Solubilité des composés hydrophobes en Solution aqueuse à l’aide de combinaisons d’auto-assemblage, peptides et acides aminés

Résumé

Ce protocole décrit un moyen cliniquement-il y a lieu de dissoudre des composés hydrophobes en milieu aqueux, à l’aide de combinaisons d’auto-assemblage solutions peptides et acides aminés. Notre méthode résout une limitation majeure de la thérapeutique hydrophobe, qui n’ont pas un moyen sûr et efficace des méthodes de solubilité et de la livraison en milieu clinique.

Résumé

Auto-assemblage peptides (SAPs) sont prometteurs de véhicules pour la livraison de médicaments hydrophobes pour applications cliniques ; leurs propriétés amphipathiques leur permettent de dissoudre les composés hydrophobes dans le milieu aqueux du corps humain. Cependant, les solutions de peptide auto-assemblage ont compatibilité sanguine pauvres (p. ex., faible osmolarité), qui entravent leur application clinique par l’intermédiaire des administrations par voie intraveineuse. Nous avons récemment développé une plate-forme généralisée pour la délivrance de médicaments hydrophobes, qui combine les programmes d’ajustement structurel avec des solutions acides aminés (SAP-AA) à améliorer la solubilité de la drogue et augmentent l’osmolarité de formulation pour atteindre les conditions d’utilisations cliniques. Cette stratégie de formulation a été testée dans le cadre de trois composés hydrophobes structurellement différents – PP2, le rottlerin et curcumine – afin de démontrer sa polyvalence. En outre, nous avons examiné les effets de la modification des composants de la formulation en analysant les 6 différents programmes d’ajustement structurel, 20 acides aminés naturellement existants à des concentrations faibles et élevées et deux différents co-solvants diméthylsulfoxyde (DMSO) et l’éthanol. Notre stratégie se sont révélé efficaces dans l’optimisation des composants pour un médicament hydrophobe et la fonction thérapeutique de l’inhibiteur formulé, PP2, a été observée in vitro et in vivo. Ce manuscrit décrit notre méthode de formulation généralisée à l’aide de combinaisons de SAP-AA composés hydrophobes et l’analyse de la solubilité comme une première étape vers l’utilisation potentielle de ces formulations dans les études plus fonctionnelles. Nous inclure les résultats de solubilité représentatif pour la formulation de la curcumine composée hydrophobe et discutons comment notre méthodologie sert de plate-forme pour les futures études biologiques et les modèles de maladies.

Introduction

Programmes d’ajustement structurel sont une classe des biomatériaux qui ont été étudiés intensivement comme 3D échafaudages en médecine régénérative^1,2,3,4. Plus récemment cependant, elles ont été exploitées comme vecteurs d’agents thérapeutiques en raison de leurs propriétés biologiques uniques^5,6,7,8. Programmes d’ajustement structurel assemblent naturellement dans des nanostructures stable⁹, fournissant ainsi un moyen d’encapsulation de la drogue et de la protection. Programmes d’ajustement structurel sont amphipathiques, composé d’un modèle spécifique de répétitions d’acides aminés hydrophobes et hydrophiles, conduisant leur auto-assemblage^9,10 et ce qui leur permet de servir comme un milieu entre hydrophobes et hydrophiles environnements. Par conséquent, pour la livraison clinique des médicaments hydrophobes – qui ont extrêmement faible biodisponibilité et absorption dans l’organisme faute de solubilité dans un environnement aqueux^11,12 – programmes d’ajustement structurel sont prometteurs comme une livraison véhicule. En outre, leur modèle de séquence implique également que programmes d’ajustement structurel peuvent être rationnellement conçus et fabriqués pour maximiser la compatibilité avec n’importe quel médicament ou composé (c.-à-d., issu des groupes fonctionnels) et aider davantage la solubilité.

