Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 8
1.1. Улучшение солюбилизационных свойств лекарственных веществ 8
1.1.1. Твердые дисперсные системы: классификация, способы получения, физико химические аспекты 9
1.1.1.1. Классификация твердых дисперсий 9
1.1.1.2. Методы получения твердых дисперсий 10
1.1.1.3. Методы исследования твердых дисперсий 11
1.1.1.4. Физико-химические механизмы, по которым происходит увеличение водорастворимости ЛВ из их твердых дисперсий 15
1.1.1.5. Недостатки технологии твердых дисперсий 21
1.1.2. Механизмы увеличения фармакологической активности пероральных лекарственных средств за счет повышения водорастворимости лекарственныхвеществ 22
1.2. Возможности механохимического подхода для улучшения растворимости лекарственных веществ 25
1.2.1. Процессы, происходящие при механохимической обработке твердых органических веществ 28
1.2.2. Примеры использования механохимического подхода для улучшения растворимости лекарственных веществ 31
1.3. Цели и задачи исследования 39
ГЛАВА 2. Экспериментальная часть 44
2.1. Исходные вещества и методики экспериментов 44
2.2. Физико-химический анализ образцов 47
ГЛАВА 3. Результаты и обсуждение 54
3.1. Механохимическое получение и свойства твердых дисперсий липофильных производных бензимидазола с водорастворимыми полимерами – арабиногалактаном, гидроксиэтилкрахмалом и поливинилпирролидоном 54
3.1.1. Изменения албендазола в твердой фазе во время механической обработки 56
3.1.2. Физико-химический анализ твердых дисперсий в твердой фазе 57
3.1.3. Физико-химические характеристики растворов твердых дисперсий 61
3.1.4. Влияние природы комплексообразователя и его количества на увеличение растворимости лекарственного вещества и прочность комплекса. 70
3.2. Механохимическое получение и исследование свойств твердых дисперсий ацетилсалициловой и салициловой кислот с полисахаридом арабиногалактаном 74
3.2.1. Состав твердых дисперсий салициловой и ацетилсалициловой кислот с арабиногалактаном 74
3.2.2. Физико-химический анализ твердых дисперсий в твердой фазе 76
3.2.3. Физико-химические характеристики растворов твердых дисперсий 83
3.3. Исследование возможных механизмов увеличения фармакологической активности лекарственных веществ из их межмолекулярных комплексов с арабиногалактаном 89
3.3.1. Твердофазный механохимический синтез «спин-меченых» полисахаридов арабиногалактана и гидроксиэтилкрахмала и исследование их свойств в твердой фазеи в растворе 90
3.3.1.1. Исследуемые нитроксильные радикалы и результаты ВЭЖХ 90
3.3.1.2. Исследование «спин-меченых» полисахаридов методом ЭПР спектроскопии в твердой фазе и в растворе 92
3.3.2. Использование «спин-меченого» арабиногалактана для исследования механизма увеличения мембранной проницаемости веществ из их межмолекулярных комплексов с арабиногалактаном 97
3.4. Подготовка опытных образцов для фармаколгических исследований и их результаты 102
Выводы 105
Список использованных сокращений 106
Список литературы 107
- Физико-химические механизмы, по которым происходит увеличение водорастворимости ЛВ из их твердых дисперсий
- Физико-химический анализ образцов
- Физико-химические характеристики растворов твердых дисперсий
- Твердофазный механохимический синтез «спин-меченых» полисахаридов арабиногалактана и гидроксиэтилкрахмала и исследование их свойств в твердой фазеи в растворе
Введение к работе
Актуальность работы. Значительный процент коммерчески доступных и разрабатывающихся лекарственных веществ (ЛВ) обладают крайне низкой растворимостью в водных средах. Это приводит к пониженной терапевтической эффективности препаратов на основе таких ЛВ. В настоящее время лидирующим инновационным направлением мировой фармации является исследование способов повышения фармакологической эффективности и безопасности применения уже использующихся ЛВ, в том числе за счет их включения в так называемые средства доставки – системы, в которых молекулы ЛВ включаются в супрамолекулярные образования или наночастицы за счет формирования нековалентных связей и высвобождаются в определенных частях организма, обеспечивая целевое и регулируемое по времени действие.
В качестве вспомогательных веществ для получения таких супрамолекулярных систем – комплексов – часто используются гидрофильные растительные и синтетические полимеры. Однако для получения таких композиций в основном используются «жидкофазные» технологии, основанные на совместном плавлении или растворении компонентов и обладающие рядом существенных недостатков. В данной работе мы использовали механохимическую твердофазную технологию для синтеза таких систем, а также провели физико-химические исследования их свойств. Объекты исследования – малорастворимые лекарственные вещества, обладающие из-за этого недостаточной эффективностью и повышенной токсичностью.
