Физико-химические свойства интравитреального имплантата на основе хитозана и полиэтилового спирта, насыщенного 5-фторурацилом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физико-химические свойства интравитреального имплантата на основе хитозана и полиэтилового спирта, насыщенного 5-фторурацилом

А.О. Байырханова, Т.К. Ботабекова,

Ю.М. Семенова, А.Б. Исмаилова, Т.К. Рахыпбеков

Ключевые слова: пролиферативная витреоретинопатия; 5-фторурацил; 5-ФУ; хитозан; интравитреальный имплантат; имплантаты на основе хитозана.

Цель исследования -- оценить возможности использования интравитреального введения имплантата на основе хитозан-полимерной пленки, насыщенной 5-фторурацилом.

Материалы и методы. Изучали физико-химические свойства имплантата на основе хитозана и поливинилового спирта, насыщенного 5-фторурацилом (5-ФУ) в концентрациях 0,05 и 0,1 мл. Его размеры -- 8,0Ч1,0Ч0,35 мм. Процесс высвобождения препарата изучали методом УФ-спектроскопии по характеристическому максимуму поглощения. С целью оценки способности хитозановых пленок к стерилизации исследована их термоустойчивость. Возможности взаимодействия химических групп хитозана, поливинилового спирта и 5-ФУ изучали путем анализа инфракрасных спектров образцов перечисленных веществ.

Результаты. Установлено, что процесс высвобождения лекарственного препарата из системы происходит в три стадии: 1) сорбция воды пленкой и ее набухание; 2) диффузия препарата в пленке на границу раздела фаз «полимерная система-окружающая среда»; 3) диффузия препарата в объем растворителя. Высвобождение 5-ФУ из имплантата в раствор Рингера-Локка практически полностью происходит в течение 7-8 ч, не претерпевая каких-либо изменений. Термическая деструкция имплантата начинается при температуре 200^оС. Данные инфракрасной спектроскопии свидетельствуют, что иммобилизованный на хитозановой пленке с поливиниловым спиртом 5-ФУ химически не меняется и, соответственно, не теряет своих фармакологических свойств.

Заключение. Исследование физико-химических свойств имплантата на основе хитозан-полимерной пленки, насыщенной цитостатиком 5-ФУ, доказывает возможность его использования в офтальмологии с целью снижения пиковой начальной концентрации 5-ФУ и, как следствие, устранения его токсического влияния, а также пролонгирования действия препарата.

Пролиферативная витреоретинопатия (ПВР) представляет собой одну из тяжелейших форм заболеваний органа зрения и является серьезной медико-социальной проблемой. ПВР рассматривается как типовой патологический процесс внутри глаза, характеризующийся местным рубцеванием как средством ликвидации альтерации тканей, протекающий при таких офтальмологических заболеваниях, как отслойка сетчатки, гемофтальм, травма, диабет [1].

В структуре инвалидности по зрению ПВР составляет 2-9%, причем 84-89% страдающих этим заболеванием -- лица трудоспособного возраста [2-4].

Пролиферативная витреоретинопатия требует комплексного хирургического лечения, осуществляемого зачастую в несколько этапов [5]. При отсутствии лечения слепота наступает в 100% случаев [6-8].

За последние годы достигнут прогресс в области хирургии отслойки сетчатки, что позволило снизить число интра- и послеоперационных осложнений, значительно повысить анатомические и функциональные результаты операций при данной патологии. Однако несмотря на качественно новый уровень современных возможностей диагностики, значительный шаг вперед в сфере витреоретинальной хирургии, количество успешных операций, согласно данным многих авторов, достигает лишь 61,5-97,5% [9-13].

Прогрессирование ПВР в послеоперационном периоде является одной из главных причин неудачного хирургического лечения отслоек сетчатки и наблюдается в 2,2-29,4% случаев [9, 11, 13, 14]. Рецидивы отслойки сетчатки по причине прогрессирования ПВР составляют от 2,2 до 20,0% [11, 13, 15-17]. Поэтому продолжаются поиск и разработка новых методов лечения, позволяющих уменьшить травматичность операции и снизить риск возникновения операционных и послеоперационных осложнений.

