Nanoparticles made of poly(gamma-glutamic acid) derivatives for drug delivery systems

Abstract

(English) Polymers have become one of the primary options in biomedical fields due to their diverse properties, functionalities, and applications. Characteristics such as mechanical strength, biocompatibility, and biodegradability have made these materials highly attractive for various medical applications. One of the most intriguing applications of these polymers is drug delivery. Biodegradable polymers and copolymers are the primary materials used for producing temporary medical and pharmaceutical devices. These polymers can be chemically synthesized or naturally produced. Biotechnological polymers, produced through biotechnological processes, have garnered significant attention due to two major advantages. First, they are derived from renewable resources; second, as they are biologically produced, they are usually biocompatible, biodegradable and bioresorbable. Therefore, modifying these polymers to tune their properties or functionalities is an effective strategy for developing biomedical materials. Poly(γ-glutamic acid) PGGAH is a biocompatible and biodegradable poly-γ-peptide with carboxylic side groups that can be substituted to modify the polymer’s properties. In this study, PGGAH was hydrophobically and cationically modified. Through hydrophobic modification and altering the hydrophilic properties, amphiphilic copolymers were produced, capable of self-assemble into nanoparticle systems for drug encapsulation and controlled release. This modification was carried out by partial esterification of carboxylate side groups with 4-phehyl-butyl bromide (4-PhBBr). Further decoration to produce stealth and targeting nanoparticles was achieved by reaction of some remaining carboxylate side groups with amino ended poly(ethylene glycol) (NH2-PEG) and NH2PEG derivatized with folic acid, respectively. Cationic modification of this biodegradable polymer enabled the formation of nanopolyplexes with DNA. This modification was carried out by esterification of carboxylate side groups with cationic 2-bromoethyl trimethylammonium bromide (BrETABr). The obtained derivatives were used to prepare nanoparticles through emulsion solvent evaporation or nanoprecipitation dialysis techniques. Nanoparticles with an approximate size of 100 to 380 nm were obtained, demonstrating their potential as drug delivery systems capable of encapsulating the anticancer drug doxorubicin. The chemical structure of the derivatives were characterized using proton and carbon-13 nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, and the physicochemical properties by gel permeation chromatography (GPC), and thermal gravimetric analysis (TGA). Functional group analysis was conducted through Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR). Hydrolytic degradation was monitored by 1H NMR, while the appearance of the nanoparticles was observed using scanning electron microscopy (SEM), and their size and surface charge were determined by dynamic light scattering (DLS) and zeta potential measurements, respectively. For the hydrophobic copolymer series, cytotoxicity assays were carried out, confirming the low toxicity of the synthesized derivatives. Drug encapsulation and release was initially evaluated under physiological conditions, revealing that the release rate was higher in acidic pH and affected by the degree of polymer modification. On the other hand, cellular uptake nanoparticle tests demonstrated that the nanoparticles successfully penetrated cancer cells. The results of this study indicate that the biotechnological polymer PGGAH is a promising material for designing and developing biodegradable drug delivery systems with potential therapeutic applications for challenging diseases in pharmacological treatment.

(Català) Els polímers s'han convertit en una de les principals opcions en l'àmbit biomèdic gràcies a les seves diverses propietats, funcionalitats i aplicacions. Característiques com la resistència mecànica, la biocompatibilitat i la biodegradabilitat els fan molt atractius per a diverses aplicacions mèdiques. Una de les aplicacions més destacades és l’alliberament controlat de fàrmacs. Els polímers i copolímers biodegradables són els materials principals per a la producció de dispositius mèdics i farmacèutics temporals. Aquests polímers poden ser sintetitzats químicament o produïts de forma natural. Els polímers biotecnològics obtinguts mitjançant processos biotecnològics han atret molta atenció per dues avantatges principals: primer, es deriven de recursos renovables; segon, produïts biològicament, solen ser biocompatibles, biodegradables i bioabsorbibles. Per tant, modificar aquests polímers per ajustar-ne les propietats o funcionalitats és una estratègia eficaç per al desenvolupament de materials biomèdics. El poli(γ-àcid glutàmic) (PGGAH) és un poli-γ-pèptid biocompatible i biodegradable amb grups carboxil en la seva cadena lateral que poden ser substituïts per modificar les propietats del polímer. En aquest estudi, el PGGAH va ser modificat hidrofòbicament i catiónicament. Mitjançant modificacions hidrofòbiques i alteracions en les propietats hidrofíliques, es van produir copolímers amfifílics capaços d'autoassemblar-se en sistemes de nanopartícules per a l'encapsulació i alliberament controlat de fàrmacs. Aquesta modificació es va fer mitjançant l'esterificació parcial dels grups carboxilat laterals amb bromur de 4-fenil-butil (4-PhBBr). Es va aconseguir una funcionalització addicional per produir nanopartícules protegides del sistema immunitari i dirigides mitjançant la reacció d’alguns grups carboxilat restants amb polietilenglicol amino-terminal (NH₂-PEG) i NH₂-PEG derivat amb àcid fòlic. La modificació catiónica d’aquest polímer biodegradable va permetre la formació de nanopoliplecs amb ADN. Aquesta modificació es va fer mitjançant l’esterificació dels grups carboxilat laterals amb bromur de 2-bromoetil trimetilamoni (BrETABr). Els derivats obtinguts es van utilitzar per preparar nanopartícules mitjançant tècniques d’emulsió/evaporació o nanoprecipitació per diàlisi. Es van obtenir nanopartícules de mida aproximada de 100 a 380 nm, demostrant el seu potencial com a sistemes d’alliberament de fàrmacs capaços d’encapsular el fàrmac anticancerigen doxorrubicina. L'estructura química dels derivats va ser caracteritzada mitjançant RMN de protó i carboni-13, i les seves propietats fisicoquímiques analitzades mitjançant GPC i anàlisi TGA. L’anàlisi de grups funcionals es va dur a terme amb FT-IR. La degradació hidrolítica es va monitoritzar amb RMN de ¹H, mentre que l’aparença de les nanopartícules es va observar amb SEM. La mida i càrrega superficial es van determinar mitjançant DLS i mesures de potencial zeta. Per a la sèrie de copolímers hidrofòbics, es van realitzar assaigs de citotoxicitat, confirmant la baixa toxicitat dels derivats sintetitzats. L’encapsulació i alliberament de fàrmacs es va avaluar inicialment en condicions fisiològiques, revelant una major taxa d’alliberament en pH àcid i influenciada pel grau de modificació del polímer. Les proves d’encapsulament cel·lular de les nanopartícules van demostrar que aquestes penetraven amb èxit en cèl·lules cancerígenes. Els resultats indiquen que el polímer biotecnològic PGGAH és un material prometedor per al disseny i desenvolupament de sistemes biodegradables d’alliberament de fàrmacs amb aplicacions terapèutiques en el tractament de malalties difícils de manejar farmacològicament.

