DEVELOPMENT OF CORE–SHELL STRUCTURES CAPABLE OF PH-RESPONSIVE RELEASE OF ENCAPSULATED COMPOUNDS

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Currently, the development of drug delivery systems is an important trend in modern biomedicine. During the last five years, a tendency is observed to complicate the developed carriers with the production of complex multicomponent carriers in order to improve the targeting and selectivity of their action. For this purpose, various properties characteristic for particular sites of a body are used, thus making it possible to specify the action of the carriers. One of the used factors is the medium pH, which is strictly regulated by an organism and is constant in a particular site of it. In this work, we develop an approach to the formation of complex core–shell particles based on mesoporous calcium carbonate particles and AMS-6 silica particles. The loading capacity of the obtained complex particles with respect to TRITC–BSA model dye and the kinetics of its release from them are studied. The carriers obtained in the work are promising to be used as drug carriers with pH-dependent release kinetics of encapsulated drugs.

About the authors

A. O. KUZNETSOV

Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.

Email: ermakov_a_v_2@staff.sechenov.ru
Россия, 125047, Москва, Миусская площадь, 9, стр. 6

YU. N. VLASICHEVA

Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.

Email: ermakov_a_v_2@staff.sechenov.ru
Россия, 125047, Москва, Миусская площадь, 9, стр. 6

E. V. LENGERT

Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University), Institute of Molecular Theranostics, Moscow, Russia

Email: ermakov_a_v_2@staff.sechenov.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Трубецкая, д. 8, стр. 2

A. V. ERMAKOV

Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University), Institute of Molecular Theranostics, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: ermakov_a_v_2@staff.sechenov.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Трубецкая, д. 8, стр. 2

