Innowacyjne systemy dostarczania leków – rola MOF w farmakoterapii

Ewolucja strategii dostarczania leków?

Systemy dostarczania leków odgrywają kluczową rolę w nowoczesnej medycynie, adresując wyzwania takie jak niestabilność leku, słaba rozpuszczalność i nieefektywne ukierunkowanie. Potrzeba skutecznych systemów dostarczania leków była widoczna na przestrzeni historii, od starożytnych cywilizacji po czasy współczesne. Odkrycie antybiotyków, takich jak penicylina na początku XX wieku, zrewolucjonizowało medycynę, oferując skuteczne leczenie przeciwko chorobom bakteryjnym. Jednak pojawienie się bakterii opornych na leki podkreśliło potrzebę innowacyjnych podejść. Ciprofloksacyna, silny antybiotyk z grupy fluorochinolonów, stała się kamieniem węgielnym w leczeniu wielu infekcji bakteryjnych, wykazując szerokie spektrum skuteczności przeciwko bakteriom Gram-ujemnym i Gram-dodatnim poprzez hamowanie prokariontycznej gyrazy DNA i topoizomerazy IV – kluczowych enzymów zaangażowanych w replikację DNA i jego naprawę.

Na przestrzeni lat badano różne materiały pod kątem ich właściwości przeciwbakteryjnych, jednak wiele z nich pozostaje dalekich od zastosowania klinicznego ze względu na wewnętrzne ograniczenia. Nanomateriały na bazie metali i związki organiczne zwalczają bakterie poprzez emitowanie toksycznych klastrów metalicznych lub substancji przeciwbakteryjnych, ale ich skuteczność jest często ograniczona przez szybkie uwalnianie substancji aktywnych, co może również stanowić zagrożenie dla żywych organizmów. Materiały fotokatalityczne na bazie półprzewodników oferują inne podejście, wykorzystujące indukowane światłem nośniki ładunku do wzmocnienia aktywności enzymatycznej w celu eliminacji bakterii. Jednak ich skuteczność jest ograniczona przez ograniczoną absorpcję światła i niską wydajność katalityczną, co zmniejsza ich potencjał przeciwbakteryjny. Naturalne biologiczne materiały przeciwbakteryjne, pochodzące z roślin lub zwierząt, zapewniają bezpieczniejszą i bardziej biokompatybilną alternatywę, wymagającą minimalnej modyfikacji do zastosowań terapeutycznych.

Liposomy są przydatne do dostarczania różnych leków o różnej lipofilności, jednak wykazują ograniczoną kontrolę nad uwalnianiem leku, z potencjalnym wyciekiem leków z powodu wysokiej przepuszczalności błony oraz powolnych, nieefektywnych procesów dyfuzji. Micele polimerowe służą jako nośniki leków tworzone poprzez samoorganizację cząsteczek amfifilowych zawierających amfifilowy kopolimer blokowy. Ich brak wodnego rdzenia ogranicza zdolność do pomieszczenia szerokiego zakresu leków w porównaniu z liposomami. Mikrosfery to puste nośniki w skali mikrometrów, które powstają z samoorganizacji materiałów polimerowych, używane do enkapsulacji aktywnych leków. Napotykają one ograniczenia, w tym trudności w osiągnięciu precyzyjnych i jednolitych szybkości uwalniania leku, potencjał do nagłego uwolnienia oraz wyzwania związane ze skalowaniem produkcji. Nanodiamanty to nanocząsteczki węglowe o średnicy od 4 do 100 nm, jednak potencjalna toksyczność i złożoność modyfikacji powierzchniowych stanowią wyzwania dla skutecznego dostarczania leków.

Strategie biomimetyczne, takie jak nanocage białkowe i kamuflarz błony komórkowej, reprezentują innowacyjne ścieżki w rozwoju leków przeciwbakteryjnych. Ferrytyna, białko z właściwościami odwrotnej samoorganizacji, została wykorzystana do tworzenia sztucznych nanoklatek z wewnętrznymi komorami do enkapsulacji leków. Te dodatnio naładowane nanostruktury skutecznie atakują bakterie, ale napotykają ograniczenia w enkapsulacji większych cząsteczek leku ze względu na ich nanoskalne wymiary. Dodatkowo, obecne techniki enkapsulacji białek nie mają precyzji wymaganej do dokładnego ładowania substancji funkcjonalnych. Z drugiej strony, kamuflarz błony komórkowej wykorzystuje złożone składniki biologiczne naturalnych błon, aby pomóc lekom uniknąć wykrycia przez układ odpornościowy, przedłużyć krążenie we krwi i zwiększyć dostarczanie do miejsc infekcji. Pomimo tych zalet, technika ta nadal cierpi z powodu niskiej wydajności przesiewowej dla związków naturalnych i nieodpowiedniej stabilności do funkcjonowania w złożonym środowisku fizjologicznym.

