Farmaceutisk fysikalisk kemi

Forskargruppen Farmaceutisk fysikalisk kemi har som målsättning att klargöra sambanden mellan läkemedelsmolekylers uppbyggnad, deras fysikalisk-kemiska egenskaper och möjligheterna att styra hur de lagras i och frisätts från olika typer av partikulära läkemedelsbärare och formuleringar. Syftet är att skapa ny kunskap som gör det möjligt att utveckla nya eller förbättrade system för administrering av läkemedel, inklusive makromolekylära läkemedel såsom peptider och proteiner och lågmolekylära läkemedel såsom cancerläkemedel. Gruppens verksamhet är både experimentell och teoretisk och ligger i gränsområdet mellan fysikalisk kemi, läkemedelsformulering och materialvetenskap.

Forskningsprojekt

Innehåll:


Parenteral administrering av läkemedel 


→ Subkutan administrering av läkemedel

Upptäckten av nya läkemedelsmolekyler och innovativa terapier har lett till en snabbt växande marknad för biofarmaceutiska produkter. Utvecklingen bromsas dock av att många kategorier av nyligen tillgängliga molekyler inte lämpar sig för oral och intravenös administrering. För dessa är subkutan (SC) administrering ett viktigt alternativ. I många fall vet vi ganska lite om vad som sker med läkemedlen efter SC injicering. Utmärkande för många SC behandlingar som används idag är ofullständig och varierande biotillgänglighet av den aktiva substansen, vilket kommer sig av att många olika typer av formuleringar används och att injektionsstället, injektionsmetoderna och den fysiologiska responsen hos patienterna varierar. Vår forskning inom detta område är ett delprojekt i plattformen för parenteral administrering inom Swedish Drug Delivery Forum (SDDF). Vi utvecklar in vitro-metoder att förutsäga hur läkemedelsformuleringar beter sig efter SC administrering, och undersöker, in vitro, hur de molekyler som bygger upp den extracellulära matrisen i SC fettvävnad växelverkar med komponenterna i olika typer av formuleringar av bioterapeutiska ämnen, t.ex., polypeptider, tillväxthormon och monoklonala antikroppar.

        

Fig. 1: Subkutan administrering

→ Nya in vitro-modeller.

I det här projektet utvecklar vi och utvärderar nya in vitro-metoder att använda för att modellera hur farmaceutiska produkter beter sig efter subkutan administrering. Syftet är att förbättra den mekanistiska förståelsen av vad som händer för att underlätta utvecklingen av formuleringar som resulterar i hög biotillgänglighet av den aktiva substansen och liten variation mellan patienter. Vi är speciellt intresserade av farmaceutiska produkter som innehåller biologiska läkemedel. Genom att konstruera en fysiologiskt relevant modell av den extracellulära matrisen i human vävnad hoppas vi kunna, genom in vitro-försök, härma vad som händer med olika läkemedelsformuleringar efter administrering och förutsäga hur fort aktiva substanser frisätts och transporteras till blod och lymfkärl. Målet är att visa vilka faktorer som avgör transporten av farmaceutiska produkter i den subkutana vävnaden och läkemedels absorptionskinetik, samt ta fram metoder som kan användas in vitro under utvecklingen av nya läkemedelsformuleringar avsedda för subkutan administrering (Fig. 1).

Kontaktpersoner: Dr. Agnes Rodler (postdoc), Per Hansson (projektledare)

Fysikalisk-kemiska aspekter.

I det här projektet undersöker vi hur farmaceutiskt aktiva substanser och hjälpämnen i subkutant administrerade formuleringar växelverkar med komponenterna i den extracellulära matrisen i human fettvävnad (hypodermis). Målet är att klargöra mekanismer och grundläggande principer som kan underlätta utvecklandet av nya in vitro-metoder att modellera beteendet hos subkutant administrerade läkemedel. Syftet är att främja utvecklandet av ny formuleringar med hög biotillgänglighet av den aktiva substansen och liten variation mellan patienter. Vi är speciellt inriktade mot biologiska läkemedel. För att öka vår kunskap om de faktorer som kontrollerar frisättningshastigheten och transporten av läkemedlet till blod och lymfkärl undersöker vi hur biologiska själv-associerande läkemedel är organiserade i och växelverkar med biopolymererna i den subkutana miljön.

Kontaktpersoner: Marcus Wanselius (doktorand), Per Hansson (projektledare)

Till toppen av sidan


Självaggrerging av amfifila läkemedel


Läkemedelsmolekylers amfifila egenskaper

Många farmakologiskt aktiva substanser består av amfifila molekyler med liknande egenskaper som konventionella ytaktiva ämnen. Amfifila läkemedel finns inom flera olika klasser av läkemedel, till exempel lugnande, smärtstillande och antidepressiva medel, antibiotika, antihistaminer, lokalbedövningsmedel, antiinflammatoriska läkemedel samt läkemedel mot kancer. Molekylernas amfifila egenskaper förväntas spela en avgörande roll för farmakologisk aktivitet samt egenskaper relaterade till toxicitet och hemolys. I samband med läkemedelsformulering spelar den aktiva substansens amfifila egenskaper avgörande roll för dess förmåga att solubiliseras och verka vid läkemedelstransport och frisättning.

I detta forskningsprogram undersöker vi olika aspekter av amfifila läkemedels självaggregering i närvaro av relevanta komponenter som lipidmembran, ytaktiva ämnen, proteiner och andra biologiska makromolekyler. Strukturella egenskaper studeras huvudsakligen med olika spridningstekniker som ljusspridning, lågvinkelröntgenspridning (SAXS) och lågvinkelneutronspridning (SANS), men också kompletterande metoder som elektronmikroskopi (Fig.2).

