Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Трансдермальная доставка лекарственных соединений имеет большие перспективы, поскольку позволяет снизить системную токсичность препарата и является удобной и безопасной для пациентов. Гели на основе полимеров природного происхождения все чаще стали использоваться в медицине как альтернатива другим лекарственным формам. В данном проекте, каррагинаны, представляющие собой сульфатированные полисахариды, получаемые при переработке красных морских водорослей и состоящие из остатков D-галактозы и ангидро-D-галактозы, предлагаются в качестве основы трансдермальных гелей. В ходе выполнения проекта были получены гели йота- и каппа-каррагинанов разного состава, в процессе приготовления которых варьировались количество полимера, концентрация дополнительно вводимых биологически значимых катионов, температура. На основе комплексного исследования структурно-механических свойств рассматриваемых систем выявлены наиболее оптимальные условия приготовления трансдермальных гелей на основе каррагинанов. Установлено, что концентрация йота-каррагинана 1 масс.% является наиболее подходящей для образования мягких, эластичных гелей, трехмерная структура которых включает макромолекулы полисахарида, агрегированные за счет электростатических взаимодействий и водородных связей. Вязкоупругие свойства геля 1% йота-каррагинана сохраняются при повышении температуры до 37 °C, температура гель-золь перехода данного геля составляет 53 °C. На основе сравнительного анализа зависимостей динамической вязкости от скорости сдвига установлено, что при добавлении NaCl, KCl, CaCl2 и MgCl2 (1 масс.%) как потенциальных промоутеров гелеобразования, вязкость геля йота-каррагинана понижается, при этом влияние катионов прослеживается в ряду Na+ < K+ ≈ Ca2+ ≈ Mg2+. В присутствии солей гидрогели становятся менее прозрачными и более текучими, что является неблагоприятным фактором для практического использования в медицине в качестве трансдермальных систем доставки. Гидрогели на основе каппа-каррагинана, в которых концентрация полимера составляла 1.0, 1.25, 1.5 и 2.0 масс.%, представляли собой нетекучие системы, способные сохранять форму, однако гели с содержанием полимера >1.25 масс.% были очень прочными и для наружного применения не подходили. Увеличение концентрации каппа-каррагинана в геле от 1 масс.% до 1.25 масс.% сопровождается смещением частотных зависимостей в область более высоких значений модулей упругости и потерь с повышением разницы между ним, т.е. прочность геля возрастает. При повышении температуры до 37 °С значения компонент комплексного модуля снижаются, при этом образец с концентрацией 1.25 масс.% сохраняет свойства геля, а 1% образец переходит в жидкофазное состояние (G' = G''), т.е. становится золем. Выявленный переход 1% геля каппа-каррагинана в золь при 30 °С накладывает некоторые ограничения на практическое использование геля в медицине и его хранение. Для повышения температуры гель-золь перехода использовалось введение неорганических солей (KCl, NaCl, CaCl2 и MgCl2). Установлено, что в присутствии хлорида калия структурирование спиралей 1% каппа-каррагинана происходит лучше, однако добавка соли приводит к повышению температуры фазового перехода на три градуса, что не является достаточным для использования в медицине. Таким образом, результаты проведенного скрининга показали, что для получения гидрогелей фармацевтического назначения на основе каппа-каррагинана наиболее оптимальным является гель с содержанием полимера 1.25 масс.%, т.к. именно он является устойчивым в диапазоне физиологических температур. 5-Фторурацил широко используется в терапии онкологических заболеваний. Однако проявление токсичности лимитирует практическое использование 5-фторурацила, в связи с чем, разработка эффективных, малотоксичных лекарственных форм с улучшенной биодоступностью и пролонгированным фармакологическим эффектом является актуальным вопросом фармакологии. В данной работе были получены гели 1% йота-каррагинана и 1.25% каппа-каррагинана с содержанием 5-фторурацила 0.5 масс.