External signal-activated liposomal drug delivery systems

Abstract

Modern drug discovery gives rise to a great number of potential new therapeutic agents, but in some cases the efficient treatment of patient may not be achieved because the delivery of active compounds to the target site is insufficient. Thus, drug delivery is one of the major challenges in current pharmaceutical research. Numerous nanoparticle-based drug carriers, e.g. liposomes, have been developed for enhanced drug delivery and targeting. Drug targeting may enhance the efficiency of the treatment and, importantly, reduce unwanted side effects by decreasing drug distribution to non-target tissues. Liposomes are biocompatible lipid-based carriers that have been studied for drug delivery during the last 40 years. They can be functionalized with targeting ligands and sensing materials for triggered activation.

In this study, various external signal-assisted liposomal delivery systems were developed. Signals can be used to modulate drug permeation or release from the liposome formulation, and they provide accurate control of time, place and rate of activation. The study involved three types of signals that were used to trigger drug permeation and release: electricity, heat and light.

Electrical stimulus was utilized to enhance the permeation of liposomal DNA across the skin. Liposome/DNA complex-mediated transfections were performed in tight rat epidermal cell model. Various transfection media and current intensities were tested, and transfection efficiency was evaluated non-invasively by monitoring the concentration of secreted reporter protein in cell culture medium. Liposome/DNA complexes produced gene expression, but electrical stimulus did not enhance the transfection efficiency significantly.

Heat-sensitive liposomal drug delivery system was developed by coating liposomes with biodegradable and thermosensitive poly(N-(2-hydroxypropyl) methacrylamide-mono/dilactate polymer. Temperature-triggered liposome aggregation and contents release from liposomes were evaluated. The cloud point temperature (CP) of the polymer was set to 42 °C. Polymer-coated liposome aggregation and contents release were observed above CP of the polymer, while non-coated liposomes remained intact. Polymer precipitates above its CP and interacts with liposomal bilayers. It is likely that this induces permeabilization of the liposomal membrane and contents release.

Light-sensitivity was introduced to liposomes by incorporation of small (< 5 nm) gold nanoparticles. Hydrophobic and hydrophilic gold nanoparticles were embedded in thermosensitive liposomes, and contents release was investigated upon UV light exposure. UV light-induced lipid phase transitions were examined with small angle X-ray scattering, and light-triggered contents release was shown also in human retinal pigment epithelial cell line. Gold nanoparticles absorb light energy and transfer it into heat, which induces phase transitions in liposomes and triggers the contents release.

In conclusion, external signal-activated liposomes offer an advanced platform for numerous applications in drug delivery, particularly in the localized drug delivery. Drug release may be localized to the target site with triggering stimulus that results in better therapeutic response and less adverse effects. Triggering signal and mechanism of activation can be selected according to a specific application.

Lääketutkimus tuottaa runsaasti uusia potentiaalisia lääkeaineita, mutta joissain tapauksissa lääkeaine ei tuota elimistössä haluttua vaikutusta koska sen kulkeutuminen vaikutuspaikalleen on riittämätöntä. Lääkkeenkuljetus onkin yksi farmaseuttisen tutkimuksen päähaasteista. Lukuisia lääkekantajia, kuten liposomeja, on kehitetty kuljetuksen ja kohdentamisen tehostamiseksi. Kun lääkeaine kohdennetaan elimistössä vaikutuspaikalleen, hoidon teho paranee ja haitalliset sivuvaikutukset vähenevät. Liposomit ovat kooltaan nanometri-luokkaa olevia pallomaisia, rasvamolekyyleistä koostuvia rakenteita, joita on laajasti tutkittu lääkekantajina. Lääkeaine voidaan sijoittaa liposomeihin, ja lisäksi niihin voidaan liittää kohdentajia sekä aistivia materiaaleja joiden avulla liposomien aktivoitumista pystytään kontrolloimaan. Tässä tutkimuksessa kehitettiin erilaisia ulkoisella signaalilla aktivoituvia liposomeja lääkekuljetukseen. Signaaleilla voidaan säädellä lääkeaineen kulkeutumista tai vapautumista liposomi-formulaatiosta, ja ne mahdollistavat aktivaation ajan, paikan ja määrän kontrollin. Työssä tutkittiin kolmea erilaista signaalia: sähköä, lämpöä ja valoa.

Sähköä käytettiin parantamaan liposomaalisen DNA:n kuljetusta ihon läpi. Geenitransfektiota tutkittiin ihoa mallintavassa solulinjassa mittaamalla erittyvän proteiinin pitoisuutta solujen kasvatusliuoksessa. Liposomi/DNA-kompleksit tuottivat geeniekspression, mutta sähkövirta ei parantanut tehoa merkittävästi.

Lämpöherkät liposomit valmistettiin päällystämällä liposomit biohajoavalla, lämpöherkällä polymeerilla (HPMA-mono/dilaktaatti). Tutkittiin liposomien aggregoitumista ja sisällön vapautumista lämpötilan vaikutuksesta. Polymeerilla päällystetyt liposomit aggregoituivat ja vapauttivat sisältönsä lämpötilan nostamisen myötä, mutta päällystämättömät liposomit pysyivät muuttumattomina. Lämpötilan noustessa polymeeri sakkautuu ja vaikuttaa liposomin kuoren rakenteeseen. Todennäköisesti tämä lisää liposomin läpäisevyyttä ja aiheuttaa sisällön vapautumisen.

Liposomit herkistettiin valolle lisäämällä niihin pieniä (< 5 nm) kultananopartikkeleita. Sekä rasvaliukoisia että vesiliukoisia kultananopartikkeleita sisällytettiin liposomeihin, ja tutkittiin UV valo –altistuksen aiheuttamaa sisällön vapautumista. UV valon aiheuttamia liposomin rakennemuutoksia tutkittiin pienkulmaröntgensironnalla (SAXS), ja liposomien valoaktivaation osoitettiin toimivan myös soluviljelmässä. Kultananopartikkelit absorboivat valoenergiaa ja muuttavat sen lämmöksi, mikä aikaansaa faasimuutoksia liposomien rakenteessa ja sisällön vapautumisen.

Yhteenvetona voidaan todeta että ulkoisella signaalilla aktivoituvat liposomit tarjoavat lähtökohdan monille uusille sovelluksille lääkkeenkuljetuksessa ja -kohdennuksessa. Lääkeaineen vapautuminen liposomeista pystytään rajoittamaan haluttuun aikaan ja paikkaan ulkoisella signaalilla. Näin lääkehoidon tehoa voidaan parantaa ja haitallisia sivuvaikutuksia vähentää. Aktivoiva signaali ja liposomiformulaatio voidaan valita halutun sovelluksen perusteella.