Czym są MOF-y i jakie mają zalety?

W ostatnich latach skupiono się na projektowaniu innowacyjnych systemów dostarczania leków, podkreślając potencjał MOF-ów (Metal–Organic Frameworks) i ich pochodnych w dziedzinie przeciwdrobnoustrojowej ze względu na ich dostosowywalne struktury i regulowane rozmiary. MOF-y to wysoce porowate materiały składające się z jonów metali lub klastrów, które służą jako węzły koordynacyjne, oraz ligandów polidentatowych, które działają jako łączniki łączące te węzły poprzez wiązania koordynacyjne. Wiązania te tworzą sieci, które wykazują architekturę zero-, jedno-, dwu- lub trójwymiarową. Główne cechy strukturalne MOF-ów, bezpośrednio związane z ich zastosowaniami, obejmują wysoką porowatość z objętościami porów sięgającymi do 90% struktury krystalicznej, duże powierzchnie właściwe przekraczające kilka tysięcy metrów kwadratowych na gram oraz stabilność termiczną w zakresie 250-500°C.

Wysoka powierzchnia, wysoka porowatość, dostosowywalność, wszechstronność strukturalna, zdolność enkapsulacji, kontrolowane uwalnianie i biokompatybilność umożliwiają wykorzystanie MOF-ów w różnych zastosowaniach. Są one stosowane w magazynowaniu i separacji gazów, efektywnie wychwytując i selektywnie oddzielając gazy takie jak wodór, metan i dwutlenek węgla, identyfikacji molekularnej, separacji, leczeniu i diagnostyce w naukach biomedycznych, energii odnawialnej, systemach cienkowarstwowych, adsorpcji, przyciąganiu magnetycznym, biogazie, katalizie, luminescencji, przewodnictwie protonowym, wykrywaniu, dostarczaniu leków, wychwytywaniu węgla, ogniwach słonecznych, rozszczepianiu wody i wielu innych zastosowaniach.

MOF-y są korzystne w różnych procesach chemicznych, ponieważ mają dostosowywalne rozmiary porów i duże powierzchnie zewnętrzne. W systemach dostarczania leków prezentują kontrolowane uwalnianie i ukierunkowaną terapię dzięki swojej zdolności do enkapsulacji środków terapeutycznych. Są również stosowane w zastosowaniach środowiskowych, gdzie zanieczyszczenia muszą być usunięte, oraz w wykrywaniu i detekcji czynników chemicznych lub biologicznych. Są używane w modalności obrazowania; są zaangażowane w oczyszczanie wody poprzez usuwanie cząstek stałych. Te różnorodne zastosowania pokazują znaczenie MOF-ów w różnych dziedzinach nauki i przemysłu.

W ostatnich latach różne rodzaje MOF-ów były wykorzystywane jako różne nośniki leków do kontrolowanego uwalniania, oferując kilka zalet jako nowo opracowane materiały. Nanoskala rozmiarów MOF-ów może być precyzyjnie kontrolowana, umożliwiając efektywne pobieranie leku i przenikanie przez błonę komórkową. Potencjalnej toksyczności MOF-ów można uniknąć poprzez wybór nietoksycznych metali i ligandów. Dodatkowo, wysoka pojemność ładowania leków i wysoka gęstość polarnych miejsc MOF-ów umożliwiają trwałe uwalnianie leków przez dłuższe okresy. Ponadto, nośniki leków oparte na MOF-ach mogą wykazywać wrażliwość na pH ze względu na zależną od pH stabilność niektórych MOF-ów, co czyni je skutecznymi do ukierunkowanego dostarczania leków w specyficznych środowiskach biologicznych.

Jak zaprojektowano systemy MOF dla ciprofloksacyny?