%. При исследовании структурно-механических свойств приготовленных композиционных гелей обнаружено, что введение 5-фторурацила приводит к возрастанию модулей накопления, а также разницы между модулями накопления и потерь геля йота-каррагинана при 25 °C и 37 °C относительно образца без добавок. Эти факты указывают на увеличение степени структурирования геля йота-каррагинана при добавлении в него 5-фторурацила. 5-Фторурацил оказывает незначительное влияние на реологические характеристики геля каппа-каррагинана при 25 °С, в то время как при 37 °С вызывает повышение величин компонент комплексного модуля и усиливает их зависимость от частоты деформации. Данные системы ведут себя как вязкопластичные неньютоновские тела, проявляющие течение после преодоления предела текучести в диапазоне напряжений от 10 до 100 Па. Взаимодействия 5-фтроурацила с полимерной матрицей были исследованы с привлечением 1Н ЯМР и ИК-спектроскопии при 25 °С. Изменения в 1Н ЯМР и ИК-спектрах являются более выраженными для системы йота-каррагинан+5-фторурацил, что указывает на большее сродство лекарственного соединения к этому полимеру. При изучении in vitro процессов высвобождения 5-фторурацила из гелей обнаружено, что лекарство высвобождается из геля каппа-каррагинана быстрее (за 1.5 часа), чем из геля йота-каррагинана (за 3 часа). Профили высвобождения 5-фторурацила из гелей лучше всего описываются кинетической моделью Корсмейера-Паппаса, по показателям которой установлено, что процесс не контролируется диффузией лекарственного соединения, а основной вклад вносят релаксационные процессы полимера. Исследованы процессы трансмембранного переноса 5-фторурацила. Установлено, что скорость трансмембранной диффузии 5-фторурацила, высвобождающегося из геля каппа-каррагинана, выше по сравнению с гелем йота-каррагинана. Это обусловлено большим концентрационным градиентом, возникающим в случае геля каппа-каррагинана, к которому 5-фторурацил проявляет меньшее сродство и из которого он быстрее высвобождается. Уникальные фармакологические свойства метотрексата позволили этому лекарственному препарату занять лидирующие позиции в терапии многих кожных заболеваний. В связи с необходимостью создания высокой концентрации и уменьшения побочных эффектов при использовании метотрексата на кожных покровах все более популярными стали лекарственные формы, предназначенные для наружного применения. Известны импортные гелевые формы метотрексата (Dermotrex, Trexjoy, Methgel), однако на отечественном рынке они отсутствуют. В данной работе удалось загрузить метотрексат в гидрогели каррагинанов в количестве 0.01 масс.% (как максимум). Содержание лекарства является низким из-за плохой растворимости метотрексата в воде. Введение метотрексата в гели 1% йота-каррагинана и 1.25% каппа-каррагинана приводит к возрастанию модулей упругости, т.е. способствует упрочнению структуры относительно образцов без добавок. Повышение температуры приводит к существенному уменьшению разницы между значениями модулей накопления и потерь, но при 37 °С все системы сохраняют свойства геля. С привлечением 1Н ЯМР обнаружено, что максимальные изменения химических сдвигов наблюдаются для протонов метотрексата, расположенных вблизи карбоксильных групп, которые, вероятнее всего, участвуют в образовании водородных связей с полярными группами каррагинанов. По сравнению с каппа-каррагинаном, йота-каррагинан, имеющий в строении большее количество сульфо-групп, проявляет более сильное сродство к метотрексату, что дополнительно подтверждено данными ИК-спектроскопии. Высвобождение метотрексата из гелей каррагинанов происходит достаточно медленно - за 7 часов переходит в раствор 55-65 % лекарства. Более медленное высвобождение из геля йота-каррагинана обусловлено более сильным взаимодействием метотрексата с этим полимером. Строение полимера не оказывает влияния на механизм высвобождения, которое происходит за счет диффузии, основанной на законе Фика.