Programmes d’ajustement structurel ont été utilisés comme véhicules de livraison de médicament efficace dans de nombreux in vitro et in vivo paramètres^13,14,15,16. Ils ont également montré de biocompatibilité et grande sécurité. Toutefois, en raison de la faible osmolarité des préparations de SAP et les médicaments, ils ne peuvent servir pour des injections intraveineuses comme dans les milieux cliniques¹³. Compte tenu de cette contrainte, nous avons récemment mis au point une stratégie qui combine les programmes d’ajustement structurel avec des solutions acides aminés afin de réduire l’utilisation de solvants toxiques de co et augmentent l’osmolarité de la formulation et par conséquent, pertinence clinique. Nous avons choisi d’utiliser des acides aminés car ils constituent le fondement des programmes d’ajustement structurel, sont déjà reconnus sur le plan clinique, et en combinaison avec les programmes d’ajustement structurel, ils augmentent la solubilité de médicament hydrophobe tout en réduisant la quantité de sève nécessaire^17,18.

Nous avons scruté les combinaisons de SAP-AA comme plate-forme généralisée pour la solubilité de médicament hydrophobe et sa fourniture ultérieur en créant un pipeline de dépistage multi-étapes et en appliquant à l’inhibiteur de la Src, PP2, comme un composé hydrophobe de modèle. Dans ce processus, nous avons examiné l’effet de la modification des composants de la formulation – essai en fin de compte 6 différents programmes d’ajustement structurel, tous les 20 acides aminés à 2 concentrations différentes (bas et haut ; faible basées sur les concentrations dans les applications cliniques existantes et de haute les concentrations étaient x 2, x 3 ou x 5 la concentration clinique basée sur la solubilité maximale de chaque acide aminé dans l’eau) et 2 co-solvants différentes – et combinaisons sélectionnées qui solubilisent PP2 pour une analyse ultérieure. Cette formulation du médicament s’est avéré efficace comme un véhicule de livraison de drogue en culture cellulaire, ainsi que dans vivo modèles à l’aide d’administration intratrachéale tant par voie intraveineuse. De même, notre travail a touché sur la polyvalence des combinaisons de SAP-AA dans plusieurs solubilisants, structurellement différents composés hydrophobes dans un environnement aqueux ; plus précisément, la drogue le rottlerin et curcumine¹⁸. Ce manuscrit présente la méthode de formulation de SAP-AA et analyse de la solubilité de la curcumine à titre d’exemple de l’étape primaire dans notre pipeline de dépistage. Ce protocole fournit une manière simple et reproductible à l’écran pour les combinaisons de SAP-AA optimales, qui dissoudra tout composé hydrophobe donnée.

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Protocole

1. préparation des Solutions d’acides aminés

1. Prepare et étiquette deux 50 mL tubes à centrifuger coniques pour chaque acide aminé (un pour chacun des deux " bas " et " haute " concentrations).
2. Préparer un flacon de 2 L grand contenant l’eau purifiée (18,2 MΩ·cm à 25 ° C).
3. Calculer la quantité de chaque acide aminé (en grammes) pour atteindre la concentration désirée et peser la quantité appropriée d’acide aminé dans leurs tubes à centrifuger respectives de 50 mL à l’aide d’une spatule.
   Remarque : Pour le " haute " concentration des deux acides aminés de charge négative, PBS est utilisé au lieu de l’eau. Nous ne pourrions pas augmenter leur concentration en raison de leur faible hydrosolubilité et en utilisant PBS au lieu de l’eau aide à maintenir le pH faible. En outre, les calculs de concentration ont été obtenus en utilisant un volume final de 40 mL de chaque solution d’acides aminés. Toutes les concentrations d’acides aminés sont décrites dans le tableau 3. N’oubliez pas de rincer la spatule entre acides aminés pour éviter la contamination. Nous vous recommandons un rinçage à l’eau, puis en l’essuyant avec l’éthanol à 70 %.
4. Ajouter 40 mL d’eau purifiée (ou PBS) dans chaque tube de 50 mL à l’aide d’une pipette sérologique. Plafonnement des tubes et des vortex ou agiter vigoureusement jusqu'à dissolution. L’eau bain sonication (température de la pièce, 130 W, 40 kHz) peut également servir à faciliter le processus de solubilité.
   Remarque : Les solutions d’acides aminés suivants sont sensibles à la lumière et doivent être recouvertes de papier d’aluminium : tryptophane, phénylalanine et tyrosine (qui se composent de structures en anneau aromatiques) et la cystéine (réactif - groupe SH).

