BAB 8

POLIMER NANOPARTIKEL SEBAGAI PEMBAWA OBAT

Gambar 8.1 Nanopartikel sebagai sistem penghantaran obat spesifik ke jaringan, sel, dan kompartemen subselular (lingkaran hitam). Sebagai perbandingan, obat bebas yang nonspesifik (difus abu-abu).

Gambar 8.2 Ukuran nanopartikel dibandingkan dengan entitas biologis lainnya.

Gambar 8.3 Morfologi nanospheres dan nanocapsules.

8.1 Rute Pemberian Intravena

A. Generasi Pertama Nanopartikel Untuk Penargetan di Hati

Pada injeksi intravena, nanopartikel dengan cepat dibersihkan dari aliran darah oleh

mekanisme pertahanan retikuloendotelial secara normal, tanpa tergantung dari komposisi mereka

(sifat dasar polimer yang digunakan dalam pembuatan) atau morfologi (nanospheres atau

nanocapsules). Pada distribusi di jaringan, konsentrasi nanopartikel terutama terdapat pada hati,

limpa, dan sumsum tulang. Dengan demikian,hati bertindak sebagai reservoir untuk

nanopartikel, berpengaruh pada kecepatan fase pertama mereka menghilang dari darah dan

diharapkan mereka pada fase kedua terlepas dalam tubuh (dalam bentuk terdegradasi dan

tersekresi). Di hati, sel-sel Kupffer menjadi tempat utama terjadinya akumulasi sel dari

nanopartikel. Sel endotel dan terutama sel-sel parenkim memiliki ikatan yang sangat lemah

dengan nanopartikel. Salah satu aplikasi adalah pengobatan metastasis hati menggunakan

nanopartikel biodegradable polyalkylcyanoacrylat yang diisi dengan doxorubicin. Penghantaran

spesifik dari senyawa ini akan meningkatkan kemampuan hati dalam mengurangi jumlah

metastasis secara drastis pada kanker histiosarcoma M5076, senyawa ini ditemukan pada sel-sel

Kupffer yang mampu berperan sebagai reservoir obat yang memungkinkan memperlambat difusi

doxorubicin terhadap sel-sel tumor sebagai hasil biodegradasi nanopartikel. Formulasi

nanopartikel mengakibatkan penurunan konsentrasi dari doxorubicin pada jantung ketika

dibandingkan dengan obat bebas, hal ini dapat mengurangi toksisitas obat pada jantung.

Endositosis berperan utama dalam proses pengambilan pada sel. Hal ini membuka

kemungkinan untuk pengobatan pada infeksi intraseluler. Pada infeksi ini sering terjadi

resistensi terutama pada penggunaan antibiotik karena rendahnya pengambilan (serapan)

intraseluler atau berkurangnya aktivitas karena adanya pH asam pada lisosom. Dengan adanya

strategi alternatif untuk pengembangan antibiotik baru akan digunakan polymer dengan dasar

nano teknologi, sehingga meningkatkan efisiensi obat yang ada. Kebutuhan pada antibiotik yang

berpedoman pada intraseluler menyebabkan pengembangan sistem koloid antibiotik yang dapat

mengendositosis pada sel-sel yang terinfeksi. Contohnya pada ikatan dari ampisilin pada

nanosphere polyisohexylcyanoacrylate (PIHCA) khasiatnya meningkat sebesar 120 pada

pengobatan infeksi Salmonella typhimurium. Hal ini disebabkan oleh penggabungan efek dari

dua tipe penargetan:

- Keterikatan ampisilin ke nanospheres menyebabkan konsentrasi obat meningkat dalam

hati dan limpa

- Penyerapan ampisilin oleh infeksi makrofag lebih tinggi ketika obat itu terikat pada

nanospheres dari pada ketika berda dalam bentuk bebas.

Contoh lainnya : Ampisilin berikatan dengan nanosphere PIHCA juga efektif pada

listeriosis di athymic nude, sebuah model yang melibatkan infeksi kronis dari makrofag hati

ataupun limpa.

B. Generasi Kedua Dari Nanopartikel Untuk Sirkulasi Darah Panjang ("Stealth ™"

Nanoparticles) Dan Penargetan Pasif

Pada nanopartikel "generasi pertama", kegunaannya masih terbatas oleh kecepatan dan

besarnya pengenalan oleh sistem fagosit mononuklear (hati, limpa, dan sumsum tulang).