Цель работы. Синтез твердых дисперсий лекарственных веществ – производных бензимидазола (албендазола и фенбендазола) и салицилатов (ацетилсалициловой и салициловой кислот) – а также стабильных нитроксильных радикалов с гидрофильными полимерами, обладающих повышенной водорастворимостью и исследование межмолекулярных взаимодействий в их твердых фазах и водных растворах. Задачи исследования:
-
механохимическое получение твердых дисперсий албендазола, фенбендазола, ацетилсалициловой и салициловой кислот, а также стабильных нитроксильных радикалов с гидрофильными полимерами – полисахаридами арабиногалактаном и гидроксиэтилкрахмалом, а также с поливинилпирролидоном – и физико-химическое исследование свойств их твердых фаз и водных растворов;
-
изучение образования межмолекулярных комплексов полимеров с молекулами лекарственных веществ в твердых фазах и водных растворах полученных твердых дисперсий;
-
синтез и изучение «спин-меченых» макромолекул полисахаридов и их межмолекулярных комплексов со стабильными радикалами для использования их в качестве «физических» зондов для исследований механизмов изменения мембранной проницаемости лекарственных веществ из растворов межмолекулярных комплексов;
-
подготовка и характеризация оптимизированных опытных образцов твердых дисперсий на основе албендазола, фенбендазола и ацетилсалициловой кислоты для фармакологических испытаний.
Научная новизна работы.
Впервые механохимическим способом получены твердые материалы, т.н. твердые дисперсии, включающие супрамолекулярные образования полимеров арабиногалактана, гидроксиэтилкрахмала и поливинилпирролидона с лекарственными веществами албендазолом, фенбендазолом, ацетилсалициловой и салициловой кислотами, а также со стабильными нитроксильными радикалами.
Получены данные о морфологии твердых частиц, их химическом и фазовом составе, а также о характере межмолекулярных взаимодействий в ТД албендазола, фенбендазола, ацетилсалициловой и салициловой кислот, а также стабильных нитроксильных радикалов с полимерами.
По совокупности данных исследований химического состава, водорастворимости, 1Н ЯМР-спектроскопии, а также ИК-спектроскопии показано, что характер связей в межмолекулярных комплексах, включающих макромолекулы полимеров и липофильных ЛВ, не носит ковалентного или ионного характера. Получены сравнительные характеристики «прочности» связывания молекул в комплексах типа «гость-хозяин».
Оптимизированы составы и условия получения ТД ЛВ и гидрофильных полимеров с целью достижения максимальных показателей химической стабильности компонентов и водорастворимости ЛВ.
Впервые получены супрамолекулярные комплексы и «аддукты» полисахаридов арабиногалактана и гидроксиэтилкрахмала с молекулами стабильных нитроксильных радикалов и обоснован вероятный механизм увеличения мембранной проницаемости липофильных молекул из растворов их межмолекулярных комплексов с арабиногалактаном.
Практическая значимость работы состоит в том, что на основании физико-химических исследований получения и свойств межмолекулярных комплексов албендазола, фенбендазола и ацетилсалициловой кислоты с гидрофильными полимерами разработаны опытные образцы лекарственных средств повышенной фармакологической - антигельминтной и антиагрегационной - активности, продемонстрировавшие при испытаниях в специализированных организациях возможность снижения действующих доз ЛВ до 10 раз с сохранением высокой
базовой активности, а также уменьшение токсических эффектов, характерных для исследованных ЛВ. Составы композиций, способы их получения и достигнутые фармакологические характеристики защищены 3 патентами РФ. На защиту выносятся:
результаты физико-химических исследований механохимически полученных твердых дисперсий албендазола и фенбендазола, а также ацетилсалициловой и салициловой кислот с гидрофильными полимерами арабиногалактаном, гидроксиэтилкрахмалом и поливинилпирролидоном;
результаты физико-химических исследований супрамолекулярных комплексов вышеуказанных липофильных ЛВ и гидрофильных полимеров в водных растворах их твердых дисперсий;
результаты исследования механохимического получения «спин-меченых» полисахаридов арабиногалактана и гидроксиэтилкрахмала, ковалентно связанных с производными нитроксильных радикалов, а также межмолекулярных комплексов АГ с нитроксильными радикалами;
результаты исследования вероятного механизма увеличения мембранной проницаемости липофильных молекул из их межмолекулярных комплексов с АГ с использованием метода спиновых зондов и меток.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих международных и российских научных конференциях: IX научной конференции «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» (Красноярск, 2012); 4th Annual Russian-Korean Conference “Current Issues of Natural Products Chemistry and Biotechnology” (Novosibirsk, 2012); 50-ой и 51-ой международных научных студенческих конференциях «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2012, 2013); IV International Conference “Fundamental bases of mechanochemical technologies” (Novosibirsk, 2013); первой российской конференции по медицинской химии «MedChem Russia-2013» с международным участием (Москва, 2013); VI Всероссийской конференции с международным участием «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2014); междисциплинарном симпозиуме по медицинской, органической и биологической химии «МОБИ-Хим 2014» (Крым, пос. Новый Свет, 2014); International scientific and practical conference “Achievements and prospects for the development of phytochemistry” (Karaganda, 2015); 2nd Russian Conference on Medicinal Chemistry (Novosibirsk, 2015), 2016 Mogan mountain international summit on green pharmaceuticals (China, Hangzhou-Deqing, 2016).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 45 научных работ, в том числе 16 статей в рецензируемых научных журналах, 3 патента РФ, 26 тезисов докладов и материалов конференций.