References

  1. Chowdhury N.K., Deepika, Choudhury R., Sonawane G.A., Mavinamar S., Lyu X., Pandey R.P., Chang C.-M. Nanoparticles as an effective drug delivery system in COVID-19 // Biomedicine & Pharmacotherapy. 2021. V. 143. P. 112162. https://doi.org/10.1016/j.biopha.2021.112162
  2. Maleki Dizaj S., Sharifi S., Ahmadian E., Eftekhari A., Adibkia K., Lotfipour F. An update on calcium carbonate nanoparticles as cancer drug/gene delivery system // Expert Opinion on Drug Delivery. 2019. V. 16. № 4. P. 331–345. https://doi.org/10.1080/17425247.2019.1587408
  3. Wani S.U.D., Ali M., Masoodi M.H., Khan N.A., Zargar M.I., Hassan R., Mir S.A., Gautam S.P., Gangadharappa H.V., M. Osmani R.A. A review on nanoparticles categorization, characterization and applications in drug delivery systems // Vibrational Spectroscopy. 2022. V. 121. P. 103407. https://doi.org/10.1016/j.vibspec.2022.103407
  4. Ghosh S., Jayaram P., Kabekkodu S.P., Satyamoorthy K. Targeted drug delivery in cervical cancer: Current perspectives // European Journal of Pharmacology. 2022. V. 917. P. 174751. https://doi.org/10.1016/j.ejphar.2022.174751
  5. Liu R., Luo C., Pang Z., Zhang J., Ruan S., Wu M., Wang L., Sun T., Li N., Han L., Shi J., Huang Y., Guo W., Peng S., Zhou W., Gao H. Advances of nanoparticles as drug delivery systems for disease diagnosis and treatment // Chinese Chemical Letters. 2023. V. 34. № 2. P. 107518. https://doi.org/10.1016/j.cclet.2022.05.032
  6. Yawalkar A.N., Pawar M.A., Vavia P.R. Microspheres for targeted drug delivery − A review on recent applications // Journal of Drug Delivery Science and Technology. 2022. V. 75. P. 103659. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2022.103659
  7. Shah A., Aftab S., Nisar J., Ashiq M.N., Iftikhar F.J. Nanocarriers for targeted drug delivery // Journal of Drug Delivery Science and Technology. 2021. V. 62. P. 102426. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2021.102426
  8. Pushpalatha R., Selvamuthukumar S., Kilimozhi D. Nanocarrier mediated combination drug delivery for chemotherapy – A review // Journal of Drug Delivery Science and Technology. 2017. V. 39. P. 362–371. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2017.04.019
  9. Croissant J.G., Fatieiev Y., Khashab N.M. Degradability and clearance of silicon, organosilica, silsesquioxane, silica mixed oxide, and mesoporous silica nanoparticles // Advanced Materials. 2017. V. 29. № 9. P. 1604634. https://doi.org/10.1002/adma.201604634
  10. Trofimov A., Ivanova A., Zyuzin M., Timin A. Porous inorganic carriers based on silica, calcium carbonate and calcium phosphate for controlled/modulated drug delivery: Fresh outlook and future perspectives // Pharmaceutics. 2018. V. 10. № 4. P. 167. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics10040167
  11. Wilhelm S., Tavares A.J., Dai Q., Ohta S., Audet J., Dvorak H.F., Chan W.C.W. Analysis of nanoparticle delivery to tumours // Nature Reviews Materials. 2016. V. 1. № 5. P. 16014. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.14
  12. Nandwana V., De M., Chu S., Jaiswal M., Rotz M., Meade T.J., Dravid V.P. Theranostic magnetic nanostructures (MNS) for cancer. In: Mirkin C., Meade T., Petrosko S., Stegh A. (Eds). Nanotechnology-Based Precision Tools for the Detection and Treatment of Cancer. Cancer Treatment and Research, vol 166. Springer, Cham, 2015. P. 51–83.https://doi.org/10.1007/978-3-319-16555-4_3
  13. Kolar S., Jurić S., Marijan M., Vlahoviček-Kahlina K., Vinceković M. Applicability of alginate-based composite microspheres loaded with aqueous extract of Stevia rebaudiana Bertoni leaves in food and pharmaceutical products // Food Bioscience. 2022. V. 50. P. 101970. https://doi.org/10.1016/j.fbio.2022.101970
  14. Yang M., Abdalkarim S.Y.H., Yu H.-Y., Asad R.A.M., Ge D., Zhou Y. Thermo-sensitive composite microspheres incorporating cellulose nanocrystals for regulated drug release kinetics // Carbohydrate Polymers. 2023. V. 301. P. 120350. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120350
  15. Bil M., Mrówka P., Kołbuk D., Święszkowski W. Multifunctional composite combining chitosan microspheres for drug delivery embedded in shape memory polyester-urethane matrix // Composites Science and Technology. 2021. V. 201. P. 108481. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108481
  16. Ojagh S.M.A., Vahabzadeh F., Karimi A. Synthesis and characterization of bacterial cellulose-based composites for drug delivery // Carbohydrate Polymers. 2021. V. 273. P. 118587. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118587
  17. Reza Soltani E., Ahmad Panahi H., Moniri E., Torabi Fard N., Raeisi I., Beik J., Yousefi Siavoshani A. Construction of a pH/temperature dual-responsive drug delivery platform based on exfoliated MoS2 nanosheets for effective delivery of doxorubicin: Parametric optimization via central composite design // Materials Chemistry and Physics. 2023. V. 295. P. 127159. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2022.127159
  18. Lengert E.V., Koltsov S.I., Li J., Ermakov A.V., Parakhonskiy B.V., Skorb E.V., Skirtach A.G. Nanoparticles in polyelectrolyte multilayer layer-by-layer (LbL) films and capsules—key enabling components of hybrid coatings // Coatings. 2020. V. 10. № 11. P. 1131. https://doi.org/10.3390/coatings10111131
  19. Khan A.N., Ermakov A., Sukhorukov G., Hao Y. Radio frequency controlled wireless drug delivery devices // Applied Physics Reviews. 2019. V. 6. № 4. https://doi.org/10.1063/1.5099128
  20. Alsehli M. Polymeric nanocarriers as stimuli-responsive systems for targeted tumor (cancer) therapy: Recent advances in drug delivery // Saudi Pharmaceutical Journal. 2020. V. 28. № 3. P. 255–265. https://doi.org/10.1016/j.jsps.2020.01.004
