Development of PEG and PEG-peptide based drug delivery systems

Abstract

In this study, two types of drug delivery systems (DDS) were prepared; mPEG (methoxy polyethylene glycol)-HYD (hydrazide)-DOX and mPEG-peptide-(HYD)-DOX. In the design of the conjugates, mPEG was used to increase the blood circulation time. HYD provided an acid cleavable bond between the carrier molecule and DOX, whereas peptide containing histidines imparted pH responsiveness of the molecule. Doxorubicin (DOX) was selected as a model anti-cancer drug. DDS were synthesized using two steps; hydrazide functionalization of carboxylic acid of the carrier molecule followed by DOX conjugation. Hydrazide form of the carrier molecules denoted as HYD1 and HYD2 were obtained using adipic acid dihydrazide (AADH) and carbohydrazide (CH), respectively. To increase DOX conjugation, trifluoroacetic acid (TFA) and DOX amounts were changed and the reactions were carried out at the conditions giving the highest DOX conjugation (mPEG-HYD:DOX:TFA= 2.5mg:2mg:20μL per 1 mL of DMSO). The peptide (AT1=CGGGHHHHHHGGGE) was synthesized using solid phase peptide synthesis (SPPS) and PEGylated using mPEG-maleimide to obtain mPEG-AT1 conjugate. The purity of AT1 and mPEG-AT1 were confirmed using mass spectroscopy and high performance liquid chromatography (HPLC). DOX conjugation percentages were obtained as 62  7, 60  3 and 35 + 3 for mPEG-HYD1-DOX, mPEG-HYD2-DOX and mPEG-AT1-HYD1-DOX, respectively. Drug release studies indicated modest pH responsiveness of the carrier molecules obtained using AADH. On the other hand, mPEG-HYD2-DOX released  13% of drug at the end of the 72h independent of pH. For mPEG-AT1-DOX, drug release percentage values were obtained as  15% and  30% at pH 7.4 and 5.0 respectively. Cytotoxicity of the conjugates of DDS was determined using lung cancer (A-549) cell lines. DOX equivalent IC50 values were determined as 20, 40 and 5 for mPEG-HYD1-DOX, mPEG-HYD2-DOX and mPEG-AT1-DOX respectively.Bu çalışmada, iki çeşit ilaç taşıyıcı sistemi hazırlanmıştır; mPEG (metoksi polietilen glikol)-HYD (hidrazit)-DOX ve mPEG-peptit-(HYD)-DOX. Konjugatların tasarımında kanda dolaşım süresini artırmak için PEG kullanılmıştır. HYD, taşıyıcı molekül ve DOX arasında asit bozunur bağ olma özelliğini sağlarken histidin içeren peptit, moleküle pH cevaplayabilen bir özellik sağlamıştır. Model bir kanser ilacı olarak DOX seçilmiştir. İlaç taşıyıcı sistemi taşıyıcı molekülün karboksilik asitinin hidrazit modifikasyonunun gerçekleştirilmesi ve ardından DOX konjugasyonu olmak üzere iki aşamada sentezlenmiştir. Adipik asit dihidrazit (AADH) ve karbohidrazit (CH) kullanılarak HYD1 ve HYD2 olarak tanımlanan taşıyıcı moleküllerin hidrazit formları sentezlenmiştir. DOX konjugasyon yüzdesini artırmak için TFA ve DOX miktarları değiştirilmiş ve reaksiyonlar en yüksek DOX konjugasyonunu verecek şekilde gerçekleştirilmiştir (mPEG-HYD:DOX:TFA = 2.5mg:2mg:20μL / 1 ml DMSO). Katı faz peptit sentezi ile AT1 = CGGGHHHHHHGGGE peptiti sentezlenmiş ve mPEG-maleimit ile konjugasyonu yapılması sonucu mPEG-AT1 elde edilmiştir. AT1 ve mPEG-AT1’in saflığı kütle spektroskopisi ve HPLC ile belirlenmiştir. mPEG-HYD1-DOX, mPEG-HYD2-DOX ve mPEG-AT1-DOX’un konjugasyon yüzdeleri sırasıyla 62  7, 60  3 ve 35 + 3 olarak elde edilmiştir. İlaç salım çalışmalarında AADH’nin kullanıldığı taşıyıcı moleküllerde makul bir pH cevaplayabilir özelliği elde edilmiştir. Diğer taraftan, pH’tan bağımsız olarak 72 saat sonunda mPEG-HYD2-DOX, ilacın  % 13’ünü salmıştır. mPEG-AT1-DOX için ilaç salım yüzdeleri pH 7.4 ve pH 5.0 için sırasıyla  % 15 ve  % 30 olarak elde edilmiştir. Konjugatların sitotoksisitesi, akciğer kanseri hücre (A-549) hattı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. DOX eşdeğer IC50 değerleri, mPEG-HYD1-DOX, mPEG-HYD2-DOX ve mPEG-AT1-HYD1-DOX için sırasıyla 20, 40 ve 5 μg/ml olarak belirlenmiştir.