Личный вклад автора. Основные экспериментальные результаты, приведенные в диссертации, получены самим автором или при его непосредственном участии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка сокращений, списка цитируемой литературы. Материал работы изложен на 121 странице, включает 20 таблиц, 44 рисунка, список литературы из 165 наименований.
Физико-химические механизмы, по которым происходит увеличение водорастворимости ЛВ из их твердых дисперсий
Физическо-химические методы исследования обычно используют для получения информации о расположении лекарственного вещества в матрице в твердой дисперсии, также основной задачей является определение кристаллического и аморфного состояния материала. Для определения количества кристаллической фазы доступно большое разнообразие методов, таких как поляризационная оптическая микроскопия, дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) и порошковая рентгеновская дифракция. Для определения степени смешения ЛВ и носителя используют дифференциальную сканирующую калориметрию, порошковую рентгеновскую дифракцию и метод 1Н ЯМР релаксации. Для исследования характера взаимодействий между ЛВ и носителем применяют ИК спектроскопию, Рамановскую спектроскопию и ЯМР спектроскопию в твердой фазе.
Порошковая рентгеновская дифракция используется для качественного определения материалов, имеющих кристаллическую структуру. По интенсивности и форме дифракционных пиков определяется кристалличность материалов [30, 31].
Дифференциальная сканирующая калориметрия часто используется для определения количества кристаллического материала [32]. В методе ДСК измеряется количество энергии необходимое для нагревания образца с постоянной скоростью. При этом можно регистрировать температуру различных термических явлений, таких, как переход в стеклообразное состояние, кристаллизация, плавление и разложение, а также можно получать численные значения энергии плавления и кристаллизации. Величину энтальпии плавления можно использовать для определения кристалличности материала. В работе [33] метод ДСК был применен для исследования твердых дисперсий албендазола с полимером поливинилпирролидоном разной молекулярной массы. Известно, что поливинилпирролидон способен ингибировать кристаллизацию ЛВ как в растворе, так и в твердом состоянии, благодаря повышению температуры стеклования смеси и, следовательно, снижению подвижности молекул ЛВ [34]. Из этого следует, что температура стеклования определяет оптимальные условия хранения аморфных систем. Поэтому было исследовано влияние различных добавок полимера и его молекулярной массы на изменение температуры стеклования. Аморфная и кристаллическая фазы в твердых дисперсиях были определены количественно из кривых ДСК – количество кристаллического ЛВ рассчитано по энергии эндотермического процесса плавления, а аморфного – по энергии экзотермического процесса перекристаллизации.
ИК спектроскопия используется, чтобы детектировать изменение распределения энергии взаимодействий между ЛВ и матрицей. Узкие колебательные полосы указывают на кристаллическое вещество. Метод очень чувствителен к изменению ближайшего химического окружения [35, 36]. В работе [37] метод ИК спектроскопии используется для исследования взаимодействий между лекарственным веществом лафутидином и носителем – привитым сополимером солюплюс (soluplus). Наблюдаемый незначительный сдвиг характеристичных полос ЛВ позволил предположить его молекулярное диспергирование в носителе. В твердых дисперсиях наблюдалось уширение полос колебания –OH группы и снижение их интенсивности до минимального значения, что указывает на образование водородных связей между группами-донорами протонов ЛВ группами-акцепторами протонов полимера.
Метод сорбции водяного пара находит применение для изучения сродства порошков и их физических смесей к воде. Изотерма сорбции воды отражает взаимодействие между порошкообразным материалом и водой через отношение влажности воздуха в равновесии с содержанием воды в твердом материале при постоянных температуре и давлении [38]. Изотерму сорбции воды бинарных физических смесей можно предсказать, если предположить аддитивность изотерм индивидуальных компонентов. При этом если в системе будут присутствовать взаимодействия ЛВ со вспомогательным веществом, мы будем наблюдать отклонения изотерм от идеального случая, а степень отклонения может давать предположение о силе такого взаимодействия. Показано, что измерение изотерм сорбции воды дает указание о взаимодействиях полимера и ЛВ в твердых дисперсиях [39]. Сорбция воды в случае твердых дисперсий была систематически ниже, чем в случае исходных компонентов, что указывает на сильное взаимодействие между ЛВ и полимером, которое уменьшило доступность полярных функциональных групп полимера для сорбции воды.