Cambridge Structural Database (CSD) ma około 99 075 zsyntetyzowanych związków MOF i typu MOF. Jonowe MOF-y niedawno zapewniły innowacyjny sposób dostarczania leków. An i wsp. wykorzystali bio-MOF jako nośnik dla prokainamidu, osiągając pojemność wchłaniania 0,22 g g⁻¹. W 1995 roku grupa Yaghi badała wiązanie cząsteczek gościa w mikroporowatym MOF złożonym z kationów kobaltu i 1,3,5-benzenotrikarboksylanu (BTC). W 1999 roku zgłosili MOF-5, zbudowany z ligandów 1,4-benzenodikarboksylanu (BDC) i klastrów Zn₄O, oferujący powierzchnię Langmuira 2900 m² g⁻¹. Sun i wsp. opisali anionowy MOF ZnTATAT, pochodzący z rozkładu DMF w jego kanałach, który ładował neutralny lek przeciwnowotworowy 5FU z pojemnością 0,5 g g⁻¹. Hu i wsp. opracowali MOF-74Fe(III) poprzez post-utlenianie, umożliwiając mu enkapsulację anionów ibuprofenu z pojemnością 0,19 g g⁻¹. Jednak rozmiar cząstek MOF-74Fe(III), około 2 mikrometrów, czyni go nieodpowiednim do podawania dożylnego, ograniczając jego zastosowanie do doustnego dostarczania leków. Jiang i wsp. zsyntetyzowali anionowy MOF ZJU-64-NSN do selektywnej adsorpcji leków, osiągając pojemność ładowania 21% dla prokainamidu (PA) ze względu na silne przyciąganie elektrostatyczne, i wykazali kontrolowane uwalnianie pod wpływem pH i jonów sodu. Dong i jego zespół zsyntetyzowali MOF-y na bazie Zr funkcjonalizowane kwasem foliowym, osiągając efektywność ładowania leków 38,42% i 30,26% odpowiednio dla MOF-808 i NH₂-UiO-66, z obiecującymi odpowiedziami zależnymi od dawki w terapii nowotworowej.

W naszych badaniach skoncentrowaliśmy się na dwóch cyrkonowych MOF-ach: Zr-MOF-1 (opartym na 2-amino-1,4-benzenodikarboksylowym kwasie, NH2-BDC) oraz Zr-MOF-2 (opartym na 4,4′-bifenylodikaroksylowym kwasie, BPDC), badając ich zdolność do enkapsulacji i uwalniania ciprofloksacyny – szeroko stosowanego antybiotyku. MOF-y cyrkonowe, zwłaszcza UiO-66 odkryte przez Cavkę i wsp. w 2008 roku, zyskały znaczną uwagę ze względu na ich niezrównaną stabilność, szczególnie w środowiskach hydrotermalnych i kwaśnych, przypisywaną silnym wiązaniom koordynacyjnym między Zr(IV) a ligandami karboksylowymi. Ich wysoka powierzchnia i porowatość pozwalają na znaczne ładowanie leków, zwiększając efektywność dostarczania. Dodatkowo, cyrkon jest naturalnie obfity i wykazuje niską toksyczność, co czyni te struktury odpowiednimi dla biomedycyny. Modyfikacje chemii powierzchni, takie jak wprowadzanie grup funkcyjnych jak –NH₂ i –NO₂, wpływają na pojemność ładowania leku i zachowanie uwalniania, przy czym UiO-66 funkcjonalizowany –NH₂ wykazuje maksymalne ładowanie i wolniejsze szybkości uwalniania ze względu na silne zdolności wiązania wodorowego.

Synteza Zr-MOF-ów została przeprowadzona metodą solwotermalną. W reprezentatywnej metodzie, 20 mL DMF zmieszano z 1 mmol NH2-BDC w teflonowym naczyniu i mieszano przez 10 minut. Następnie dodano 1 mmol ośmiowodnego chlorku cyrkonylu i mieszano przez dodatkowe 10 minut, po czym dodano 20 mL kwasu mrówkowego. Otrzymany roztwór umieszczono w autoklawie i ogrzewano w temperaturze 120°C przez 72 godziny. Po zakończeniu reakcji, teflon pozostawiono do ostygnięcia. Ostatecznie, powstały osad oddzielono przez filtrację, przemyto obficie rozpuszczalnikiem DMF, a następnie wysuszono w temperaturze 100°C, uzyskując żółty osad Zr-MOF-1. Formowanie Zr-MOF-2 było podobne do Zr-MOF-1, z tym że zamiast NH2-BDC użyto 4,4′-bifenylodikaroksylowego kwasu (BPDC).