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Проведена оптимизация состава гидрогелей каррагинанов с метотрексатом (МТХ). МTX плохо растворим в воде, в результате этого его содержание в гидрогеле не превышает 0.01 мас.%. Для повышения растворимости МТХ в воде предложено использование циклодекстринов. Растворимость МТХ была определена в присутствии природных и модифицированных циклодекстринов. Установлено, что среди природных циклодекстринов более эффективным солюбилизатором является бета-циклодекстрин (bCD), образующий с МТХ наиболее устойчивые комплексы по сравнению с альфа- и гамма-циклодекстринами. Гидроксипропилированные и метилированные производные бета-циклодекстрина являются менее эффективными солюбилизаторами, однако они обладают лучшей растворимостью в воде, и при использовании их более высоких концентраций (>15 мМ) можно достичь повышения растворимости МТХ в 10 раз и более. Солюбилизирующее действие аминозамещенного бета-циклодекстрина (NH2-bCD) существенно зависит от ионизационного состояния МТХ и является менее выраженным в кислой среде, когда NH2-bCD и МТХ протонированы и между ними действуют силы электростатического отталкивания. Таким образом, проведенный скрининг солюбилизаторов метотрексата показал, что bCD и NH2-bCD, взятые в небольшом количестве (1 мас.%), позволяют увеличить растворимость МТХ в 10 раз. 2. Циклодекстрины, вводимые в состав гидрогелей каррагинана для повышения содержания MTX, могут оказывать влияние на процессы гелеобразования и свойства гелей. В связи с этим, необходимым оказалось изучение влияния bCD и его замещенных на структурно-механические свойства гелей йота-каррагинана (iCR) и каппа-каррагинана (kCR). Полученные зависимости вязкости гелей каррагинанов с bCD от напряжения сдвига свидетельствуют, что все системы представляют собой неньютоновские псевдопластические жидкости, добавки bCD практически не влияют на величины модулей накопления и потерь гелей при температуре 25 °С. Напротив, bCD оказывает стабилизирующий эффект на структуру геля каппа-каррагинана при температуре 37 °С, что обусловлено снижением подвижности полимерных цепей за счет взаимодействия bCD с kCR. Обнаружено, что NH2-bCD ослабляет способность йота-каррагинана к образованию гелей. Предполагается, что взаимодействия амино-групп циклодекстрина с сульфо-группами йота-каррагинана предотвращают формирование трехмерной полимерной сетки. 3. Приготовлены и охарактеризованы трехкомпонентные гели каррагинан/метотрексат/циклодекстрин. Согласно результатам реологического исследования, упругая составляющая комплексного модуля гелей CR/MTX/bCD и CR/MTX/NH2-bCD превалирует над вязкой. С увеличением температуры до 37 ºС разница между модулями накопления и потерь становится меньше, однако все системы сохраняют свойства гелей. Зависимости вязкости от напряжения сдвига исследованных трехкомпонентных гелей показывают, что при добавке циклодекстринов к гелям каррагинан/метотрексат данные образцы сохраняют свойства неньютоновских псевдопластических жидкостей. bCD не влияет на значения эффективной вязкости геля iCR/МТХ во всем диапазоне напряжений сдвига, в то время как NH2-bCD существенно снижает устойчивость к действию деформации сдвига геля iCR/MTX. Вероятно, NH2-bCD и/или его комплексы с МТХ оказывают влияние на формирование полимерной сетки, она становится более разрешенной, что приводит к понижению вязкости трехкомпонентного геля. При температуре 37 ºС наблюдается значительное снижение эффективной вязкости геля kCR/MTX/bCD в сравнении с образцами kCR/MTX и kCR/bCD. С ростом температуры полимерная сетка становится более лабильной, т.