Το pH καθορίζει τη μοίρα των συμπλεγμάτων με βάση τη χιτοζάνη
Η χιτοζάνη, ο δεύτερος σε αφθονία φυσικός πολυσακχαρίτης, είναι ένα κατιονικό πολυμερές που χρησιμοποιείται ευρέως για την παρασκευή σωματιδίων, υδρογέλης ή ικριωμάτων που προορίζονται για βιοϊατρικούς σκοπούς [1,2].
Όλες αυτές οι εντατικά μελετημένες πλατφόρμες σχηματίζονται τυπικά από ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση μεταξύ μιας θετικά φορτισμένης χιτοζάνης και ενός αρνητικά φορτισμένου παράγοντα συμπλοκοποίησης. Η βιοσυμβατότητά τους, η βιοδιασπασιμότητά τους, καθώς και οι συντονίσιμες ιδιότητές τους, καθιστούν τα σύμπλοκα με βάση χιτοζάνη ένα ευέλικτο εργαλείο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διαφορετικές νανοϊατρικές εφαρμογές [3].
Η ελκυστικότητα αυτών των συστημάτων υπογραμμίζεται, επιπλέον, από το γεγονός ότι η κατασκευή τους θεωρείται γενικά απλή, βολική και ελεγχόμενη [3,4]. Δεδομένης της τεράστιας δυνατότητας των συμπλεγμάτων που βασίζονται σε χιτοζάνη για κλινική μετάφραση, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι έχουν αυξηθεί το ενδιαφέρον τους, όπως αποδεικνύεται από την εκρηκτική αύξηση του αριθμού των in vitro και in vivo μελέτες που αντιμετωπίζουν συγκεκριμένα ιατρικά προβλήματα.
Το κύριο πρόβλημα είναι, ωστόσο, ότι η χιτοζάνη δεν είναι κατιονική (ούτε διαλυτή) σε όλο το εύρος του pH. Είναι γνωστό για περισσότερες από δύο δεκαετίες ότι το pKa της χιτοζάνης είναι περίπου 6,3-6,5, ανάλογα κυρίως με το μοριακό της βάρος και τον βαθμό αποακετυλίωσης [5]. Δεδομένου ότι η χιτοζάνη συμπεριφέρεται ως δέκτης πρωτονίων σε pH κάτω από το pKa, η χιτοζάνη είναι εξαιρετικά πρωτονιωμένη, με αποτέλεσμα επαρκή ποσότητα θετικού φορτίου που διευκολύνει την ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση με αρνητικά φορτισμένους συμπλοκοποιητικούς παράγοντες, δημιουργώντας σταθερά σύμπλοκα με βάση πολυηλεκτρολύτες. Από αυτή την άποψη, σύμπλοκα με βάση χιτοζάνη παρασκευάζονται τυπικά υπό όξινες συνθήκες. Από την άλλη πλευρά, σε pH πάνω από pKa, υπάρχει μαζική αποπρωτονίωση, καθιστώντας τη χιτοζάνη σχεδόν χωρίς κατιονικό φορτίο και ανίκανη για ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις. Δεδομένου του εξαρτώμενου από το pH βαθμό πρωτονίωσης της χιτοζάνης, οι φυσικοχημικές ιδιότητες των συμπλοκών πολυηλεκτρολύτη που προκύπτουν είναι προφανώς μεταβλητές.