Aby poprawić porowatość, adsorpcję i zdolność ładowania leków, aktywacja Zr-MOF-ów jest niezbędna, szczególnie w celu usunięcia uwięzionych rozpuszczalników o wysokiej temperaturze wrzenia, takich jak DMF, które mogą pogorszyć wydajność. Aktywację obu MOF-ów osiągnięto metodą wymiany rozpuszczalnika. Zr-MOF-1 zanurzono w 10 mL etanolu w szklanej ampułce i pozostawiono na 24 godziny. Następnie etanol zastąpiono świeżym etanolem, powtarzając proces trzykrotnie. Następnie etanol zdekantowano i dodano trichlorometan do fiolki. Tę wymianę rozpuszczalnika z trichlorometanem również przeprowadzono co 24 godziny przez trzy cykle. Aktywowany materiał uzyskano przez filtrację i suszenie w temperaturze pokojowej. Tę samą procedurę zastosowano do aktywacji Zr-MOF-2.

Enkapsulację ciprofloksacyny przeprowadzono poprzez rozpuszczenie ciprofloksacyny w podwójnie destylowanej wodzie, aby uzyskać roztwory o wymaganych stężeniach. Następnie dodano 60 mg odpowiedniego Zr-MOF-u do każdej fiolki. Każdą mieszaninę dokładnie mieszano przez 12 godzin, aby zapewnić równomierne rozprowadzenie i ułatwić adsorpcję ciprofloksacyny na Zr-MOF. Załadowane ciprofloksacyną Zr-MOF-y (Zr-MOF-1@CIP i Zr-MOF-2@CIP) odzyskano przez filtrację i wirowanie. Załadowane MOF-y przemyto wodą i etanolem, aby usunąć niezwiązane cząsteczki leku. Na koniec wysuszono je w temperaturze 80°C, aby uzyskać sypki proszek. Procent ładowania (PL%) obliczono przy użyciu podanego wzoru: PL% = (masa załadowanego leku / masa MOF) × 100.

Jak struktura MOF wpływa na ładowanie leku?

Do badań uwalniania leku, nanocząstki Zr-MOF załadowane lekiem osadzono w 10 mL buforowanych roztworów o różnych wartościach pH: 3,0, 7,4 (PBS) i 9,2. W regularnych odstępach czasu, 1 mL każdego roztworu pobierano za pomocą strzykawki o pojemności 5 mL wyposażonej w filtr strzykawkowy, a równe objętości świeżych roztworów buforowych dodawano, aby zachować spójność. Stężenie uwolnionego leku mierzono za pomocą spektroskopii UV-Vis przy 276 nm. Procent uwolnienia (PR%) obliczono za pomocą wzoru: PR% = (ilość uwolnionego leku / całkowita ilość załadowanego leku) × 100.

Charakterystyka strukturalna Zr-MOF-ów została przeprowadzona za pomocą różnych technik analitycznych. Analiza PXRD (dyfrakcja proszkowa promieniowania rentgenowskiego) potwierdziła wysoką krystaliczność i czystość syntetyzowanych materiałów. Spektroskopia FTIR wykazała charakterystyczne pasma dla wiązań koordynacyjnych między ligandami a jonami cyrkonu. Analiza SEM ujawniła, że Zr-MOF-1 ma kryształy w kształcie bloków o prostokątnych i sześciennych kształtach, ze średnim wymiarem około 0,176 μm, podczas gdy Zr-MOF-2 ma wydłużone globularne kryształy o średnim rozmiarze około 0,696 μm.

Analiza BET Zr-MOF-ów potwierdziła ich mezoporowatość, wskazując na izotermy typu IV. Zr-MOF-1 wykazał niższą powierzchnię BET wynoszącą 64,75 m²/g ze średnią szerokością porów 26,66 nm, podczas gdy Zr-MOF-2 wykazał wyższą powierzchnię właściwą 85,43 m²/g i nieco większą średnią szerokość porów 27,97 nm. Oba Zr-MOF-y wykazały rozkład wielkości porów głównie w zakresie 2-4 nm, co potwierdza obecność mezoporów w strukturze Zr-MOF. Ciprofloksacyna jest stosunkowo dużą cząsteczką, mierzącą około 12 Å długości i 8 Å szerokości.

Efektywność ładowania leków do Zr-MOF-ów jest krytycznie uzależniona od charakterystyki strukturalnej MOF-u, takiej jak powierzchnia właściwa, wielkość porów i porowatość, które determinują dynamikę interakcji między cząsteczkami leku a strukturą Zr-MOF. Wraz ze wzrostem stosunku MOF do leku, efektywność ładowania wzrasta stopniowo, odzwierciedlając bezpośredni związek między zawartością ciprofloksacyny a jej absorpcją przez Zr-MOF. Ze względu na maksymalną liczbę polarnych miejsc donorowych i odpowiednią wielkość porów w kanałach Zr-MOF (węzeł metaliczny i struktura organiczna), ciprofloksacyna jest preferencyjnie wychwytywana przez nanoskalowe Zr-MOF-y.

