn (neonatal Fc-receptor) medierad återvinning av HSA (humant serumalbumin):
1. Pinosytos – HSA och IgG tas ospecifikt upp i cellen via små vesiklar från omgivningen.
2. Bindning till FcRn – I de sura endosomerna (pH 5–6) binder HSA till FcRn-receptorn.
3. Exocytos (återföring) – Om HSA är bundet till FcRn, förs det tillbaka till cellens yta (luminala sidan) och släpps ut i blodet igen.
4. Transcytos – HSA kan också transporteras genom hela cellen från ena sidan till den andra.
5. Exocytos (basal sida) – På motsatt sida av cellen släpps HSA ut igen.
6. Nedbrytning – Om HSA inte binder till FcRn, bryts det istället ner i lysosomer vid pH ~4.
Mekanismen är 2–3 gånger mer aktiv när HSA bär på fettsyror eller fetthaltiga läkemedel, eftersom det ökar affiniteten för FcRn.
SPARC:
SPARC: Cancer celler producerar och har affinitet till albumin.
SPARC är ett glykoprotein som är överuttryckt i cancer, t.ex. i 50–55 % av bröstcancervävnad. SPARC har hög affinitet (bindningsstyrka) till HSA (humant serumalbumin). Det gör att albumin samlas runt cancerceller, vilket kan underlätta leverans av albuminbundna läkemedel.
* gp18 och gp30 är receptorer som känner igen och fångar upp modifierat, skadat eller gammalt albumin (HSA). * Dessa receptorer leder albuminet till lysosomer, där det bryts ner.
Vanliga utmaningar vid administrering av cancerläkemedel
Vanliga utmaningar vid administrering av cancerläkemedel
* Låg löslighet: Därför behövs administrering av höga doser.
* Låg biotillgänglighet
* Hög dos —> Biverkningar
* Födoeffekter
* Förekomst av biverkningar
Paclitaxel (PTX):
Paclitaxel (PTX): Paclitaxel är ett cytostatiskt läkemedel (cellgift) som används mot flera typer av cancer:
Lipinski Rule of Five:
- Molecular weight < 500: Stor molekyl
- LogP < 5: Låg löslighet
- < 5 H-bond donors (sum of NH and OH)
- < 10 H-bond acceptors (sum of N and O)