На современном этапе наметились новые тенденции лечения ПВР -- применение антипролиферативных агентов на различных носителях-имплантатах, используемых во время интравитреальных вмешательств. В последние годы возрастает интерес специалистов к использованию в качестве носителя полимерного материала хитозана, который полностью разрушается и усваивается организмом, обладает противовоспалительным и антипролиферативным действием, высокой биосовместимостью, улучшает процессы регенерации клеток и тканей [18-20]. В Казахском НИИ глазных болезней совместно с лабораторией синтеза полимеров Института химических наук им. А.Б. Бектурова (Республика Казахстан) был разработан витреосинеретик Vitrenal, являющийся водным раствором полимера хитозана [6]. Проведенные клинические исследования подтвердили эффективность интравитреального введения Vitrenal в хирургическом лечении ПВР при отслойке сетчатки и травматических повреждениях глаза.

Одной из тенденций в витреоретинальной хирургии в настоящее время является использование препаратов, действие которых направлено на ингибицию формирования рубцовой ткани, в частности цитостатиков. Самый известный представитель этой группы -- 5-фторурацил (5-ФУ) [21, 22]. Данный препарат является антиметаболитом, который ингибирует синтез ДНК и пролиферацию фибробластов. Однако разные авторы показывают неоднозначные результаты его применения, что обусловливает проведение дальнейших исследований возможностей препарата, в частности, в качестве покрытия хитозанового имплантата.

Цель исследования -- оценить возможности использования интравитреального введения имплантата на основе хитозан-полимерной пленки, насыщенной 5-фторурацилом.

Материалы и методы. Исследованы физико-химические свойства полимерных имплантатов на основе хитозана и поливинилового спирта, насыщенных 5-ФУ в концентрациях 0,05 мл (250 мг/г) и 0,1 мл (500 мг/г), что соответствует 2,5 и 5,0 мг сухого вещества. Поливиниловый спирт использовали для улучшения физико-химических свойств пленок. Дозировка 5-ФУ была выбрана не случайно. В литературе 0,1-0,15 мл 5% 5-ФУ считается оптимальной терапевтической дозой. В исследовании Д.Н. Шариповой [21] при одномоментной интравитреальной инъекции 0,15 мл 5-ФУ в структурах глаза отмечены токсические изменения, которые отсутствуют при введении той же дозы на полиуретановом носителе. Нами выбрана терапевтическая дозировка (0,1 мл) и дозировка в 2 раза ниже терапевтической (0,05 мл) с учетом того, что имплантат (хитозан) сам по себе обладает антипролиферативным и противовоспалительным действием.

Снимки электронной сканирующей микроскопии (СЭМ) полимерных лекарственных форм получали на электрозондовом микроанализаторе Superprobe-733 (JEOL, Япония), снабженном энергодисперсионным спектрометром INCA Energy (Oxford Instruments, США). Порошок наносили на проводящую липкую ленту и затем для улучшения контраста изображения покрывали его тонким слоем золота в установке Fine Coat (JEOL, Япония). Съемку осуществляли в режиме вторичных электронов.

Для определения кинетики высвобождения 5-ФУ из хитозановой пленки применяли специальное устройство, состоящее из металлической корзинки, термостатируемого стакана и механической мешалки. Выход препаратов изучали в условиях in vitro. Для этого определенное количество хитозановых пленок помещали в металлическую корзинку, погруженную в 70 мл воды при комнатной температуре. Постоянную скорость перемешивания среды высвобождения (100 об./мин) обеспечивали с помощью магнитной мешалки, термостатирование поддерживали с помощью проточной ячейки. Через определенные промежутки времени 2 мл раствора отбирали для определения содержания лекарства методом УФ-спектроскопии.

Для определения способности имплантатов к стерилизации исследована их термоустойчивость методом термогравиметрического анализа на приборе TGA/SDTA 851 (Mettler Toledo, Швейцария).

С целью оценки возможности химического взаимодействия хитозана, поливинилового спирта и 5-ФУ были записаны и проанализированы инфракрасные спектры образцов перечисленных веществ. ИК-спектры регистрировали на спектрофотометре Nicolet 5700 FT-IR (Thermo Electron, США) с Фурье-преобразованием в области 4000-400 см-¹. Образцы готовили в виде таблеток с использованием кристаллов КВr.