Спектроскопия ЯМР также находит применение для исследования твердых дисперсий. ЯМР в твердой фазе является мощным инструментом для определения структуры аморфных твердых дисперсий. Твердофазный ЯМР на ядрах 13C и 15N часто используют для исследования наличия водородных связей между донорными и акцепторными группами [40]. Особый интерес представляет возможность изучения подвижности методом ЯМР. Спин-решеточное Т1 и спин-спиновое Т2 времена релаксации отражают подвижность системы [41]. В случае аморфных твердых дисперсий одинаковое время релаксации ЛВ и полимера указывает на то, что они однородно перемешаны. Одинаковое время релаксации Т1 в 1Н ЯМР эксперименте в твердой фазе говорит о том, что полимер и ЛВ однородно перемешаны при размере домена от 100нм и выше. Так, например, при исследовании твердой дисперсии индометацин : поливинилпирролидон с соотношением компонентов 3:7 среднее значение времен релаксации Т1 в 1Н ЯМР эксперименте составило 5.9 ± 0.3 с для индометацина и 6.0 ± 0.2 с для ПВП, что указывает на однородное смешение компонентов [42]. Применение аналогичного метода для исследования твердых дисперсий нифедипина с ПВП показало, что дисперсии, приготовленные методом закалки расплава с соотношениями компонентов 75:25, 60:40 и 50:50, являются однородными смесями [43]. В работе [44] описывается исследование присутствия ионных взаимодействий между лекарственным веществом лапатинибом и энтеросолюбильными полимерами – ацетатсукцинатом гидроксипропилметилцеллюлозы и фталатом гидроксипропилметилцеллюлозы в аморфных твердых дисперсиях. Эти взаимодействия были исследованы методами ДСК и ЯМР в твердой фазе на ядрах 13C и 15N. Методом ЯМР в твердой фазе на ядрах 15N было получено прямое доказательство наличия ионных взаимодействий между лапатинибом и фталатом гидроксипропилметилцеллюлозы, которые, вероятно, обуславливают способность этого полимера стабилизировать ЛВ в аморфном состоянии.
Электронная микроскопия используется для исследования морфологии твердых дисперсий. Так, например, методом сканирующей электронной микроскопии исследованы исходные вещества и твердые дисперсии натурального подсластителя ребаудиозида D с сорбатом калия [45]. Было обнаружено, что частицы твердой дисперсии компонентов в соотношении 50/50 имеют отличную от структуры исходных компонентов сферическую форму. Такая форма обладает повышенным отношением площадь поверхности/объем в случае твердых материалов и может являться объяснением наблюдаемого увеличения растворимости в воде. В работе [46] исследовались твердые дисперсии трех противоэпилептических препаратов, производных карбоксамида, с гидроксипропилметилцеллюлозой в качестве вспомогательного вещества. Для исследования морфологии также использовалась сканирующая электронная микроскопия, которая показала, что в твердых дисперсиях отсутствуют отдельные частицы исходных компонентов, также наблюдалось существенное уменьшение размера частиц по сравнению с исходным ЛВ. Изучена возможность использования просвечивающей электронной микроскопии для оценки кристалличности твердых дисперсий гризеофульвина с ацетатсукцинатом гидроксипропилметилцеллюлозы [47]. С помощью методов просвечивающей электронной микроскопии и широкоуглового рентгеновского рассеяния не было обнаружено кристаллов в твердых дисперсиях с содержанием гризеофульвина 5, 10 и 50 мас. %. Однако с помощью просвечивающей электронной микроскопии были детектированы кристаллы в прокаленной твердой дисперсии с содержанием гризеофульвина 5 мас. %, тогда как ни широкоугловое рентгеновское рассеяние in situ, ни модулированная дифференциальная сканирующая калориметрия не показали наличие кристаллов в этом случае. Таким образом, показана перспективность использования просвечивающей электронной микроскопии для исследования твердых дисперсий даже с малой степенью кристалличности.
Для исследования растворов твердых дисперсий находят применение спектроскопия ЯМР, динамическое светорассеяние и аналитические методы, такие как спектроскопия УФ- и видимого диапозонов и ВЭЖХ. Обычно эти методы используются в комплексе с твердофазными методами исследования строения и морфологии твердых дисперсий.
Физико-химический анализ образцов
На первом этапе интенсивные ударно-истирающие воздействия на смеси веществ приводят к измельчению частиц с их последующей агрегацией. Дальнейшая механическая обработка может приводить к различным физико-химическим превращениям от фазовых переходов до химических реакций.
Уменьшение размера частиц лекарственного вещества может способствовать увеличению скорости его растворения. Теоретическое обоснование было рассмотрено в разделе «Механизмы увеличения фармакологической активности пероральных лекарственных средств за счет повышения водорастворимости лекарственных веществ».
Из-за наличия процессов агрегации измельчение частиц не всегда приводит к увеличению скорости растворения. При микронизации происходит резкое увеличение удельной поверхности частиц и, вместе с тем, происходит их адгезия, вероятно за счет Ван-дер-Ваальсовых и кулоновских взаимодействий, а также образования водородных связей между молекулами, находящимися на поверхности частиц, что и способствует процессам агломерации и агрегации.