Selanjutnya dikembangkan nanopartikel yang "tidak terlihat" oleh makrofag ("Stealth™"

nanopartikel). Yaitu pelapisan nanopartikel dengan polietilenaglikol (PEG), yang juga dikenal

sebagai poli (oksietilena). Hal ini memberikan"lapisan" rantai hidrofilik pada permukaan

partikel, yang memisahkan dengan protein plasma.

Kelebihan nanopartikel "stabilisasi sterik" ini yaitu :

- Memiliki perputaran half- lives (t1/2) beberapa jam, berbanding terbalik dengan

nanopartikel konvensional yang hanya beberapa menit (Gambar 8.5).

- Berfungsi sebagai sistem reservoir dan dapat menembus ke berbagai tempat seperti

tumor padat.

Strategi untuk mempersiapkan nanopartikel stabilisasi sterik :

- Absorbsi kopolimer pada polioksipropilena-polioksietilena (pluronics) untuk

mempersiapkan nanopartikel

- Melakukan sintesis kimia yang tersusun dari kopolimer yang terdiri dari PEG

hidrofilik dan sebagian hidrofobik biodegradable (polyester, cyanoacrylate, dll)

sebelum menyiapkan nanopartikel (dengan metode biasa dengan nanoprecipitation

(pengendapan) atau penguapan pelarut)

.

Gambar 8.4 Tiga generasi pada nanopartikel untuk penghantaran.

Gambar 8.5. Biodistribusi pada generasi nanopartikel satu dan dua

Pembahasan Metode Pertama

Pelapisan nanopartikel dengan poloxamine 908 telah digunakan untuk mengurangi

penyerapan gabungan hati-limpa menjadi kurang lebih 8% (tanpa pelapisan berkurang 90%) dan

membiarkan sebagian besar (65%) dari nanopartikel agar tetap dalam sirkulasi untuk periode

yang diperpanjang. Studi fisikokimia yang dilakukan menunjukkan bahwa pelapisan pada

partikel koloid partikel dengan memblok induksi kopolimer sterik terhadap opsonins

(fibronektin, Fc fragmen dari immunoglobulin, protein dari cascade komplemen, dll). Oleh

karena itu, serapan relatif fagositik ditemukan menurun dengan meningkatnya ketebalan lapisan

teradsorpsi, yang sesuai, dengan keadaan efek stabilisasi sterik, dalam peningkatan hidrofilisitas

permukaan. Namun, ketika dilakukan melalui prosedur adsorpsi tunggal, permukaan yang

teradsorpsi dari polimer (Yaitu, Polaksamer-poloksamer, PEG,dll), akan tergantung pada

karakteristik fisikokimia mereka, kemungkinan dapat dipindahkan oleh protein-protein darah.

keadaan ini semakin buruk ketika menggunakan polimer biodegradable untuk mendesain matriks

nanopartikel karena nanopartikel sering terkikis dari permukaan sampai ke inti. Oleh karena itu,

prosedur adsorpsi tunggal dapat menyebabkan pelepasan premature berbagai tingkatan lapisan,

sehingga mengurangi perlindungan sterik dan membuat nanopartikel rentan terhadap fagositosis.

Pembahasan Metode Kedua

Metode ikatan kimia akan menjadi lebih baik untuk digunakan pada permukaan

nanopartikel. Dilakukan dengan sintesis kopolimer yang mengandung setidaknya satu blok PEG.

Caranya, PEG dilapisi nanopartikel dengan inti biodegradable yang terbuat dari poliester seperti

polylactide (PLA), poli (laktida co-glycolide) (PLGA), poli Є-caprolactone) (PCL),

polyanhydride, dan poli (alkylcyanoacrylate. Secara umum, ini penggunaan nano mampu

memperpanjang waktu sirkulasi darah bila dibandingkan dengan partikel yang dibuat dengan

polimer non-PEGylated dan sejenisnya. Ukuran merupakan parameter lain yang penting untuk

menjaga partikel berada lebih lama dalam sirkulasi darah. Semakin kecil suatu partikel, yang

lebih penting adalah jari-jari kelengkungan dalam menjaga partikel berada pada sirkulasi darah

dan dengan demikian kurang efisien pada proses opsonisasi.