Результаты и обсуждение

Сканирующая электронная микроскопия. На электрозондовом микроанализаторе Superprobe 733, снабженном энергодисперсионным спектрометром INCA Energy, произведена сканирующая электронная микроскопия хитозана и имплантата (рис. 1). Отчетливо видна гладкая поверхность хитозана, имплантат же обладает случайным распределением крупных структур с порами одинакового размера, составляющими 42,68 нм. Таким образом, имплантат имеет мезопоры.

Высвобождение релиза 5-ФУ из имплантата. С целью определения пролонгирующих свойств исследовано высвобождение 5-ФУ из сшитых глютаральдегидом хитозан-поливиниловых пленок в условиях in vitro. Процесс высвобождения изучали методом УФ-спектроскопии по характеристическому максимуму поглощения препарата при л=266 нм. Спектры детектировали на спектрофотометре JascoUV/VIS 7850 (JASCO International, Япония) в кварцевых кюветах толщиной 10 мм при 25^оС. Количество 5-ФУ определяли по калибровочному графику зависимости оптической плотности от концентрации. В качестве среды высвобождения применяли свежеприготовленный раствор Рингера-Локка.

Установлено, что процесс высвобождения препарата из системы состоит из трех основных стадий: 1) сорбция воды имплантатом и его набухание; 2) диффузия препарата в имплантате на границу раздела фаз «полимерная система-окружающая среда»; 3) диффузия препарата в объем растворителя.

Хитозановые пленки с 250 и 500 мг/г 5-ФУ были загружены в раствор для определения влияния дозы (концентрации) препарата на кинетику высвобождения. Отмечено, что изменение концентрации препарата в полимерной матрице не оказывает значительного влияния на процесс диффузии. 5-ФУ был практически полностью диффундирован в раствор Рингера-Локка в течение 60-70 ч (рис. 2). Полученные параметры высвобождения представлены в таблице.

Профиль кинетических кривых свидетельствует о том, что выход лекарства происходит согласно кинетике первого порядка и контролируется диффузией терапевтического агента в матрице.

Известно, что с увеличением толщины имплантата в 3 раза коэффициент диффузии препарата уменьшается приблизительно в 2 раза. Лимитирующую роль в процессе высвобождения 5-ФУ из хитозанового имплантата играет диффузия терапевтического агента в матрице, что подтверждается обратной зависимостью между скоростью высвобождения и толщиной пленки.

Изучение термоустойчивости хитозанового имплантата, насыщенного 5-ФУ.Термические свойства хитозанового имплантата изучали методом термогравиметрического анализа на приборе TGA/SDTA 851. Термогравиметрия -- метод, позволяющий определить изменение массы вещества при его контролируемой температурной обработке. Анализ проводили в интервале температур от 50 до 900^оС со скоростью нагрева 5^оС/мин (рис. 3).

Кривая термогравиметрического анализа хитозанового имплантата с 5-ФУ свидетельствует, что термическая деструкция имплантата начинается при температуре 250^оС. В целом процесс деструкции происходит в интервале температур 250-500^оС.

Полученные данные говорят о том, что имплантат на основе хитозана и поливинилового спирта, насыщенный 5-ФУ, может стерилизоваться в автоклаве.

Изучение взаимодействия химических групп хитозана, поливинилового спирта и 5-ФУ. С целью оценки уровня взаимодействия химических групп сшитого глютаральдегидом хитозана, поливинилового спирта и 5-ФУ были записаны и проанализированы инфракрасные спектры образцов перечисленных веществ, которые регистрировали на спектрофотометре Nicolet 5700 FT-IR с Фурье-преобразованием в области 4000-400 см-¹. Образцы готовили в виде таблеток с использованием КВr.

На рис. 4 показаны инфракрасные спектры 5-ФУ, сшитой хитозановой пленки, содержащей 5-ФУ, и сшитой хитозан-поливиниловой пленки, содержащей 5-ФУ, соответственно. Основные пики 5-ФУ наблюдаются в спектре в области 3084 см-¹ (N-H), 1689 см-¹ (C=O), 1250 см-¹(С=С) и 1180 см-¹ (C-F) (рис. 4, а).

Абсорбция при 3127 см^?1 в хитозановой пленке, содержащей 5-ФУ, показала пики О-Н групп хитозана и N-H-валентные колебания 5-ФУ, которые накладываются друг на друга. С=О-колебания при 1683 см^?1 обнаружены в спектре хитозановой пленки, что также свидетельствует о наличии накладки.