Zr-MOF-1, o powierzchni BET 64,75 m²/g i średniej szerokości porów 26,66 nm, wykazuje niższą efektywność ładowania – 66,33% przy stosunku 1:1, 69,57% przy stosunku 1:2 i 70,01% przy stosunku 1:3. Stosunkowo mniejsza powierzchnia właściwa Zr-MOF-1 ogranicza liczbę dostępnych miejsc adsorpcji dla ciprofloksacyny, co bezpośrednio wpływa na jego zdolność do enkapsulacji wyższych stężeń leku. W rezultacie zwiększenie stosunku leku z 1:1 do 1:2 prowadzi tylko do umiarkowanego wzrostu efektywności ładowania, a różnica między stosunkami 1:2 i 1:3 staje się nieistotna. Ten efekt nasycenia wskazuje, że pory Zr-MOF-1 są szybko zajmowane przy niższych stężeniach leku, a jego ograniczona powierzchnia właściwa nie wspiera znacznego wzrostu ładowania wraz z dalszym wzrostem stężenia leku. Stosunkowo mniejsza średnia szerokość porów Zr-MOF-1 również przyczynia się do tego ograniczenia, ponieważ tworzy przeszkodę steryczną, która zapobiega skutecznej enkapsulacji dodatkowych cząsteczek ciprofloksacyny powyżej pewnego stężenia.

Wyższa powierzchnia BET Zr-MOF-2 (85,43 m²/g) w porównaniu do Zr-MOF-1 (64,75 m²/g) zapewnia bardziej rozległą sieć miejsc adsorpcji dla cząsteczek ciprofloksacyny, co prowadzi do wyższej efektywności ładowania. Odzwierciedla się to w obserwowanej efektywności ładowania Zr-MOF-2: 76,39% dla stosunku MOF:lek 1:1, 81,10% dla stosunku 1:2 i imponujące 87,62% dla stosunku 1:3. Efektywność ładowania leku rośnie wraz ze wzrostem stosunku leku, demonstrując bezpośrednią relację między ilością ciprofloksacyny a jej absorpcją przez Zr-MOF-2. Trend ten sugeruje, że struktura Zr-MOF-2 może pomieścić dodatkowe cząsteczki leku wraz ze wzrostem stężenia leku, w przeciwieństwie do Zr-MOF-1, który osiąga punkt bliski nasycenia.

Średnia szerokość porów również odgrywa kluczową rolę w enkapsulacji leku. Ciprofloksacyna, o wymiarach cząsteczki około 12 Å długości i 8 Å szerokości, wymaga wystarczającej przestrzeni porów, aby była skutecznie enkapsulowana bez znacznych przeszkód sterycznych. Zr-MOF-2 o średniej szerokości porów 27,97 nm, nieco większej niż Zr-MOF-1 (26,66 nm), lepiej mieści wymiary ciprofloksacyny, ponieważ oferuje szerszą wielkość porów. Większa szerokość porów Zr-MOF-2 zwiększa możliwość wnikania i wiązania cząsteczek ciprofloksacyny w obrębie Zr-MOF, co zapewnia sposób na zminimalizowanie przeszkód sterycznych, tak aby enkapsulacja cząsteczek ciprofloksacyny była skuteczna. W rezultacie Zr-MOF-2 o wyższej wielkości porów i powierzchni właściwej do ładowania leku wykazuje lepszą dystrybucję cząsteczek leku w swoich strukturach z poprawioną efektywnością ładowania leku wraz ze wzrostem stężenia leku.

Wyższa powierzchnia właściwa i szerokość porów Zr-MOF-2 w porównaniu do Zr-MOF-1 wynika głównie z jego ligandów organicznych. W porównaniu do mniejszego linkera 2-amino-BBC w Zr-MOF-1, BPDC jest nieco większym i bardziej sztywnym linkerem i zwiększa porowatość struktury Zr-MOF-2. Rozszerzona struktura aromatyczna BPDC tworzy większe kanały i zwiększoną mezoporowatość w stosunku do prekursora lub po prostu zwiększoną porowatość. Z drugiej strony, Zr-MOF-1 z małym linkerem 2-amino BDC tworzy gęstszą siatkę o małej wielkości porów, co utrudnia zdolność do enkapsulacji wysokiego stężenia leku.

Jak pH wpływa na uwalnianie ciprofloksacyny?