Sistem fagosit mononuklear (MPS) menghindari nanopartikel untuk penargetan dan

penghantaran obat dikarenakan untuk memberikan sirkulasi lama pada obat reservoir untuk

senyawa yang memiliki eliminasi t1/2 pendek, disebabkan misalnya, untuk ketidakstabilan atau

degradasi metabolik cepat dari zat aktif (peptida atau protein, seperti sitokin atau faktor-faktor

pertumbuhan, dan asam nukleat). Alasan lain yaitu adanya berbagai gangguan psikopatologi

yang berhubungan dengan perubahan struktural pada pembuluh darah, sehingga memberikan

kesempatan khusus selama sirkulasi nanopartikel untuk keluar dari sirkulasi darah selektif ke

dalam jaringan yang sakit. Keadaan seperti ini umumnya terjadi ketika barrier endotel yang

terganggu oleh proses peradangan karena infeksi, tumor, atau penyakit autoimun. Diharapkan

bahwa ketika memiliki sirkulasi darah dalam waktu lama, nanopartikel akan memiliki

kesempatan yang lebih baik untuk mencapai jaringan yang sakit, sehingga meningkatkan

pengobatan. Hal ini bisa terlihat jelas dengan nanospheres yang dibuat dari poli (etilenaglikol-co-

hexadecylcyanoacrylate), yang telah diamati untuk pengeluaran darah selektif melintasi sawar

darah-otak pada penelitian gliosarcoma 9L. Rasio tumor-ke-otak maksimal, diukur 4 jam setelah

injeksi intravena, ditemukan menjadi 11. Hasil yang sama diperoleh dengan penelitian model

encephalomyelitis alergi yang mana konsentrasi dari nanopartikel PEGylated di sistem saraf

pusat (SSP), terutama dalam white matter (Ganglia dasar), terjadi peningkatan dibandingkan

dengan nanopartikel non- PEGylated [17]. Selain itu, kenaikan ini jauh lebih tinggi dalam

keadaan patologis dimana permiabilitas sawar darah otak (BBB) telah terganggu dan / atau

dimana makrofag telah berinfiltrasi (masuk). Difusi pasif dan penangkapan oleh makrofag pada

luka peradangan tampaknya menjadi mekanisme yang mendasari seperti penetrasi pada otak oleh

partikel-partikel.

Terlepas dari modifikasi permukaan dari nanopartikel menggunakan poli (etilenglikol)

polimer atau kopolimer, yang menarik dan diluar dugaan dari adalah pelapisan polisorbat 80

pada nanopartikel akan masuk ke otak. Obat yang telah berhasil diangkut menggunakan jenis

pembawa ini termasuk dalargin hexapeptide, dipeptida kytorphin, loperamide, tubocurarine, dan

doxorubicin. Mekanisme oleh polisorbate 80 yang menginduksi nanopartikel-mediasi

transportasi tidak dijelaskan seluruhnya. Mekanisme yang paling mungkin adalah endositosis

oleh sel-sel endotel yang melapisi darah kapiler otak. Polisorbat 80 mampu memodifikasi profil

adsorbs protein darah pada permukaan partikel dalam mendukung adsorpsi apolipoprotein E

dengan jumlah yang signifikan, dimana memiliki reseptor spesifik pada permukaan sel-sel

endotel otak.

C. Generasi Ketiga Dari Nanopartikel Dengan Pengenalan Molekul (Active Targeting)

Pendekatan yang telah dibuat untuk mencapai tingkat molekuler dari nanopartikel, yang

telah dilakukan antara lain dengan memanipulsi permukaan nanopartikel dengan bantuan

molekul-molekul yang dapat mengenali target biologi (reseptor, antigen, dll) (Gambar 8.4).

Molekul-molekul yang digunakan untuk tujuan penargetan bervariasi dari alam: mereka

mungkin makromolekul (seperti antibodi, peptida, atau poli / oligosakarida) atau molekul kecil

(seperti hormon atau vitamin).

Contohnya, Vitamin asam folat (berat molekul = 441 Da) kemumgkinan dapat

dimanfaatkan secara aktif dengan penargetan sel-sel kanker. Memang, reseptor asam folat (folat-

binding protein, FBP) sering diekspresikan pada permukaan sel-sel kanker manusia, meskipun

reseptor asam folat ini sangat dibatasi pada kebanyakan jaringan normal, selanjutnya reseptor ini

telah diidentifikasi sebagai penanda tumor, terutama di ovarium karsinoma. Selain itu, reseptor

folat menjadi internalisasi sel yang efisien setelah pengikatan dengan ligan (asam folat) dengan

afinitas yang sangat tinggi (Kd ~ 1 nM), dan kemudian berpindah ke dalam sel sitoplasma, yang

menjadi kelebihan pada banyak pengiriman intraseluler yang efisien pada agen antikanker

daripada menggunakan sebuah penanda membran sel yang tidak diinternalisasi. Dengan

demikian, asam folat telah digabungkan ke PEG-dilapisi nanopartikel biodegradable. Permukaan

resonansi plasmon mengungkapkan bahwa folat dicangkokkan untuk nanopartikel PEGylated

