Nanocomposites based on halloysite as carriers for anticancer drugs: experimental data and molecular simulations

Abstract

Halloysite is a clay mineral of kaolinite group with tubular morphology. Due to its special characteristics, it is widely used for the encapsulation of a variety of molecules and therefore it is used as a drug delivery system. In this study, halloysite was investigated as a potential delivery system of irinotecan for the treatment of colon cancer by oral administration. The drug-loaded halloysite nanocomposites were coated with Eudragit S100 copolymer, for the targeted release of the active substance only in colon conditions. The drug entrapment efficiency was reached a satisfactory value of 84.42 ± 3.10 %, as it was found from UV-Vis Spectrophotometry. The nanocomposites were characterized for their physicochemical and morphological properties via TGA, XRD, TEM, SEM, and DLS methods. Quantum Mechanics and Classical Molecular Simulations methods were used for a deeper view on mutual interactions between individual compounds. The bacterial load of the halloysite was examined in order to support its use in pharmaceutical applications. Release studies were performed in simulated conditions of the human body, determined a minimum release of the drug under stomach conditions (0.7 % in 2 h), a low release at pH 4.5 (24.8 % total release after 2 h in pH 1.2 and 2 h in pH 4.5) followed by a rapid release after 1 h in intestinal conditions (> 90 %). Cellular studies (viability, apoptosis and hemolysis) were performed in order to prove the cytocompatibility of the samples. The drug carrier was found to be non-toxic in small concentrations, while the irinotecan-loaded halloysite exhibits higher anticancer activity than free irinotecan (45 ± 6 % and 26 ± 6 % viability at 24 h and 48 h, respectively). From Molecular Simulations was showed that halloysite can interact effectively with all the different forms of the drug, resulting a promising drug delivery system for irinotecan.

Ο αλλοϋσίτης είναι ένα αργιλικό ορυκτό της ομάδας του καολινίτη με σωληνοειδή μορφή. Λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών του, χρησιμοποιείται εκτενώς για τη συγκράτηση διαφόρων μορίων και ως εκ τούτου χρησιμοποιείται και ως έκδοχο για τη μεταφορά φαρμάκων. Ο φορτωμένος με φάρμακο αλλοϋσίτης επικαλύφθηκε με το συμπολυμερές Eudragit S100, για τη στοχευόμενη χορήγηση της δραστικής ουσίας μόνο σε συνθήκες παχέος εντέρου. Η απόδοση παγίδευσης του φαρμάκου έφτασε την ικανοποιητική τιμή του 84.42 ± 3.10 %, όπως μετρήθηκε μέσω της Σπεκτροφωτομετρίας UV-Ορατού. Τα νανοσύνθετα χαρακτηρίστηκαν για τις φυσικοχημικές τους και μορφολογικές τους ιδιότητες μέσω των μεθόδων TGA, XRD, TEM, SEM και DLS. Οι μέθοδοι της Κβαντικής Μηχανικής και της Κλασικής Μοριακής Προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκαν για την επεξήγηση των αμοιβαίων αλληλεπιδράσεων μεταξύ των επιμέρους υλικών των νανοσύνθετων. Το βακτηριακό φορτίο του αλλοϋσίτη προσδιορίστηκε ώστε να υποστηριχτεί η χρήση του υλικού σε φαρμακευτικές εφαρμογές. Μελέτες απελευθέρωσης του φαρμάκου πραγματοποιήθηκαν σε προσομοιωμένες συνθήκες του ανθρώπινου σώματος, αποδεικνύοντας ελάχιστη απελευθέρωση του φαρμάκου σε συνθήκες αντίστοιχες του στομάχου (0,7 % για 2 h), μικρή απελευθέρωση σε pH 4,5 (24,8 % συνολική απελευθέρωση έπειτα από 2 h σε pH 1,2 και 2 h σε pH 4,5) ακολουθούμενη από γρήγορη απελευθέρωση έπειτα από 1 h σε συνθήκες παχέος εντέρου (> 90 %). Κυτταρικές μελέτες (βιωσιμότητα, απόπτωση και αιμόλυση) πραγματοποιήθηκαν για την απόδειξη της κυττατοσυμβατότητας των δειγμάτων. Το έκδοχο φάνηκε να είναι μη τοξικό σε χαμηλές συγκεντρώσεις, ενώ ο φορτωμένος με ιρινοτεκάνη αλλοϋσίτης παρουσίαση υψηλότερη αντικαρκινική δράση συγκριτικά με το σκέτο φάρμακο (45 ± 6 % και 26 ± 6 % βιωσιμότητας σε 24 h και 48 h, αντίστοιχα). Από τη Μοριακή Προσομοίωση αποδείχθηκε ότι ο αλλοϋσίτης μπορεί να αλληλοεπιδρά αποτελεσματικά με όλες τις μορφές του φαρμάκου, αποτελώντας έτσι ένα υποσχόμενο σύστημα μεταφοράς της δραστικής ουσίας της ιρινοτεκάνης.