Development of ultrasound triggered drug delivery systems for cancer treatment

Abstract

Doxorubicin (DOX) is one of the most commonly used hydrophilic anticancer drug in cancer treatment. However, when it is used in free form, it can attack not only cancer cells but also healthy cells. So as to prevent entering of DOX to the healthy cells, the encapsulation method is employed. Liposomes are suitable for encapsulation of DOX but the most important problems with the use of liposome are hand-foot syndrome and stomatitis. Encapsulation method is not enough because of these reasons, thus delivery of DOX to the desired site by targeted therapy has gained interest in recent years. In this study, DOX was encapsulated into liposomes and the DOX loaded liposomes (LipoDOX) was attached to microbubbles (MBs). MBs as ultrasound contrast agents are widely used in medical imaging. Use of MBs in combination of DOX loaded liposomes facilitates the uptake of the drug because ultrasound cavitation results in opening of transient pores in cell membrane via a process named sonoporation. Herein, MB-LipoDOX complex was engineered to optimize the size of the complex as well as the loaded DOX content. For this purpose, determination of incubation temperature and time for DOX loading into liposome and optimization of liposome formulation for maximum DOX loading were studied. Ratios of Lipid/Cholesterol/PEGylated lipid, PEG chain length and PEG molar ratio in liposome were determined. Also, determination of Strept Avidin (StAv) to Biotin ratio in LipoDOX and the amount of LipoDOX in LipoDOX-MB complex were studied. For characterization, Dynamic Light Scattering (DLS) method, Fluorescence Spectrometry method and Coulter Counter device were used. Lipoosme size was found to be associated with the pore size of polycarbonate membrane (200nm) resulting in liposomes at around 190±5 nm in size . When the PEGylated lipid with PEG chain of 2000 was used in liposome structure, particle size distribution is more monodispersed than the others. The maximum amount of DOX loaded liposomes was obtained at 32% Cholesterol, 5% DSPE-PEG2000, after 90 min. incubation at 65oC incubation. Optimum StAv to Biotin ratio in LipoDOX was determined as 1.0. The optimum molar ratio of Biotinylated lipids in LipoDOX was determined as 0.05% and the optimum molar ratio of Biotinylated lipids in MBs was determined as 8%.

Doksorubisin (DOX), kanser tedavisinde en yaygın kullanılan hidrofilik antikanser ilacıdır. Ancak serbest formda kullanıldığında, sadece kanser hücrelerine değil aynı zamanda sağlıklı hücrelere de zarar verir. DOX'un sağlıklı hücrelere zarar vermesini önlemek için, kapsülleme yöntemi kullanılır. Lipozomlar, DOX'un kapsüllenmesi için uygundur, ancak el-ayak sendromu ve ağız içi yaralarına sebep olmaktadır. Bu sebeple DOX'un hedeflenmiş tedavi yöntemi ile istenen bölgeye verilmesi son yıllarda oldukça ilgi kazanmıştır. Bu çalışmada, DOX lipozomların içine enkapsüle edilmiş ve DOX yüklü lipozomlar (LipoDOX) mikro-kabarcıklara (MB) bağlanmıştır. Ultrason kontrast maddeleri olarak MB'lar, tıbbi görüntülemede yaygın olarak kullanılmaktadır. MB'lar ultrason yardımıyla ilacın hedef hücre içine alımını kolaylaştırır. Çünkü ultrasonun yarattığı kavitasyon, sonoporasyona yani hücre zarındaki geçici gözeneklerin açılmasına, hücre geçirgenliğinin artmasına neden olur. MB-LipoDOX kompleksi, boyutunun yanı sıra, içeriğindeki DOX miktarının optimize edilmesi için tasarlanmıştır. Bu amaçla, optimum LipoDOX inkübasyon sıcaklığı, süresi ve liposozom formülasyonu incelenmiştir. Lipozomdaki Lipid / Kolesterol / PEGile lipit, PEG zincir uzunluğu ve PEG molar oranı belirlenmiştir. Ayrıca, LipoDOX'taki StAv/Biotin oranı belirlenmiş ve LipoDOX-MB kompleksi içindeki optimum LipoDOX miktarı incelenmiştir. Çalışmalarda, karakterizasyon için Dinamik Işık Saçılımı (DLS) yöntemi, Floresan Spektrometresi yöntemi ve Coulter Counter cihazı kullanılmıştır. Lipozom büyüklüğü 200 nm olarak belirlenmiştir. Lipozom yapısında PEG2000 kullanıldığında, partikül büyüklüğü dağılımının diğerlerinden daha monodispers olduğu gözlenmiştir. Maksimum DOX yüklü lipozomlar, lipozom formulasyonunda %32 Kolesterol ve %5 DSPE-PEG2000 kullanıldığında ve DOX ile lipozomlar 65oC’de 90 dakika inkübe edildiğinde elde edilmiştir. LipoDOX'taki StAv/Biotin oranı 1.0 olarak; LipoDOX'taki Biotinli lipid mol oranı %0,05 ve MB'daki Biotinli lipid mol oranı %8 olarak belirlenmiştir.