Механохимическая обработка смесей веществ приводит к получению продуктов – твердых дисперсий, в которых наблюдается широкий спектр физико-химических взаимодействий веществ – образование химических ковалентных и ионных связей, межмолекулярных/супрамолекулярных комплексов, фазовые трансформации, изменение степени кристалличности и т. д., что позволяет варьировать свойства получаемых материалов для достижения желательных характеристик.
Измельчение твердых тел возможно до достижения определенного размера частиц. После того как заканчивается стадия хрупкого измельчения, начинается стадия пластической деформации, в течение которой в твердом теле происходит образование дефектов. Накопление дефектов идет до тех пор, пока дальний порядок полностью не исчезает, т.е. до аморфизации образца. Аморфизация проявляется в рентгеновской дифракции как уширение или частичное исчезновение пиков, в термическом анализе – как размытие границ термического эффекта фазовых переходов при плавлении веществ. Скорость растворения и растворимость аморфизованных фаз изменяются по сравнению с исходными веществами, так как при разрушении кристаллической решетки минимизируется энергетическая составляющая растворимости, связанная с необходимостью выделения отдельных молекул из кристаллической решетки.
Известно, что механическое воздействие может вызывать переходы между различными полиморфными модификациями. Это может быть использовано для получения метастабильных и химически активных образцов. Термин полиморфизм наиболее часто используется для описания способности молекулы существовать в более чем одной кристаллической форме (полиморфная модификация). Было установлено, что около 80% лекарственных веществ имеют несколько полиморфных модификаций [94]. В молекулярных кристаллах, которыми являются большинство ЛВ, элементарная ячейка содержит молекулы, ориентация которых постоянна по всему объему кристаллической решетки. Природа и сила межмолекулярных взаимодействий между молекулами ЛВ внутри элементарной ячейки и между соседними ячейками определяется химическими свойствами молекул ЛВ и их ориентацией внутри элементарной ячейки. Молекулярные взаимодействия могут представлять собой относительно слабые Ван-дер-Ваальсовы, - стэкинг и электростатические (0,5-2 кДж/моль), более сильные водородные связи (5-30 кДж/моль) и наиболее сильные ионные взаимодействия ( 150 кДж/моль). Поскольку сильные межмолекулярные взаимодействия минимизируют подвижность молекул в кристалле, чем выше энергия кристаллической решетки, тем выше стабильность кристалла и ниже растворимость вещества. Следовательно, наиболее стабильная кристаллическая форма имеет наибольшее число межмолекулярных взаимодействий. Кристаллическая решетка, в которой ориентация молекул ЛВ не дает максимального количества взаимодействий с соседними молекулами является метастабильной, и с течением времени или под воздействием повышенной температуры или влажности, молекулы в кристаллической решетке переориентируются, чтобы принять более термодинамически стабильную конформацию.
В работе [95] исследовались полиморфные переходы безводного кофеина под воздействием сжатия и при обработке в вибрационной мельнице. Обе полиморфные модификации кофеина, метастабильная I и стабильная II, подвергались сжатию и механическому воздействию, и были изучены до и после обработки с помощью порошковой рентгеновской дифракции и дифференциальной сканирующей калориметрии. Сжатие не вызвало изменений структуры формы II, но вызвало переход формы I в форму II. Однако во время этого перехода наблюдалась промежуточная форма, которая перешла в форму II в течение нескольких дней. Результаты РФА и ДСК доказали, что она не является ни формой I, ни формой II. Она также была получена при обработке в мельнице форм I и II, но в случае более стабильной формы II требовалось больше энергии для этого перехода.
Полиморфные формы ЛВ могут быть полезными для модификации свойств ЛВ, так как их термодинамические и химические свойства, такие как энергия, температура плавления, плотность, стабильность и растворимость могут быть лучше, по сравнению с исходной формой. Однако изменения в свойствах ЛВ при полиморфных переходах не всегда являются благоприятными. Эти факторы надо иметь в виду при модификации ЛВ посредством механического воздействия.
Механохимический способ получения твердых дисперсий ЛВ имеет преимущества по сравнению с традиционными жидкофазными методами (Рисунок 1.12), так как не требует использования растворителей и расплавов, что исключает присутствие следов растворителя в получаемом материале, а также позволяет получать твердые дисперсии термолабильных ЛВ [96, 97]. Также с помощью механохимического подхода можно получать твердые дисперсии веществ, не имеющих областей совместной растворимости. Актуальной задачей является получение твердых дисперсий малорастворимых в воде ЛВ с гидрофильными вспомогательными веществами. В этом случае подобрать растворитель для синтеза твердых дисперсий традиционными методами является очень сложной, а зачастую и не выполнимой задачей.