cyanoacrylate memiliki afinitas yang nyata sepuluh kali lipat lebih tinggi untuk FBP daripada

yang dilakukan pada folat. Memang, partikel merupakan bentuk multivalent dari ligan asam

folat, dan reseptor folat sering bergabung menjadi kelompok. Sebagai hasilnya, nanopartikel

terkonjugasi menampilkan suatu multivalent dan karenanya memiliki interaksi yang kuat dengan

permukaan dari sel-sel malignant. Selain itu, mikroskop confocal menunjukkan bahwa

nanopartikel folat, ketika dibandingkan dengan nanopartikel nonkonjugasi, pengambilan secara

selektif dilakukan oleh sel-sel yang berhubungan dengan reseptor folat tetapi tidak oleh sel-sel

tanpa reseptor folat.

D. Polimer Nanopartikel Dan Internalisasi Trafiking Sel

Pada kenyataannya, nanospheres dapat berinteraksi dengan sel-sel dengan cara yang

berbeda, yang paling umum melalui jalur internalisasi sel melalui endositosis dengan garis sel

yang menggambarkan beberapa aktivitas endocytotic atau phagocytotic. Setelah invaginasi

membran sel, partikel-partikel diinternalisasikan sel ke endosomes lebih awal, yang kemudian

akan menjadi lebih asam sebelum bergabung pada sel lisosom. Kemudian, nanospheres akan

berada dalam pada lingkungan yang kaya enzim, yang memungkinkan polimer menjadi rusak

atau termetabolisme dan obat yang akan terlepas (Gambar 8.6a). Tergantung pada karakteristik

fisikokimia, molekul biologis aktif akan atau tidak akan berdifusi melalui membran lisosomal,

dengan demikian menyebabkan efek di dalam ataupun diluar dari lisosom. Perlu diperhatikan

dalam beberapa kasus polimer dapat menginduksi gangguan pada membran lisosomal dengan

mekanisme yang berbeda dan ini dapat menyebabkan untuk efek extralysosomal, bahkan jika

obat encapsulated tidak alami diffusible melalui lisosomal membran (Gambar 8.6b).

Penangkapan sel melalui endositosis, bagaimanapun, bukan satu-satunya mekanisme

untuk nanospheres untuk berinteraksi dengan sel-sel kanker, terutama jika sel-sel tidak memiliki

ataupun kapasitas endositosisnya rendah. sebenarnya, telah ditunjukkan bahwa daya tahan sel

tumor secara in vitro untuk doxorubicin dapat sepenuhnya dielakkan menggunakan nanopartikel

biodegradable polyisohexylcyanoacrylate. Mekanisme di balik ini merupakan pengamatan

penting yang tidak sepenuhnya dipahami, meskipun telah ditemukan bahwa nanopartikel

polyisobutylcyanoacrylate menghasilkan konsentrasi intraseluler yang tinggi dari doxorubicin,

yang berkorelasi dengan perbandingan sitotoksisitas yang tinggi dengan obat bebas. Faktanya

menunjukkan bahwa pemasukan obat oleh sel-sel itu tidak dipengaruhi oleh cytochalasin B

(blocker dari proses endositosis) hal ini menunjukkan bahwa endositosis jelas bukan mekanisme

utama dari “nanopartikel-penggabungan sel” dalam peristiwa ini.

Gambar 8.6 internalisasi sel pada nanopartikel dapat menyebabkan (a) endosomal atau (b) penghantaran obat cytosolic

Telah diduga bahwa kecepatan pelepasan obat doxorubicin dari nanopartikel yang

menempel pada membran sel dapat menyebabkan limpahan dan kejenuhan pompa aliran P-

glikoprotein (P-gp), hasil dari pengamatan terjadi peningkatan difusi obat dalam kompartemen

intraselular.

Yang telah diamati antara lain mekanisme pada kejenuhan P-gp berkaitkan dengan

pembentukan ion berpasangan antara doxorubicin bermuatan positif dan asam polycyanoacrylic

yang bermuatan negatif (merupakan metabolit dari polimer cyanoacrylate) [24]. Seperti

kompleks antara (terdegradasi) polimer dan peningkatkan yang pesat pada difusi obat

doxorubicin ke dalam sel. Akhirnya, nanopartikel doxorubicin telah diujikan pada doxorubicin-

pertahanan tikus C6 line glioblastoma yang dibedakan berdasarkan tingkatan dan mekanisme

pertahanan mereka [26]. Temuan penting dari penelitian ini menunjukkan bahwa pembalikan

pada resistensi doxorubicin oleh nanopartikel sangat tergantung pada sifat dasar dari pertahanan:

nanopartikel hanya efisien dalam resitensi multidrug murni (MDR / multi drug resistance)

fenotipe sel dan tidak pada saat ada mekanisme tambahan yang mendasari resistensi terhadap

doxorubicin. Pengamatan ini sejalan dengan mekanisme yang tersebut di atas pada interaksi

antara sel kanker, nanospheres polyalkylcyanoacrylate dan nanosphere acryl.