Wybrano trzy różne pH w naszym badaniu, ponieważ wiemy, że różne części ludzkiego układu trawiennego (jama ustna, żołądek, dwunastnica, jelito cienkie i okrężnica) mają różne pH. Właściwie, lek doustny przechodzi przez przewód pokarmowy, dlatego naszym głównym celem było ustalenie efektywności uwalniania ciprofloksacyny z załadowanych MOF-ów przy różnych pH. Kontrolowane szybkości uwalniania ciprofloksacyny z MOF-ów są zmniejszone przy neutralnym pH 7,4 i kwaśnym pH 3,0, podczas gdy maksymalne uwalnianie zaobserwowano przy zasadowym pH 9,2. Chcielibyśmy wyjaśnić, że użycie pH 9,2 nie miało na celu naśladowania normalnych warunków fizjologicznych, ale raczej zbadanie pH-responsywnego zachowania uwalniania systemu lek-MOF w różnych środowiskach pH, w tym tych związanych ze specyficznymi stanami patologicznymi lub zlokalizowanymi środowiskami. Chociaż systemowe pH fizjologiczne wynosi około 7,4, liczne badania wykazały, że lokalne mikrośrodowiska w stanach chorobowych (np. zainfekowane rany, tkanki zapalne i niektóre regiony przewodu pokarmowego, takie jak dwunastnica) mogą wykazywać łagodnie zasadowe warunki, gdzie wartości pH mogą przekraczać 8,0. Na przykład, miejsca przewlekłych ran i infekcje bakteryjne (szczególnie z udziałem bakterii produkujących ureazę, takich jak Proteus lub Klebsiella) mogą podnieść lokalne pH do około 8,5-9,0, co może wspomagać uwalnianie leków zasadowych lub zwitterjonowych, takich jak ciprofloksacyna. Płyn jelitowy w dwunastnicy i górnym jelicie czczym może osiągać poziomy pH do 8,0-8,5 w pewnych środowiskach dietetycznych lub poposiłkowych.

Rys. 6 odnosi się do uwalniania ciprofloksacyny (CIP) z załadowanych lekiem Zr-MOF-ów przy trzech poziomach pH: 9,2, 7,4 i 3,0 w czasie. Maksymalne uwalnianie stwierdzono przy pH 9,2, podczas gdy minimalne uwalnianie zaobserwowano przy pH 3,0. Ten trend wynika z faktu, że chlorowodorek ciprofloksacyny jest kwaśny i bardziej rozpuszczalny w środowisku zasadowym. Przy pH 9,2 ciprofloksacyna deprotonuje się, a zatem jej interakcja z matrycą MOF zmniejsza się i jest łatwiej uwalniana. Szybkości uwalniania ciprofloksacyny są zmniejszone, gdy pH roztworu jest obniżone, takie jak 7,4 i 3,0. Zauważono również, że przy wszystkich testowanych poziomach pH oba Zr-MOF-y wykazywały początkowe gwałtowne uwolnienie, efekt, który można wyjaśnić adsorpcją fizyczną, na przykład poprzez oddziaływania dipol-dipol i wiązania wodorowe między ciprofloksacyną a MOF. Po początkowym wybuchu profile uwalniania stabilizują się, a poziomy absorbancji pozostają stosunkowo stałe. Sugeruje to, że większość leku jest uwalniana w ciągu pierwszych 60 minut, a pozostały lek jest ściśle związany z Zr-MOF. Przy pH 9,2 gwałtowne uwolnienie jest bardziej wyraźne, ponieważ cząsteczki leku deprotonują się i szybko desorbują z powierzchni Zr-MOF.

Wpływ stężenia na uwalnianie leku z Zr-MOF@CIP jest również obserwowany poprzez stopniowe pobieranie absorbancji uwolnionych roztworów. Każdy stosunek ładowania leku wykazywał szybkie początkowe uwalnianie leku, charakteryzujące się szybkim wzrostem absorbancji na początku. Jest to przypisywane ciprofloksacynie, która jest obecna na powierzchni Zr-MOF-ów poprzez słabe interakcje. Stosunkowo wyższe gwałtowne uwolnienie w przypadku stosunku 1:3 w porównaniu do stosunków 1:1 i 1:2 sugeruje, że większe ładowanie leku skutkuje wyższą ilością ciprofloksacyny dostępnej do natychmiastowego uwolnienia. Ten zwiększony wybuch przy wyższym stosunku wynika z większej ilości cząsteczek leku znajdujących się na lub w pobliżu powierzchni MOF-ów, gdzie słabe interakcje pozwalają na szybsze uwolnienie. Profile uwalniania dla wszystkich stosunków ładowania stopniowo stabilizowały się w czasie.

