Micellar Carrier Systems for Anticancer Drugs Using Natural Polymers

Abstract

Kanser ilaçlarını tam olarak tümör bölgelerine taşımak hala zorlayıcı bir süreç olup, çoğu zaman düşük etkinlik ve belirgin yan etkilere yol açmaktadır. Bu sorunu çözmek amacıyla, ilaçları lipozomlar, nanopartiküller veya miseller içinde kapsülleyerek kemoterapiyi geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Bu tür taşıyıcıların iki önemli gereksinimi karşılaması gerekmektedir: yapısal ve fizikokimyasal bütünlüklerini korumalı, ilacı uygun şekilde kapsayıp gerektiğinde tümör bölgesine salınımını sağlamalıdırlar. Kitosan, polimerizasyon potansiyeli, biyouyumluluğu, pH duyarlılığı ve yük özellikleri gibi benzersiz özellikleri nedeniyle ilaç taşıyıcıları için önde gelen bir aday olarak ortaya çıkmıştır. 2000 yılından itibaren yapılan literatür taraması, 'yenilikçi + nano + kitosan' anahtar kelimeleriyle 527 ilgili makale bulunmuş olup, bu alandaki geniş ve karmaşık araştırma birikimini vurgulamaktadır. Bu tez, öncelikle sentetik polimer P-123 misellerinin (hem boş hem de Docetaxel yüklü) deiyonize su (DW) ve sığır serum albümini (BSA) içeren simüle vücut sıvısındaki (SBF) stabilitesini incelemektedir. Seyreltme, yaşlandırma ve değişen ilaç ve protein konsantrasyonları altında yapılan stabilite testleri, bu misellerin belirli bir seyreltme sınırının ötesinde veya protein konsantrasyonu kritik bir eşiği aştığında bütünlüklerini kaybettiklerini göstermiştir. Bu durum, P-123 misellerinin gerçek kan plazmasındaki stabilitesinin sınırlı olduğunu ve önceki bulgularla çeliştiğini işaret etmektedir. Çalışma daha sonra hidrofobik kanser ilaçları için stabiliteyi artırmak amacıyla, kitosanı ana polimer olarak kullanarak doğal polimerik miseller geliştirmeye odaklanmıştır. Hem sentetik hem de doğal misellerin fizyolojik koşullarda stabilitesinin, misel oluşumu için gerekli kimyasal modifikasyonun türü ve derecesine göre değişen özelliklere, özellikle pH duyarlılığına bağlı olduğu bulunmuştur. Sonuç olarak, doğal polimerik miseller, sentetik misellerin aksine vücut sıvılarında seyreltme durumunda stabil kalmıştır. Ancak, her iki misel türü de protein etkileşimleri ile vücut sıvılarında kararsızlık göstermiş olup, hedef hücrelere ulaşmadan önce yapılarını koruyabilmeleri için yüzey modifikasyonlarının gerekli olduğunu göstermektedir. Bu nedenle ilaç yüklü kitosan miselleri, vücut sıvısında proteine dirençli hale getirilmek üzere sülfat grupları içeren başka bir biyopolimer olan fukoidan ile kaplandı. Daha sonra bu çalışmada geliştirilen kitosan misel sistemleriyle kanser hücrelerinin ölüm yüzdeleri belirlenmiş ve miseller ilaç kapsülleme mekanizmalarına göre karşılaştırılmıştır. İlacın misel yapısında fiziksel ve kimyasal bağ yaparak kapsüllenmesi olan her iki mekanizmanın da bu çalışmada test edilen koşullar altında neredeyse benzer sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Kanser hücresi ölüm oranları, docetaxel tek başına verildiğinde elde edilen değerden daha düşük olup %60 civarındadır. Bunun nedeni misellerin hücreye alınmasından sonra gerçekleşmesi gereken ilaç salınımına bağlanmıştır. Fukoidan kaplı misellerin, hücre ölüm yüzdesini daha da azalttığı gözlenmiştir. Bunun nedeni, vücut sıvısında stabil olmalarını sağlayan negatif yük nedeni ile hücre alımı sırasında problem yaşıyor olabilmelerine bağlanmıştır. Yani negatif yük sayesinde kan içinde stabilite sağlanırken, misellerin hücreye girişi etkilenmiş ve kanser hücrelerini öldürmede etkileri azaltılmış olabilir.

Transporting anticancer drugs precisely to tumor sites is still challenging, often resulting in low efficacy and notable side effects. Research on encapsulating medications in liposomes, nanoparticles, or micelles to improve chemotherapy is ongoing to solve this issue. Such carriers must fulfill two essential requirements: preserve their structural and physicochemical integrity while appropriately encasing the medication and releasing it to the tumor site when required. Chitosan has emerged as a leading candidate for drug carriers due to its unique properties, including polymerization potential, biocompatibility, pH sensitivity, and charge characteristics. Numerous synthesis methods for chitosan-based nanocarriers have been explored, with a literature search since 2000 yielding 527 relevant articles, highlighting the extensive and complex body of research in this area. This thesis first examines the stability of synthetic polymer P-123 micelles (both bare and Docetaxel-loaded) in deionized water (DW) and simulated body fluid (SBF) containing bovine serum albumin (BSA). Stability tests under dilution, aging, and varying concentrations of drugs and proteins showed that these micelles lost integrity when diluted beyond a specific limit or when protein concentration exceeded a critical threshold, indicating limited stability in natural blood plasma, contrary to earlier findings on P-123 micelles. The study then focused on developing natural polymeric micelles, with chitosan as the primary polymer, to enhance hydrophobic anticancer drug delivery stability. The stability of synthetic and natural micelles in physiological conditions depends on properties like pH sensitivity, which vary with the type and degree of chemical modification required for micelle formation. Unlike synthetic micelles, natural polymeric micelles remained stable in body fluid dilutions. However, both micelles showed instability in body fluids when interacting with proteins, suggesting that further surface modifications are essential to preserve their structure until reaching the target cells. Therefore, the drug-loaded chitosan micelles were covered by another biopolymer, fucoidan, which contains sulfate groups, to make them protein-resistant in body fluids. Then, the death rates of cancer cells were determined with the chitosan micelle systems developed in this study, and the micelles were compared according to their drug encapsulation mechanisms. It was observed that both mechanisms, which are the encapsulation of the drug by physical and chemical bonding in the micelle structure, gave almost similar results under the conditions tested in this study. Cancer cell death rates are around 60%, lower than when docetaxel is given alone. This is attributed to the drug release that must occur after the micelles are taken into the cell. Fucodian-coated micelles were observed to reduce the percentage of cell death further. This is because they may have problems during cell recruitment due to the negative charge that makes them stable in body fluid. In other words, while stability in the blood is achieved due to the negative charge, the entry of micelles into the cell may be affected, and their effectiveness in killing cancer cells may be reduced.