2. Préparation des Solutions SAP-AA

1. flacons de scintillation préparer 20 mL pour l’auto-assemblage des peptides. Pour un peptide auto-assemblage donné, préparer un flacon par solution d’acides aminés disposés (chaque combinaison se fera dans une cuvette séparée).
2. à l’aide d’une balance de précision de haute performance (avec une précision de lecture à 0,1 mg ou moins), peser environ 1 ± 0,2 mg de peptide dans le fond de chaque flacon. Cap après avoir pesé et consignez le poids exact du peptide sur le Cap.
3. Pipeter le volume approprié de solution d’acide aminé (préparée à la Section 1) dans chaque flacon contient des peptides, afin de parvenir à la concentration désirée d’auto-assemblage de peptide (0,1 mg/mL pour les peptides longs avec une longueur de 16 acides aminés, ou 0,2 mg/mL pour les peptides plus courts d’une longueur de 8 acides aminés).
4. Un pendant 10 min dans un eau bain sonicateur (130 W, 40 kHz) à température ambiante, assurant les solutions dans les fioles sont complètement immergées dans l’eau du bain.

3. Préparation des médicaments-DMSO ou Solutions mères drogue-éthanol

1. Combine 1 mg de médicament (en l’occurrence, la curcumine avec 100 % DMSO) et un autre 1 mg avec 100 % d’éthanol pour créer deux solutions mères.
   NOTE : Nous avons ajouté 200 µL de DMSO et les 400 µL d’éthanol pour faire des stocks de DMSO-curcumine et éthanol-curcumine qui étaient de 5 mg/mL et 2,5 mg/mL, respectivement, en raison de la solubilité variable dans chacun des solvants ; Cependant, il est important de noter que la concentration de stock doit être ajustée selon le médicament hydrophobe d’intérêt. Des facteurs tels que la solubilité de la drogue et concentration biologique efficace sont importants pour déterminer cette valeur. Aussi, gardez à l’esprit que le stock sera dilué 100 fois et 50 fois dans les formulations de DMSO et éthanol, respectivement, lorsqu’il est combiné avec les solutions SAP-AA (voir Section 4). Elle peut être préféré pour préparer un plus grand volume de stock en fonction du nombre de formulations requis – dans ce cas, plus de 1 mg de médicament serait utilisé. Le stock peut être conservé à-20 ° C ; dégel sur la glace et agiter avant emploi.
2. Vortex fioles pour 15 s jusqu'à dissolution complète de la drogue.

4. Préparation de formules médicamenteuses

1. Prepare clairs, 1,5 mL microtubes à centrifuger pour chaque formulation. N’oubliez pas de tubes de l’étiquette avec l’auto-assemblage des peptides, acides aminés (et concentration), ciblé et co-solvant.
2. Ajouter 10 µL de stock de médicaments-DMSO, soit encore 20 µL drogue-éthanol stock aux tubes de microcentrifuge approprié.
3. Ajouter 990 µL des solutions acides de SAP-AA à l’approprié étiqueté microtubes à centrifuger contenant le stock de drogue-DMSO et 980 µL à ceux contenant du stock de médicaments-éthanol. Cela produit des formulations médicamenteuses 1 mL avec 1 % DMSO ou 2 % éthanol.
   Remarque : La concentration finale de toutes les formulations de curcumine était de 0,5 mg/mL selon le protocole. Encore une fois, cela peut varier quand à l’aide d’autres composés hydrophobes et/ou commençant par une concentration différente de stock (voir étape 3.1)
4. Vortex vigoureusement pendant 30 s et permettre aux formulations se reposer pendant 30 min.

5. tests de solubilité

1. après la période de repos, vortex vigoureusement une fois de plus pendant 30 s.
2. Centrifuger les formulations à 14 220 x g pendant 1 min.
3. Analyser le fond des tubes de microcentrifuge de précipitations (par visualisation).

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Résultats

Pour le médicament hydrophobe, curcumine, nous avons produit des formulations en utilisant tous les 20 existant naturellement acides aminés à faible concentration, en combinaison avec un seul SAP, EAK16-II, comme une preuve de principe. Nous avons aussi testé des formulations en utilisant le DMSO et éthanol comme cosolvants. Au total, ce produit 40 formulations de curcumine, chacune contenant des composants différents. Il est important de noter que, dans nos études précédentes à...