(Español) Los polímeros se han convertido en una opción principal en el campo biomédico debido a sus diversas propiedades, funcionalidades y aplicaciones. Características como la resistencia mecánica, la biocompatibilidad y biodegradabilidad los hacen atractivos para diversas aplicaciones médicas. Una de las aplicaciones más interesantes de estos polímeros es la liberación controlada de fármacos. Los polímeros y copolímeros biodegradables son los principales materiales para la producción de dispositivos médicos y farmacéuticos temporales. Estos polímeros pueden ser sintetizados químicamente o producidos de manera natural. Los polímeros biotecnológicos, obtenidos mediante procesos biotecnológicos, han atraído atención por dos ventajas principales: se derivan de recursos renovables y, al ser producidos biológicamente, son biocompatibles, biodegradables y bioabsorbibles. Modificar estos polímeros para ajustar sus propiedades es una estrategia para desarrollar materiales biomédicos. El poli(γ-ácido glutámico) (PGGAH) es un poli--péptido biocompatible y biodegradable con grupos carboxilo en su cadena lateral que pueden ser sustituidos para modificar las propiedades del polímero. En este estudio, PGGAH fue modificado hidrofóbica y catiónicamente. A través de modificaciones hidrofóbicas y alteraciones de propiedades hidrofílicas, se produjeron copolímeros anfifílicos capaces de autoensamblarse en sistemas de nanopartículas para la encapsulación y liberación controlada de fármacos. Esta modificación se realizó mediante esterificación parcial de los grupos carboxilato laterales con bromuro de 4-fenil-butilo (4-PhBBr). Se logró una funcionalización adicional para producir nanopartículas dirigidas mediante reacción de grupos carboxilato restantes con polietilenglicol amino-terminal (NH₂-PEG) y NH₂-PEG derivatizado con ácido fólico. La modificación catiónica de este polímero biodegradable permitió la formación de nanopoliplejos con ADN. Esta modificación se llevó a cabo mediante esterificación de grupos carboxilato laterales con bromuro de 2-bromoetil trimetilamonio (BrETABr). Los derivados obtenidos se utilizaron para preparar nanopartículas mediante técnicas de emulsión/evaporación o nanoprecipitación por diálisis. Se obtuvieron nanopartículas de 100 a 380 nm, demostrando su potencial como sistemas de liberación de fármacos capaces de encapsular doxorrubicina. La estructura química de los derivados fue caracterizada mediante RMN de protón y carbono-13 y sus propiedades fisicoquímicas mediante GPC y TGA. El análisis de grupos funcionales se realizó mediante FT-IR. La degradación hidrolítica se monitoreó mediante RMN de ¹H y la apariencia de las nanopartículas mediante SEM. Su tamaño y carga superficial fueron determinados mediante DLS y mediciones de potencial zeta, respectivamente. Para la serie de copolímeros hidrofóbicos, se realizaron ensayos de citotoxicidad, confirmando la baja toxicidad de los derivados sintetizados. La encapsulación y liberación de fármacos se evaluó en condiciones fisiológicas, revelando que la tasa de liberación era mayor en pH ácido y estaba influenciada por el grado de modificación del polímero. Las pruebas de encapsulamiento celular demostraron que las nanopartículas penetraron con éxito en células cancerígenas. Los resultados indican que el polímero biotecnológico PGGAH es un material prometedor para diseñar y desarrollar sistemas biodegradables de liberación de fármacos con aplicaciones terapéuticas en el tratamiento de enfermedades difíciles de manejar farmacológicamente.