8.2 Rute Pemberian Oral

Masalah utama yang dihadapi dalam pemberian obat per oral adalah:

- Obat harus dilarutkan sebelum terjadi penyerapan

- Beberapa obat hanya diserap melalui bagian-bagian tertentu dari saluran pencernaan

("jendela penyerapan")

- Sebagian besar senyawa, terutama yang yang dibuat dengan bioteknologi, akan

terdegradasi pada saluran pencernaan.

Nanoteknologi kemungkinan berguna sebagai transporter untuk meningkatkan

bioavailabilitas dari obat-obat oral. Sebagai contoh, hal ini jelas bahwa untuk senyawa yang

memiliki kelarutan yang rendah dalam air, kinetika disolusi dalam saluran pencernaan sebanding

dengan luas permukaan spesifik, sehingga perumusan dari senyawa ini sebagai sistem koloid

submicroscopic dapat membantu untuk mempercepat proses pelarutan, dengan demikian dapat

meningkatkan bioavailabilitasnya. Di sisi lain, setelah pemberian oral, khasiat penyerapan secara

langsung tergantung pada waktu tinggal obat di depan jendela penyerapan. Namun, Hasil transit

usus dalam mengurangi waktu tinggal obat, yang juga membatasi bioavailabilitas obat. Ini

adalah alasan konsep dari bioadhesion yang telah muncul untuk memungkinkan imobilisasi obat

di permukaan epitel usus [27]. Hal ini telah ditunjukkan bahwa, disebabkan sangat kecilnya

ukuran mereka, maka nanopartikel dapat berdifusi ke lapisan mukosa, yang memungkinkan

imobilisasi mereka untuk menutup kontak dengan absorbsi membran epitel. Sebagai contoh,

ketersediaan hayati dari hambatan reverse-transcriptase dapat diperbaiki setelah pemberian

mereka sebagai nanopartikel [28]. Proses bioadhesion dari nanopartikel dapat ditingkatkan

dengan pengendalian permukaan partikel (misalnya, beban dan hidrofilik atau hidrofobik).

Pendekatan lain melibatkan pengembangan strategi biomimetik seperti mendekorasi nanopartikel

dengan protein adhesi yang biasanya memungkinkan bakteri untuk menginfeksi mukosa usus.

Pemberian oral dari peptida merupakan tantangan penting lain untuk nanoteknologi.

Nanocapsules diperlihatan 15 tahun yang lalu telah dibuat enkapsulasi dari suatu peptida seperti

insulin dan untuk peningkatan aktivitasnya dinilai dari induksi hipoglikemia. Hal ini telah

disarankan bahwa nanocapsules bisa melindungi insulin dari degradasi proteolitik dalam cairan

usus. Kapasitas pada nanocapsules insulin untuk mengurangi glikemia dijelaskan oleh

translokasi mereka melalui barrier usus oleh jalur paracellular atau melalui sel M di patch

Peyer. Penggabungan pada peptida lainnya seperti octreotide, suatu analog somatostatin, dalam

nanocapsules juga meningkat dan memperpanjang efek terapi dari peptide ini setelah pemberian

melalui rute oral. Namun, penangkapan nanopartikel oleh sel-sel M di patch Peyer dan

translokasi lebih lanjut dari partikel merupakan suatu penilaian dan keterbatasan jumlahnya,

membuat strategi ini kurang menarik untuk penghantaran oral dari peptida.

Pengembangan vaksin baru adalah aplikasi lain dari nanoteknologi melalui rute oral;

memang, pengolahan dengan patch Peyer pada sejumlah kecil antigen dapat meningkatkan

kekebalan mukosa dengan produksi IgA. Enkapsulasi antigen ke mikropartikel dan nanopartikel

memungkinkan perlindungan pada antigen setelah pemberian oral bisa dikatakan pengiriman ke

sel M pada patch Peyer. Pendekatan ini telah terbukti layak dengan perbedaan model antigen

untuk kekebalan mukosa dengan perlindungan terhadap setidaknya dua jenis infeksi yang sudah

diderita. Hal ini membuka perspektif baru untuk pengembangan vaksin oral.