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Discussion

Dans la procédure de formulation, il y a différentes étapes critiques et des points à considérer en dépannage. Tout d’abord, comme nous travaillons avec différents composants et les concentrations, plusieurs étapes de vortex dans tout le protocole s’assurer que toutes les concentrations sont uniforme et correcte. Certaines des solutions acides aminés de haute concentration, hydrophobe peuvent toujours pas complètement dissoute après utilisation du vortex, et dans ce cas, ils peuvent être secoués vigoureu...

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matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
EAK16-I	CanPeptide Inc.	Custom peptide	Sequence: AEAKAEAKAEAKAEAK, N-terminus acetylation and C-terminus amidation, >95% pure by HPLC
EAK16-II	CanPeptide Inc.	Custom peptide	Sequence: AEAEAKAKAEAEAKAK, N-terminus acetylation and C-terminus amidation, >95% pure by HPLC
EAK16-IV	CanPeptide Inc.	Custom peptide	Sequence: AEAEAEAEAKAKAKAK, N-terminus acetylation and C-terminus amidation, >95% pure by HPLC
EFK8-II	CanPeptide Inc.	Custom peptide	Sequence: FEFEFKFK, N-terminus acetylation and C-terminus amidation, >95% pure by HPLC
A6KE	CanPeptide Inc.	Custom peptide	Sequence: AAAAAAKE, N-terminus acetylation and C-terminus amidation, >95% pure by HPLC
P6KE	CanPeptide Inc.	Custom peptide	Sequence: PPPPPPPKE, N-terminus acetylation and C-terminus amidation, >95% pure by HPLC
Alanine	Sigma-Aldrich	A7469-100G	L-Alanine
Isoleucine	Sigma-Aldrich	I7403-100G	L-Isoleucine
Leucine	Sigma-Aldrich	L8912-100G	L-Leucine
Methionine	Sigma-Aldrich	M5308-100G	L-Methionine
Proline	Sigma-Aldrich	P5607-100G	L-Proline
Valine	Sigma-Aldrich	V0513-100G	L-Valine
Phenylalanine	Sigma-Aldrich	P5482-100G	L-Phenylalanine
Tryptophan	Sigma-Aldrich	T8941-100G	L-Tryptophan
Tyrosine	Sigma-Aldrich	T8566-100G	L-Tyrosine
Glycine	Sigma-Aldrich	G8790-100G	L-Glycine
Asparagine	Sigma-Aldrich	A4159-100G	L-Asparagine
Glutamine	Sigma-Aldrich	G8540-100G	L-Glutamine
Serine	Sigma-Aldrich	A7219-100G	L-Serine
Threonine	Sigma-Aldrich	T8441-100G	L-Threonine
Histidine	Sigma-Aldrich	H6034-100G	L-Histidine
Lysine	Sigma-Aldrich	L5501-100G	L-Lysine
Arginine	Sigma-Aldrich	A8094-100G	L-Arginine
Aspartic Acid	Sigma-Aldrich	A7219-100G	L-Aspartic Acid
Glutamic Acid	Sigma-Aldrich	G8415-100G	L-Glutamic Acid
Cysteine	Sigma-Aldrich	C7352-100G	L-Cysteine
Dimethyl Sulfoxide	Sigma-Aldrich	D4540-500ML	DMSO
Ethanol	Sigma-Aldrich	277649-100ML	Anhydrous
Curcumin	Sigma-Aldrich	08511-10MG	Hydrophobic drug, curcumin
Rottlerin	EMD Millipore	557370-10MG	Hydrophobic drug, rottlerin
PP2	Enzo	BML-EI297-0001	Hydrophobic drug, PP2
Scintillation Vials	VWR	2650-66022-081	Borosilicate Glass, with Screw Cap, 20 mL. Vials for weighing peptide.
Falcon 50 mL Conical Centrifugation Tubes	VWR	352070	Polypropylene, Sterile, 50 mL. For amino acid solutions.