Полосы поглощения 1247 см^?1 (C=C) и 1172 см^?1 (C-F-связь) обнаруживают наличие 5-ФУ в спектре пленки (рис. 4, б). О наличии азометиновой группы в продукте взаимодействия хитозана с глютаральдегидом следили по пику валентных колебаний связи C=N, который благодаря высокому коэффициенту экстинкции легко обнаруживается в приведенных спектрах на частоте 1634 см^?1. С увеличением числа протонированных аминогрупп в хитозане интенсивность этого пика возрастает.

Отмечены переход групп NH₂^? в группы -N=C^?, исчезновение групп OH^? и образование ацетальных и простых эфирных групп при реакции OH^?-групп с CH₂O.

Инфракрасные спектры хитозан-поливиниловой пленки, содержащей 5-ФУ, показаны на рисунке 4, в. Поглощение в области 3134 см^?1 свидетельствует о присутствии О-Н-группы хитозана, О-Н-группы поливинилового спирта и N-Н-связи 5-ФУ. В области 1664 см^?1появляются полосы поглощения, вызванные участием C=O-связи в скелетных колебаниях молекулы поливинилового спирта в хитозан-поливиниловой пленке.

На рисунке также показано влияние глютаральдегида на химическую структуру хитозан-поливиниловой пленки. В области 1090 см^?1 обнаружено уменьшение OH- и C-O-связей поливинилового спирта, что свидетельствует о появлении -C-O-C-группы при 1090 см^?1.

Полученные данные доказывают, что 5-ФУ и полимеры совместимы. 5-ФУ в хитозане с поливиниловым спиртом химически не изменяется и, соответственно, не теряет своих фармакологических свойств.

Использование интравитреального имплантата на основе природного полимера хитозана, насыщенного цитостатиком 5-фторурацилом, обеспечивает постепенное выделение 5-фторурацила в течение 60-70 ч, что снижает первичную пиковую концентрацию препарата и предотвращает превышение его терапевтической концентрации в окружающей среде. Установленные физико-химические свойства хитозанового имплантата, иммобилизованного 5-ФУ, свидетельствуют о возможности его использования в офтальмологии с целью пролонгирования действия препарата. Известные антипролиферативные и противовоспалительные свойства природного полисахарида хитозана подтверждают обоснованность его применения в качестве носителя лекарственного вещества.

Финансирование исследования. Данное исследование выполнено в рамках докторантуры по специальности «Медицина» (6D110100).

Благодарности. Авторы выражают свою благодарность администрации института химических наук им. А.Б. Бектурова и администрации Государственного медицинского университета г. Семей за помощь в проведении исследования.

имплантат хитозановый витреоретинопатия

Литература

1. Сосновский С.В., Бойко Э.В., Харитонова Н.Н. Обоснование и разработка системы количественной оценки тяжести пролиферативной витреоретинопатии. Офтальмохирургия 2009; 4: 25-29.

2. Ильницкий В.В. Временное и постоянное эписклеральное пломбирование в хирургии отслойки сетчатки, ее профилактика. Дис. ... докт. мед. наук. М; 1995.

3. Балинская Н.Р. Комбинированные интравитреальные хирургические вмешательства при отслойке сетчатки, осложненной витреоретинальной тракцией. Дис. ... канд. мед. наук. М; 1993.

4. Кочмала О.Б., Запускалов И.В., Кривошеина О.И., Дашко И.А. Хирургия отслойки сетчатки: современное состояние проблемы. Вестник офтальмологии 2010; 126(6): 46-49.

5. Захаров В.Д. Витреоретинальная хирургия. М: Медицина; 2003; 180 с. Zakharov V.D. Vitreoretinal'naya khirurgiya [Vitreoretinal surgery]. Moscow: Meditsina; 2003; 180 p.

6. Жургумбаева Г.К. Витреосинеретик «Vitrenal» в хирургии пролиферативной витреоретинопатии при отслойке сетчатки. Дис. ... канд. мед. наук. Алматы; 2009.

7. Глинчук Я.И. Роль витрэктомии в лечении заболеваний глаз травматической, дегенеративной и воспалительной этиологии. Дис. … докт. мед. наук. М; 1987.