Физико-химические характеристики растворов твердых дисперсий
Для использования в качестве комплексообразователей для малорастворимых ЛВ, обладающих относительно невысокой молекулярной массой ( 100-300 Да) по нашему мнению перспективно применение природных полисахаридов невысокой молекулярной массы порядка 1-30 104Да (для уменьшения степени деструкции в процессе получения), обладающих высокой водорастворимостью в широком диапозоне рН, низкой вязкостью растворов, нетоксичных и легко выводящихся или метаболизирующихся в организме. Для сравнения комплексирующей способности различных полимеров были получены и исследованы композиции лекарственных веществ с природным полисахаридом арабиногалактаном из лиственниц Сибирской и Гмелина, полусинтетическим полисахаридом гидроксиэтилкрахмалом и с синтетическим полимером поливинилпирролидоном (структурные формулы соединений приведены на рисунке 3.1).
Арабиногалактан (далее АГ) – полисахарид, который составляет основу камедей покрытосеменных растений, например акации, а также голосеменных, в частности лиственницы. Древесина лиственниц сибирской (Larix sibirica) и Гмелина (Larix Gmelinii), произрастающих на территории Сибири, содержит до 15% арабиногалактана [149]. Арабиногалактан из древесины лиственницы представляет собой высоко разветвленный полисахарид, главная цепь молекулы состоит из звеньев галактозы, соединенных гликозидными связями -(13), а боковые цепи со связями -(16) – из звеньев галактозы и арабинозы, из единичных звеньев арабинозы, а также уроновых кислот, в основном глюкуроновой [150]. Благодаря такой особенности его строения, небольшие молекулы лекарственных веществ могут связываться в пространстве между его боковыми цепями с образованием комплексов включения [4, 5]. Состав макромолекул АГ варьирует в зависимости от вида лиственницы, условий его выделения из древесины [151] и молекулярной массы [152].
Гидроксиэтилкрахмал (ГЭК) – полисахарид, получаемый из амилопектинового крахмала с помощью процессов гидролиза и гидроксиэтилирования. В амилопектине примерно 5 % глюкозных остатков соединены -1-6-гликозидными связями (точки ветвления), а остальные связи представляют собой линейные -1-4-гликозидные связи. Гидроксиэтилкрахмалы являются наиболее часто используемыми коллоидными плазмозаменителями, основной функцией которых является возмещение внутрисосудистого объема жидкости [153].
Поливинилпирролидон (ПВП) – синтетический водорастворимый полимер, получаемый из мономера – N-винилпирролидона. Этот полимер широко используется в качестве вспомогательного вещества при приготовлении твердых лекарственных форм, а также в качестве связующего вещества при сухом гранулировании. ПВП используется для получения твердых дисперсий лекарственных веществ, при этом удавалось ингибировать кристаллизацию лекарственных веществ [33], повысить их растворимость и скорость растворения [154, 155].
Для получения твердых дисперсий с вышеописанными веществами нами были выбраны антигельминтные лекарственные вещества, молекулы которых являются крайне липофильными – албендазол и фенбендазол (см. раздел 1.3). При этом албендазол входит в список наиболее важных препаратов, необходимых для системы здравоохранения, составленный всемирной организацией здравоохранения [131]. Оба вещества представляют интерес для модификации, так как они также обладают низкой биодоступностью ( 5 % в случае албендазола [132]), плохо абсорбируются из желудочно-кишечного тракта из-за крайне низкой растворимости в воде. При использовании высоких дозировок есть риск усиления побочных эффектов, присущих албендазолу, наиболее известный из которых – поражение печени [133]. Кроме того, вследствие низкой биодоступности, албендазол и фенбендазол преимущественно используются при лечении гельминтозов желудочно-кишечного тракта и недостаточно эффективны для поражения гельминтов, обитающих в тканях животных и человека.
Механохимическим способом были получены твердых дисперсий албендазола и фенбендазола с арабиногалактаном, гидроксиэтилкрахмалом и поливинилпирролидоном с массовыми соотношениями ЛВ:вспомогательное вещество 1:5, 1:10 и 1:20. Изменения твердых фаз ЛВ были исследованы методами рентгенофазового анализа, дифференциальной сканирующей калориметрии и сканирующей электронной микроскопии. Растворы твердых дисперсий были исследованы методами ВЭЖХ и динамической ЯМР-спектроскопии, также был исследован гранулометрический состав водных суспензий твердых дисперсий.
Исходный албендазол был обработан в шаровой мельнице в тех же условиях, в которых были получены композиции. Фазовые изменения в результате обработки были исследованы методами ДСК и РФА. В результате механохимической обработки интенсивность рефлексов на дифрактограммах албендазола существенно уменьшается. Из этого следует, что происходит потеря кристалличности фазы в механохимически обработанном албендазоле (рис. 3.2, А).