Αν και τα σύμπλοκα με βάση χιτοζάνη έχουν δοκιμαστεί σε τεράστιο αριθμό in vitro και in vivo μελέτες μέχρι σήμερα [3], είναι εντυπωσιακό ότι καμία από αυτές τις μελέτες δεν ενδιαφέρθηκε για τα εξαρτώμενα από το pH χαρακτηριστικά αυτών των συμπλεγμάτων, ειδικά μετά από έκθεση σε φυσιολογικό pH περίπου 7,4, δηλαδή pH> pKa. Σε αυτό το πλαίσιο, οι Mazancova et al. 2018 [6], έθεσε θεμελιώδεις και εικαστικές ερωτήσεις σχετικές με την κατανόηση της συμπεριφοράς των συμπλεγμάτων που βασίζονται σε χιτοζάνη:i) Υπάρχουν σύμπλοκα πολυηλεκτρολύτη που βασίζονται σε χιτοζάνη σε φυσιολογικό pH; ii) Ποια είναι η σύνθεση των συμπλεγμάτων με βάση τη χιτοζάνη που μεταφέρονται σε περιβάλλον με pH διαφορετικό από αυτό στο οποίο παρασκευάστηκαν;
Στο παράδειγμα των μοντέλων συμπλεγμάτων χιτοζάνης/τριπολυφωσφορικού (TPP), Mazancova et al. παρέχουν μια ακλόνητη απόδειξη ότι κατά την έκθεση σε φυσιολογικό pH ή pH γενικά υψηλότερο από αυτό που χρησιμοποιείται κατά την κατασκευή του συμπλόκου, τα σύμπλοκα χιτοζάνης/ΤΡΡ υφίστανται μια σταδιακή διάσπαση σε μόρια ελεύθερης χιτοζάνης, τα οποία, επιπλέον, είναι διαχωρισμένα σε φάση. Η μετάβαση συνοδεύεται από την απελευθέρωση αντίστοιχης ποσότητας TPP ως άμεση συνέπεια της μείωσης της πρωτονίωσης χιτοζάνης σε αυξημένο pH. Απλώς, τα σύμπλοκα χιτοζάνης/ΤΡΡ, που συνήθως παρασκευάζονται σε όξινο pH, δεν υπάρχουν υπό φυσιολογικές συνθήκες, καθώς διαχωρίζονται αυθόρμητα σε αλυσίδες χιτοζάνης διαχωρισμένες σε φάση με μόνο μια υπολειμματική ποσότητα δεσμευμένου TPP.
Αυτό το εύρημα θεωρείται ως μια αλλαγή παραδείγματος στην κατανόηση των συστημάτων που βασίζονται στην χιτοζάνη όχι μόνο στο πλαίσιο της συσχέτισης με βιολογικά δεδομένα αλλά, το πιο σημαντικό, σε σχέση με το συνολικό μεταφραστικό δυναμικό τους. Αξίζει να σημειωθεί ότι οποιαδήποτε εφαρμογή συμπλοκών με βάση χιτοζάνη υπό in vitro και in vivo Οι συνθήκες θα πρέπει να εκτελούνται με την προειδοποίηση ότι οι αρχικές τους ιδιότητες θα αλλοιωθούν πλήρως.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Dissociation of chitosan/tripolyphosphate complexes into χωριστά συστατικά κατά την αύξηση του pH, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Carbohydrate Polymers. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Petra Mazancová, Veronika Némethová, Dušana Treľová, Lucia Kleščíková, Igor Lacík και Filip Rázga από το Ινστιτούτο Πολυμερών της Σλοβακικής Ακαδημίας Επιστημών.
Αναφορές:
- Jayakumar, R., et al., Βιοϊατρικές εφαρμογές νανοϋλικών με βάση τη χιτίνη και τη χιτοζάνη—Μια σύντομη ανασκόπηση. Carbohydrate Polymers, 2010. 82 (2):σελ. 227-232.
- Jayakumar, R., M. Prabaharan και R.A. Muzzarelli, Chitosan για βιοϋλικά I . 2011:Springer.
- Bugnicourt, L. and C. Ladavière, Ενδιαφέροντα νανοσωματιδίων χιτοζάνης ιονικά διασταυρωμένα με τριπολυφωσφορικό για βιοϊατρικές εφαρμογές. Progress in Polymer Science, 2016. 60 :Π. 1-17.
- Αγνιχώτρι, Α.Ε., Ν.Ν. Mallikarjuna, και T.M. Aminabhavi, Πρόσφατες εξελίξεις σε μικρο- και νανοσωματίδια με βάση τη χιτοζάνη στην παροχή φαρμάκων. Journal of Controlled Release, 2004. 100 (1):σελ. 5-28.
- Roberts G.A.F. Χημική συμπεριφορά της χιτίνης και της χιτοζάνης . Στο:Χημεία Χιτίνης . 1992:Palgrave.
- Mazancová, Ρ., et al., Διάσταση συμπλοκών χιτοζάνης/τριπολυφωσφορικού σε ξεχωριστά συστατικά κατά την αύξηση του pH. Πολυμερή υδατανθράκων, 2018. 192 :Π. 104-110.