8. Захаров В.Д., Шарипова Д.Н., Шацких А.В. Возможности лечения пролиферативной витреоретинопатии в свете современных аспектов ее этиологии и патогенеза. Офтальмохирургия 2006; 2: 59-65.

9. Afrashi F., Erakgun T., Akkin C., Kaskaloglu M., Mentes J. Conventional buckling surgery or primary vitrectomy with silicone oil tamponade in rhegmatogenous retinal detachment with multiple breaks. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol 2004; 242(4): 295-300,https://doi.org/10.1007/s00417-003-0842-2

10. Christensen U., Villumsen J. Prognosis of pseudophakic retinal detachment. J Cataract Refract Surg 2005; 31(2): 354-358.

11. Goezinne F., La Heij E.C., Berendschot T.T., Kessels A.G., Liem A.T., Diederen R.M., Hendrikse F. Incidence of redetachment 6 months after scleral buckling surgery. Acta Ophthalmol 2010; 88(2): 199-206, https://doi.org/10.1111/j.1755-3768.2008.01425.x

12. Heimann H., Zou X., Jandeck C., Kellner U., Bechrakis N.E., Kreusel K.M., Helbig H., Krause L., Schьler A., Bornfeld N., Foerster M.H. Primary vitrectomy for rhegmatogenous retinal detachment: an analysis of 512 cases. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol 2006; 244(1): 69-78, https://doi.org/10.1007/s00417-005-0026-3

13. Salicone A., Smiddy W.E., Venkatraman A., Feuer W. Management of retinal detachment when no break is found. Ophthalmology 2006; 113(3): 398-403,https://doi.org/10.1016/j.ophtha.2005.10.002

14. Kon C.H., Asaria R.H., Occleston N.L., Khaw P.T., Aylward G.W. Risk factors for proliferative vitreoretinopathy after primary vitrectomy: a prospective study. Br J Ophthalmol 2000; 84(5): 506-511, https://doi.org/10.1136/bjo.84.5.506

15. Foster R.E., Meyers S.M. Recurrent retinal detachment more than 1 year after reattachment. Ophthalmology 2002; 109(10): 1821-1827, https://doi.org/10.1016/s0161-6420(02)01182-x

16. Miki D., Hida T., Hotta K., Shinoda K., Hirakata A. Comparison of scleral buckling and vitrectomy for retinal detachment resulting from flap tears in superior quadrants. Jpn J Ophthalmol 2001; 45(2): 187-191, https://doi.org/10.1016/s0021-5155(00)00377-4

17. Sharma Y.R., Karunanithi S., Azad R.V., Vohra R., Pal N., Singh D.V., Chandra P. Functional and anatomic outcome of scleral buckling versus primary vitrectomy in pseudophakic retinal detachment. Acta Ophthalmol Scand 2005; 83(3): 293-297, https://doi.org/10.1111/j.1600-0420.2005.00461.x

18. Yang H., Wang R., Gu Q., Zhang X. Feasibility study of chitosan as intravitreous tamponade material. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol 2008; 246(8): 1097-1105,https://doi.org/10.1007/s00417-008-0813-8

19. Лазаренко В.И., Большаков И.Н., Ильенков С.С., Шатилова Р.И., Кузовников В.В., Чанчиков Д.Г., Осипова О.В., Гарькавенко В.В., Симко И.В., Иванов В.В. Опыт применения изделий медицинского назначения «Бол-хит» и «Коллахит-бол» в офтальмологии. Российский офтальмологический журнал 2009; 2(4): 21-24.

20. Кузовников В.В., Гарькавенко В.В., Чанчиков Д.Г., Осипова О.В., Иванов В.В., Симко И.В., Лазаренко В.И., Большаков И.Н. Использование изделий медицинского назначения на основе хитозана в офтальмологии. В кн.: Материалы IX Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана». М: Изд-во ВНИРО; 2008; c. 181-183.

21. Шарипова Д.Н. Профилактика пролиферативной витреоретинопатии с использованием 5-фторурацила на гидрогелевом имплантате. Дис. ... канд. мед. наук. М; 2006.

22. Артемьева О.В., Самойлов А.Н., Жернаков С.В. Пролиферативная витреоретинопатия: современные представления об этиологии и патогенезе. Вестник офтальмологии 2014; 130(3): 67-71.

Размещено на Allbest.ru