По несимметричной форме эндотермического пика на термограмме ДСК исходного албендазола при +200oC (рис. 3.2, Б) мы видим, что, кроме плавления, происходят дополнительные эндотермические процессы – наиболее вероятно, термического разложения вещества. При этом вклад этих вторичных процессов возрастает после механохимической обработки. Вероятно, уменьшение степени кристалличности, наблюдаемое на дифрактограммах РФА, и возрастающая дефектность твердой фазы АБЗ, способствуют ускорению термодеструкции и повышению ее вклада в общий суммарный термический эффект плавление-термодеструкция. При этом рассчитанные интегральные теплоты плавления полученных образцов близки (351 ± 35 Дж / г). Из полученных данных следует, что методы ДСК, как и РФА указывают на частичное сохранение кристалличности обработанных образцов АБЗ. Однако применение термического анализа имеет ограничение в количественной оценке изменения степени кристалличности албендазола из-за его возможного разложения при температурах, близких к температуре плавления.
Рассмотрим результаты микроскопии на примере албендазола. Албендазол представляет собой частично аморфизованный порошок, состоящий из частиц неправильной формы со средним размером 20-30 мкм, арабиногалактан состоит из сферических частиц со средним размером 5-20 мкм (рис. 3.3). Поливинилпирролидон состоит из сферических частиц со средним размером 10-100 мкм, гидроксиэтилкрахмал состоит из частиц неправильной формы со средним размером 50-500 мкм. Во время совместной механохимической обработки ЛВ с полимерами происходит разрушение частиц ЛВ и полимера и образуется полидисперсный порошок, состоящий в случае АГ из частиц со средним размером 5-20 мкм и их агрегатов, в случае ГЭК - из частиц со средним размером 10-100 мкм и их агрегатов и в случае ПВП - из частиц со средним размером 3-10 мкм и их агрегатов.
Твердофазный механохимический синтез «спин-меченых» полисахаридов арабиногалактана и гидроксиэтилкрахмала и исследование их свойств в твердой фазеи в растворе
Полученная информация позволяет только качественно интерпретировать результаты экспериментов. Тем не менее, можно сделать несколько существенных выводов. Из эксперимента 1 следует, что «аддукт» R1.1-АГ (образец №7 по табл. 3.14) при прохождении ЖКТ подвергается пресистемному метаболизму, вероятно, из-за гидролиза эфирной связи между остатком радикала R1.1- и макромолекулой АГ. Высвободившийся радикал R1.1-ОН абсорбируется в кровоток и выводится через мочу. При этом «аддукт» R1.1-АГ в крови и моче не наблюдается.
В то же время, при внутрибрюшинном введении «аддукта» R1.1-АГ (образец №7 по табл. 3.14), когда вещества поступают в кровоток, минуя механизм абсорбции из ЖКТ, в крови и моче животного обнаруживается исходный «аддукт» R1.1-АГ. Полученные данные указывают, что макромолекулы спин-меченого АГ не абсорбируются в ЖКТ, в противоположность низкомолекулярному радикалу R1.1-ОН. В то же время, «аддукт» R1.1-АГ может существовать в кровотоке, если он вводится внутрибрюшинно, а не через
ЖКТ. Учитывая, что присоединение 1 молекулы радикала R1.1 к макромолекуле АГ (14–17 кДа), вероятно, не может существенно изменить ее способности проникать через биологические мембраны ЖКТ, можно заключить, что АГ не способен в заметной степени попадать в кровоток из ЖКТ при пероральном введении и, тем самым, не может служить средством целевой доставки ЛМ к чувствительным рецепторам.
Из эксперимента 2 следует, что радикал R2, обладающий достаточной водорастворимостью (табл. 3.12), независимо от присутствия АГ успешно абсорбируется из ЖКТ и выходится с мочой. В то же время в эксперименте 3 практически нерастворимый радикал R3 при пероральном введении почти не абсорбируется и в следовом количестве обнаруживается в моче (рис. 3.26, в.). Этот же радикал, введенный в составе комплекса с АГ, абсорбируется полнее. Таким образом, его биодоступность значительно повышается, о чем свидетельствует его повышенная концентрация в моче (рис. 3.26, б).
С учетом ограничения использованных нами модельных систем, и упрощенной схемы экспериментов, полученные результаты позволяют сделать следующие заключения:
1. Макромолекулы АГ при пероральном введении практически не абсорбируются в кровоток и, таким образом, не могут служить «средствами доставки» комплексированных лекарственных молекул до чувствительных рецепторов.
2. Комплексирование малорастворимых лекарственных молекул (модельных радикалов) с АГ способствует повышению их абсорбции/проницаемости из ЖКТ и повышению их биодоступности, тем самым увеличивая концентрации лекарственных молекул в кровотоке, что увеличивает фармакологический эффект, либо позволяет снижать дозировки лекарственных молекул при сохранении такового.
3. Вероятный физико-химический механизм увеличения абсорбции связан с созданием повышенной концентрации лекарственных молекул в ЖКТ, находящихся как в свободном состоянии, так и в виде комплексов ЛВ-АГ. Этот механизм повышения мембранной проницаемости аналогичен механизмам действия комплексов лекарственных молекул с циклодекстринами, описанным в [78].