Czy MOF-y gwarantują stabilność i efektywność?

Wpływ różnych stosunków MOF:lek (1:1, 1:2 i 1:3) na uwalnianie ciprofloksacyny ujawnia istotne różnice między Zr-MOF-1@CIP a Zr-MOF-2@CIP. Dla Zr-MOF-1@CIP zaobserwowano początkowy wybuch uwalniania ciprofloksacyny przy wszystkich stosunkach MOF:lek 1:1, 1:2 i 1:3, głównie z powodu szybkiej desorpcji cząsteczek leku z powierzchni Zr-MOF. Jednak dla stosunków MOF:lek 1:2 i 1:3 profile uwalniania były bardziej podobne przy wszystkich pH. Ten trend wskazuje, że stosunkowo mała powierzchnia właściwa i objętość porów Zr-MOF-1 były nasycone, co ograniczało wzrost efektywności uwalniania leku nawet przy wyższych stężeniach leku. Zr-MOF-2@CIP wykazał znaczny wzrost uwalniania leku wraz z rosnącymi stężeniami leku przy wszystkich pH. Przy stosunku 1:3 Zr-MOF-2@CIP wykazał najwyższe poziomy uwalniania, ponieważ maksymalna ilość leku została załadowana na Zr-MOF-y przy tym stosunku, napędzana przez jego większą powierzchnię właściwą i objętość porów. Początkowe gwałtowne uwolnienie było również bardziej wyraźne w Zr-MOF-2@CIP we wszystkich stosunkach, szczególnie przy 1:3, gdzie wyższe stężenie cząsteczek leku prowadziło do szybkiego uwolnienia, a następnie stałego, kontrolowanego uwalniania. Demonstruje to lepszą zdolność Zr-MOF-2 do pomieszczenia i uwalniania większych ilości ciprofloksacyny w porównaniu do Zr-MOF-1, odzwierciedlając jego bardziej wydajną i adaptowalną strukturę.

Wzorce PXRD zarówno z drugiego, jak i świeżego przebiegu wykazały spójne wyniki, wskazując, że Zr-MOF-y zachowały swoją stabilność chemiczną. Analiza PXRD Zr-MOF-ów potwierdziła, że ich podstawowa struktura pozostała nienaruszona po drugim recyklingu. Wykazało to, że Zr-MOF-y mogą być skutecznie ponownie wykorzystane przez okres do trzech cykli. Dalsza analiza PXRD recyklowanych Zr-MOF-ów wykazała, że ich integralność strukturalna została zachowana w całym procesie enkapsulacji i uwalniania leku.

Większa ilość ciprofloksacyny została uwolniona przy pH 9,2 w porównaniu do pH 7,4 i pH 3,0. Ten zwiększony uwalnianie przypisuje się wyższej rozpuszczalności chlorowodorku ciprofloksacyny przy podwyższonym pH, co zmniejsza jego interakcję z matrycą MOF. Dodatkowo, częściowa hydroliza Zr-MOF@CIP w środowiskach zasadowych może przyczyniać się do zwiększonego uwalniania. Odwrotnie, najniższe uwalnianie zaobserwowano przy pH 3,0 ze względu na niską rozpuszczalność chlorowodorku ciprofloksacyny w środowisku kwaśnym. Przy pH 7,4 uwalnianie było umiarkowane, odpowiadając warunkom fizjologicznym. Ilość uwolnionej ciprofloksacyny była proporcjonalna do początkowego ładowania, przy czym stosunek 1:2 wykazywał wyższe gwałtowne uwolnienie niż 1:1, ale niższe niż 1:3.

Zr-MOF-1, zsyntetyzowany za pomocą kwasu 2-amino-1,4-benzenodikarboksylowego (NH2-BDC), i Zr-MOF-2, oparty na kwasie 4,4′-bifenylodikaroksylowym (BPDC), różnią się znacząco pod względem ich wymiarowości strukturalnej, objętości porów i charakterystyki powierzchni. Zr-MOF-1 zawiera stosunkowo krótszy linker (NH2-BDC), powodując zmniejszone okna porów, mniejszy rozmiar linkera i gorszą powierzchnię właściwą, co zasadniczo ogranicza umieszczanie większych cząsteczek leku, takich jak ciprofloksacyna. Zr-MOF-2, z drugiej strony, składa się z BPDC, dłuższego, bardziej hydrofobowego linkera, który przyczynia się do większych otworów porów i zwiększonej porowatości, tym samym umożliwiając lepszą dyfuzję leku i pułapkowanie. Te cechy strukturalne bezpośrednio wpływają na efektywność ładowania leku, przy czym Zr-MOF-2 reprezentuje znacznie większe ładowanie w porównaniu do Zr-MOF-1, prawdopodobnie ze względu na ulepszone spiętrzenie π-π między aromatycznym pierścieniem chinolonowym ciprofloksacyny a wydłużonymi linkerami bifenylowymi w BPDC, zwiększone interakcje powierzchniowe ze względu na większą powierzchnię właściwą, większy rozmiar linkera organicznego, objętość porów i zmniejszone przeszkody steryczne podczas enkapsulacji.