  21. Abdella S., Abid F., Youssef S.H., Kim S., Afinjuomo F., Malinga C., Song Y., Garg S. pH and its applications in targeted drug delivery // Drug Discovery Today. 2023. V. 28. № 1. P. 103414. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2022.103414
  22. Tang H., Zhao W., Yu J., Li Y., Zhao C. Recent development of pH-responsive polymers for cancer nanomedicine // Molecules. 2018. V. 24. № 1. P. 4. https://doi.org/10.3390/molecules24010004
  23. Kolawole O.M., Cook M.T. In situ gelling drug delivery systems for topical drug delivery // European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 2023. V. 184. P. 36–49. https://doi.org/10.1016/j.ejpb.2023.01.007
  24. Al Ragib A., Chakma R., Dewan K., Islam T., Kormoker T., Idris A.M. Current advanced drug delivery systems: Challenges and potentialities // Journal of Drug Delivery Science and Technology. 2022. V. 76. P. 103727. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2022.103727
  25. Shaikh M.A.J., Gupta G., Afzal O., Gupta M.M., Goyal A., Altamimi A.S.A., Alzarea S.I., Almalki W.H., Kazmi I., Negi P., Singh S.K., Dua K. Sodium alginate-based drug delivery for diabetes management: A review // International Journal of Biological Macromolecules. 2023. V. 236. P. 123986. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.123986
  26. Hegde V., Uthappa U.T., Altalhi T., Jung H.-Y., Han S.S., Kurkuri M.D. Alginate based polymeric systems for drug delivery, antibacterial/microbial, and wound dressing applications // Materials Today Communications. 2022. V. 33. P. 104813. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.104813
  27. Karim A., Rehman A., Feng J., Noreen A., Assadpour E., Kharazmi M.S., Lianfu Z., Jafari S.M. Alginate-based nanocarriers for the delivery and controlled-release of bioactive compounds // Advances in Colloid and Interface Science. 2022. V. 307. P. 102744. https://doi.org/10.1016/j.cis.2022.102744
  28. Kianersi S., Solouk A., Saber-Samandari S., Keshel S.H., Pasbakhsh P. Alginate nanoparticles as ocular drug delivery carriers // Journal of Drug Delivery Science and Technology. 2021. V. 66. P. 102889. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2021.102889
  29. López-Menchero J.R., Ogawa M., Mauricio J.C., Moreno J., Moreno-García J. Effect of calcium alginate coating on the cell retention and fermentation of a fungus-yeast immobilization system // LWT. 2021. V. 144. P. 111250. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2021.111250
  30. Gao C., Qiu H., Zeng W., Sakamoto Y., Terasaki O., Sakamoto K., Chen Q., Che S. Formation mechanism of anionic surfactant-templated mesoporous silica // Chemistry of Materials. 2006. V. 18. № 16. P. 3904–3914. https://doi.org/10.1021/cm061107+
  31. Atluri R., Hedin N., Garcia-Bennett A.E. Hydrothermal phase transformation of bicontinuous cubic mesoporous material AMS-6 // Chemistry of Materials. 2008. V. 20. № 12. P. 3857–3866. https://doi.org/10.1021/cm702440n
  32. Sergeeva A., Sergeev R., Lengert E., Zakharevich A., Parakhonskiy B., Gorin D., Sergeev S., Volodkin D. Composite magnetite and protein containing CaCO3 crystals. External manipulation and vaterite → calcite recrystallization-mediated release performance // ACS Applied Materials and Interfaces. 2015. https://doi.org/10.1021/acsami.5b05848
  33. Garcia-Bennett A.E., Kupferschmidt N., Sakamoto Y., Che S., Terasaki O. Synthesis of mesocage structures by kinetic control of self-assembly in anionic surfactants // Angewandte Chemie International Edition. 2005. V. 44. № 33. P. 5317–5322. https://doi.org/10.1002/anie.200500113
  34. German S.V., Novoselova M.V., Bratashov D.N., Demina P.A., Atkin V.S., Voronin D.V, Khlebtsov B.N., Parakhonskiy B.V., Sukhorukov G.B., Gorin D.A. High-efficiency freezing-induced loading of inorganic nanoparticles and proteins into micron- and submicron-sized porous particles // Scientific Reports. 2018. V. 8. № 1. P. 17763. https://doi.org/10.1038/s41598-018-35846-x
  35. Rezk A.I., Obiweluozor F.O., Choukrani G., Park C.H., Kim C.S. Drug release and kinetic models of anticancer drug (BTZ) from a pH-responsive alginate polydopamine hydrogel: Towards cancer chemotherapy // International Journal of Biological Macromolecules. 2019. V. 141. P. 388–400. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.09.013
  36. Ilgin P., Ozay H., Ozay O. Synthesis and characterization of pH responsive alginate based-hydrogels as oral drug delivery carrier // Journal of Polymer Research. 2020. V. 27. № 9. P. 251. https://doi.org/10.1007/s10965-020-02231-0
  37. Coppi G., Iannuccelli V., Bernabei M., Cameroni R. Alginate microparticles for enzyme peroral administration // International Journal of Pharmaceutics. 2002. V. 242. № 1–2. P. 263–266. https://doi.org/10.1016/S0378-5173(02)00171-0
  38. Mukhopadhyay P., Maity S., Chakraborty S., Rudra R., Ghodadara H., Solanki M., Chakraborti A.S., Prajapati A.K., Kundu P.P. Oral delivery of quercetin to diabetic animals using novel pH responsive carboxypropionylated chitosan/alginate microparticles // RSC Advances. 2016. V. 6. № 77. P. 73210–73221. https://doi.org/10.1039/C6RA12491G

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (1MB)
Indexing metadata
3.

Download (416KB)
Indexing metadata
4.

Download (19KB)
Indexing metadata
5.

Download (1MB)
Indexing metadata
6.

Download (68KB)
Indexing metadata
7.

Download (618KB)
Indexing metadata
8.

Download (64KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 А.О. Кузнецов, Ю.Н. Власичева, Е.В. Ленгерт, А.В. Ермаков

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».