Изучение фармакологической активности полученных твердых дисперсий ацетилсалициловой и салициловой кислот с арабиногалактаном было проведено в лаборатории фармакологических исследований НИОХ СО РАН (зав. лаб. профессор, д.б.н. Толстикова Т.Г.). Изучение противоописторхозной активности твердых дисперсий албендазола с арабиногалактаном было проведено в лаборатории молекулярных механизмов патологических процессов ИЦиГ СО РАН (зав. лаб. д.б.н. Мордвинов В.А.). Изучение антигельминтной активности твердых дисперсий албендазола и фенбендазола с полимерами проводилось лабораторией фармакологии, токсикологии и терапии Всероссийского НИИ фундаментальной и прикладной паразитологии животных и растений имени К.И. Скрябина (зав. лаб. профессор, д.в.н. Архипов И.А.), г. Москва. Основные результаты представлены в таблице 3.17. Таким образом, механохимическое получение композиций лекарственных веществ с растительными и синтетическими полимерами представляется перспективным путем модификации лекарственных веществ, позволяющим: повысить растворимость, и, следовательно, биодоступность ЛВ; снизить действующую дозу ЛВ с сохранением высокой базовой активности; уменьшить степень выраженности нежелательных побочных эффектов, характерных для ЛВ.
Состав твердойдисперсии,массовоесоотношение Растворимость ЛВиз твердойдисперсии, г/л /Увеличение растворимости Изменение фармакологической активности Ссылка АСК/АГ 1/10 2,8 / 1,1 Уменьшение степени и скорости агрегации тромбоцитов, возможность снижения действующих доз ЛВ в 2 раза при сохранении активности [158] АБЗ/АГ 1/10 0,038 / 38 Композиция проявляет более высокую активность на модели экспериментального описторхоза Opisthorchis felineus, чем АБЗ: выживаемость паразитов при приеме композиций составила 4-10%, при [163] приеме АБЗ – 30%. Также композиция не вызывает токсического повреждения печени, в отличие от АБЗ АБЗ/АГ 1/10 0,038 / 38 Показана 100%-ная эффективность на моделях трихинеллеза Trichinella spiralis, гименолепидоза Hymenolepis nana и 95%-ная эффективность на модели фасциолеза Fasciola hepatica в испытаниях на лабораторных животных при снижении дозы ЛВ в 10 раз. Также показана 100%-ная эффективность композиции при нематодозах овец при снижении дозы ЛВ в 10 раз. [162]
АБЗ/ПВП 1/10 0,008 / 8 Показана 100%-ная эффективность на модели трихинеллеза Trichinella spiralis, 90%-ная эффективность на модели гименолепидоза Hymenolepis nana и 95%-ная эффективность на модели фасциолеза Fasciola hepatica в испытаниях на лабораторных животных при снижении дозы ЛВ в 10 раз. Также показана 90%-ная эффективность композиции при нематодозах овец при снижении дозы ЛВ в 10 раз. [162]
АБЗ/ГЭК 1/10 0,030 / 30 Показана 97%-ная эффективность на модели трихинеллеза Trichinella spiralis в испытаниях на лабораторных животных при снижении дозы ЛВ в 10 раз. [162]
ФБЗ/АГ 1/10 0,055 / 9 Показана 100%-ная эффективность при гельминтозах овец в уменьшенной дозе по ЛВ. [164]
Интересен возможный механизм, по которому может происходить снижение дозы АСК в составе комплекса. Можно сделать предположение, что в результате комплексообразования с АГ доставка АСК к биологическим мембранам происходит быстрее и, соответственно, увеличивается действующая концентрация АСК. При этом необходимо иметь в виду, что как в среде ЖКТ, так и в кровотоке происходит довольно быстрый гидролиз АСК в ее первичный метаболит – СК. Последнее вещество в основном и обеспечивает противовоспалительное и болеутоляющее фармаколгическое действие препаратов на основе АСК. Вместе с тем, СК, в противоположность АСК, не обладает антиаггрегационным действием [165]. Таким образом, по нашему мнению, увеличение антиаггрегационной активности комплексов АСК-АГ может быть связано с ускоренными растворением АСК из твердой лекарственной формы, абсорбцией в кровоток (по сравнению со скоростью гидролиза в СК) по механизму, обоснованному в Разделе 3.3.2. настоящей работы, и достижению повышенной действующей концентрации АСК в крови (биодоступности).
В случае антигельминтных лекарственных веществ, имеющих крайне низкую растворимость в воде, комплексирование с АГ также способствует повышению их абсорбции и биодоступности. Помимо этого наблюдаемое увеличение массовой доли мелких фракций в суспензии твердых дисперсий албендазола дополнительно должно являться важным фактором увеличения антигельминтной активности, в особенности против кишечных паразитозов.