к. у гелей каппа-каррагинана температура гель-золь перехода ниже по сравнению с гелями йота-каррагинана, в результате этого возрастает вероятность взаимодействий полимерных цепочек каппа-каррагинана с MTX, bCD и комплексами включения MTX/bCD. Исследованы процессы высвобождения и трансмембранной проницаемости метотрексата из гелей каррагинан/метотрексат/циклодекстрин. Установлено, что процесс высвобождения МТХ является двухстадийным. Это связано с тем, что сначала высвобождается МТХ, расположенный у поверхности раздела гель/раствор, при этом несколько быстрее высвобождение происходит в присутствии циклодекстринов, т.к. МТХ в составе комплексов с bCD и NH2-bCD имеет большее сродство к воде. На втором этапе требуется время для проникновения растворителя в глубину геля и вымывание МТХ в раствор. Обнаружено, что процесс высвобождения МТХ из гидрогелей лучше всего описывается кинетической моделью Корсмейера-Пеппаса, согласно которой в присутствии bCD процесс высвобождения МТХ из гидрогелей йота-каррагинана контролируется не только диффузией, но и релаксацией полимера. NH2-bCD оказывает сильное влияние на лабильность полимерной сетки, делая ее более подвижной, что приводит к ускорению высвобождения МТХ из гелей йота-каррагинана, и процесс в большей степени контролируется диффузией. Высвобождение МТХ из трехкомпонентных гелей kCR/MTX/bCD протекает по диффузионному механизму. Согласно данным реологического исследования, в присутствии bCD при 37 °С полимерная сетка геля каппа-каррагинана становится лабильной, что и определяет наблюдаемое изменение механизма высвобождения. Кроме того, взаимодействия МТХ с сеткой каппа-каррагинана более слабые, в связи с этим он быстрее высвобождается по сравнению с гелями йота-каррагинана аналогичного состава. Различие в мембранной проницаемости метотрексата, высвобождающегося из гелей kCR/MTX и kCR/MTX/bCD, не столь выраженное, как в случае гелей йота-каррагинана. Это обусловлено тем, что bCD дестабилизирует полимерную сетку каппа-каррагинана в большей степени, поэтому MTX быстрее из нее высвобождается и проходит через силиконовую мембрану, моделирующую кожный барьер. 4. Приготовлены и охарактеризованы трехкомпонентные гели каррагинан/5-фторурацил/циклодекстрин, в которых bCD вводился для достижения пролонгированного высвобождения 5-фторурацила (5-FU). При проведении реологического исследования гелей выявлено, что bCD практически не влияет на структурно-механические характеристики геля йота-каррагинан c 5-FU. Напротив, добавка bCD приводит к возрастанию значений реологических характеристик гелей каппа-каррагинана с 5-фторурацилом, что особенно выражено при измерениях в режиме установившегося течения. По-видимому, bCD способен повышать степень структурирования геля каппа-каррагинана с 5-фторурацилом при 25 °С и 37 °С. Установлено, что bCD не оказывает влияния на кинетику высвобождения 5-фторурацила из геля йота-каррагинана, т.е. комплексообразование 5-FU c bCD не замедляет процесс выхода лекарства из геля. Несколько иная кинетика высвобождения прослеживается из геля каппа-каррагинана – в течение первых 30 мин. 5-фторурацил в присутствии bCD высвобождается медленнее по сравнению с гелем без bCD. В данном случае влияние bCD связано не с комплексообразованием, а с изменением реологических характеристик геля каппа-каррагинана, который становится более вязким в присутствии bCD. Процессы высвобождения 5-фторурацила из гелей каррагинанов описываются кинетической моделью Корсмейера-Пеппаса, на основе показателей которой высвобождение не контролируется диффузией, а основной вклад вносят релаксационные процессы полимера. При изучении влияния bCD на мембранную проницаемость 5-фторурацила установлено, что комплексообразование 5-FU/bCD приводит к снижению скорости трансмембранного транспорта, что обусловлено небольшим повышением вязкости водного раствора, заполняющего полимерный матрикс, и уменьшением коэффициентов диффузии молекул 5-FU за счет взаимодействия с bCD. https://minobrnauki.gov.ru/press-center/news/nauka/66793/ https://www.rscf.ru/news/chemistry/ivanovskie-uchenye-sozdali-otechestvennye-analogi-geley-ot-opukholey/ https://ivanovoobl.ru/press?type=news&id=55681 https://www.gazeta.ru/science/news/2023/04/17/20227561.shtml