Dodatkowo, ciprofloksacyna, antybiotyk fluorochinolonowy, spełnia Regułę Pięciu Lipińskiego (regułę Pfizera), ze względu na jej masę cząsteczkową 331,3 g mol⁻¹ (<500 g mol⁻¹), donory wiązań wodorowych: 2 (akceptowalne <5), akceptory wiązań wodorowych: 6 (akceptowalne <10), logP: około 0,28 (akceptowalne <5). Dlatego ciprofloksacyna jest umiarkowanie hydrofilowa, prezentując ją jako odpowiednią do interakcji z Zr-MOF-ami zawierającymi zarówno domeny hydrofilowe, jak i hydrofobowe. Większa i bardziej hydrofobowa struktura Zr-MOF-2 lepiej dostosowuje się do tej dualności, poprawiając enkapsulację i kontrolowane uwalnianie. Wydajność uwalniania badano w trzech fizjologicznie istotnych warunkach pH: 3,0, 7,4 i 9,2. Przy pH 3,0 (kwaśnym) oba MOF-y wykazywały nieistotne uwalnianie ze względu na protonację grupy karboksylowej ciprofloksacyny, prowadzącą do zmniejszonej rozpuszczalności i silniejszego oddziaływania elektrostatycznego z węzłem Zr. Przy pH 7,4 (fizjologicznym) zaobserwowano umiarkowane uwalnianie ze względu na częściową jonizację ciprofloksacyny i linkerów MOF.

Przy pH 9,2 (zasadowym) Zr-MOF-2 wykazał najwyższe uwalnianie, co można przypisać deprotonacji ciprofloksacyny, poprawiając jej rozpuszczalność, osłabionym interakcjom gospodarz-gość, wspierającym dyfuzję leku i stabilności Zr-MOF-2 w środowisku zasadowym, pozwalając na trwałe uwalnianie bez degradacji struktury. Wcześniejsze badanie wykazało, że stabilność Zr-MOF jest podtrzymywana przez brak znaczącego wymywania lub wykrywalnego rozpuszczalnego Zr⁴⁺ w roztworze w zakresie pH od 1 do 12. Z drugiej strony, niestabilność Zr-MOF-ów powyżej pH 12 była związana z brakiem rozpuszczalnego Zr⁴⁺ w analizie ICP-OES supernatantów, co można przypisać tworzeniu się stałych tlenków/wodorotlenków cyrkonu przy pH większym niż 12. Zr-MOF-1 wykazał gorszą efektywność uwalniania przy tym samym pH, prawdopodobnie ze względu na ściślejsze upakowanie wewnątrz mniejszych porów, wiązania wodorowe z udziałem grupy –NH₂ linkerów BDC, które mogą silniej utrzymywać ciprofloksacynę.

Podsumowanie

Systemy dostarczania leków przeszły znaczącą ewolucję, prowadząc do rozwoju zaawansowanych nośników, wśród których wyróżniają się MOF-y (Metal-Organic Frameworks). Badania koncentrowały się na dwóch cyrkonowych MOF-ach: Zr-MOF-1 i Zr-MOF-2, które wykazały różną efektywność w enkapsulacji i uwalnianiu ciprofloksacyny. Zr-MOF-2 charakteryzował się wyższą powierzchnią właściwą (85,43 m²/g) i większą szerokością porów (27,97 nm) w porównaniu do Zr-MOF-1, co przekładało się na lepszą efektywność ładowania leku, sięgającą 87,62%. Uwalnianie ciprofloksacyny było silnie zależne od pH środowiska, z maksymalnym uwalnianiem przy pH 9,2 i minimalnym przy pH 3,0. Stabilność strukturalna MOF-ów została potwierdzona w cyklach recyklingu, demonstrując ich potencjał jako wielokrotnie używanych nośników leków. Badania wykazały, że MOF-y stanowią obiecującą platformę dla kontrolowanego dostarczania leków, oferując możliwość dostosowania ich właściwości do specyficznych wymagań terapeutycznych.