Fig.2 : Cryo-TEM image of mixed sodium dodecyl sulfate/adiphenine hydrochloride vesicles

Kontaktpersoner: Christina Efthymiou (postdoc), Magnus Bergström (projektledare).

Läkemedelsmolekylers amfifila egenskaper och deras självaggregering i närvaro av fosfolipider

Fosfolipider, ytaktiva ämnen, proteiner och läkemedel består i regel av molekyler med både hydrofila och lipofila delar och ingår ofta som komponenter i olika system för läkemedelstransport och frisättning. Dessa molekyler har förmåga att självassociera och växelverka med andra molekyler på sätt som i regel påverkar molekylära mekanismer för transport och frisättning av läkemedel. Syftet med det här projektet är att studera växleverkan mellan olika läkemedelsmolekyler och fosfolipider samt relaterade mekanismer för självaggregering. Studien innefattar karakterisering av läkemedel-fosfolipidaggregat och strukturer (micller, liposomer, membranstrukturer etc) samt att undersöka lokalisering och påverkan av läkemedelsmolekyler på fosfolipidmembran, huvudsakligen genom att använda olika experimentella spridningstekniker.

Kontaktpersoner: Vahid Motlaq (doktorand), Magnus Bergström  (projektledare).

Till toppen av sidan


Gel för läkemedelstillförsel


→ Geler för läkemedelstransport

Elektrostatiskt laddade polymernätverk kan absorbera vatten och bilda hydrogeler som är mjuka material med intressanta mekaniska egenskaper. Inom drug delivery-området kan de användas som transportörer av olika typer av läkemedel, som till exempel små molekyler för behandling av tumörer eller stora molekyler för behandling av infektioner och genetiska sjukdomar. Mikrogeler är mikroskopiska hydrogelpartiklar som kan injiceras i kroppen eller appliceras på huden. Hydrogeler är intressanta dels för att de kan användas för att kapsla in och lagra stora mängder aktivs substans och skydda dem mot nedbrytning, och dels för att de erbjuder möjligheter att kontrollera frisättningen.

Vår forskning inom det här området är främst inriktad på grundläggande aspekter av växelverkan mellan hydrogeler och olika typer av aktiva substanser och hjälpämnen, där samspelet mellan elektrostatiska och hydrofoba krafter och polymernätverkens elasticitet är av stor betydelse. Vi undersöker komplex mellan polyelektrolytnätverk, aktiva substanser och hjälpämnen med avseende på sammansättning, mikrostruktur och stabilitet. Med hjälp av experimentella och teoretiska metoder tar vi reda på hur och varför proteiner, peptider och amfifila ämnen fördelar sig som de gör mellan hydrogeler och omgivande lösning, hur de fördelas inom en hydrogel och mellan olika hydrogeler. Vi studerar även dynamiken i systemen genom att mäta hastigheterna för bindning och frisättning samt ändringen av gelernas volym. Målet är att förstå mekanismerna bakom växelverkan mellan komponenterna för att underlätta utvecklingen av nya principer och system för kontrollerad och stimulerad frisättning, och att kunna förutsäga frisättningshastigheter från hydrogeler (Fig. 3.)

Fig.3: Den reologiska studier på hyaluronsyra gel (HA. Hydrogel).

→ Amfifila läkemedel i mikrogeler.

Amfifila molekyler är en viktig grupp av aktiva substanser som ofta ingår i cancerläkemedel, antidepressiva och antihypertensiva läkemedel. Deras egenskaper liknar vanliga micellbildande surfaktanters egenskaper men sambandet mellan den molekylära uppbyggnaden och de självassocierande egenskaperna är inte klarlagt. För att på bästa sätt kunna använda mikogeler som läkemedelsbärare undersöker vi i det här projektet de grundläggande principer som styr hur amfifila läkemedelsmolekyler binder till och frisätts från olika typer av mikrogelsnätverk. Vår ambition är dels att förklara hur läkemedelsmolekylernas och nätverkens kemiska uppbyggnad avgör mikrostrukturen och termodynamiska stabiliteten för de amfifila aggregat som bildas i mikrogelerna, och dels att förstå de mekanismer som avgör hur fort den aktiva substansen frisätts under fysiologiska betingelser. Vi har utvecklat två mikromanipulatortekniker som vi använder för att undersöka storleken och morfologin hos mikrogeler med hjälp av ett mikroskop. Med ”flödespipetten” undersöker vi enskilda mikrogeler i kontakt med en vätskor med kontrollerad flödeshastighet (Fig. 4); med ”mikrodroppen” undersöker vi enskilda mikrogeler i kontakt med en mycket liten vätskevolym utan omröring (Fig. 5). Som komplement använder vi en µDiss profiler för att bestämma bindningsisotermer och kinetiken för inbindning och frisättning i suspensioner av mikrogeler. Vi använder också spridningsmetoder for att bestämma gelernas mikrostruktur. Resultaten jämförs med teoretiska beräkningar av modeller framtagna i forskargruppen. Målet är att konstruera modeller som kan användas för att förutsäga frisättningskinetiken från mikrogeler och underlätta utvecklingen av bättre frisättningssystem för amfifila läkemedel. I samarbete med forskargruppen i biofarmaci (Prof. H. Lennernäs) undersöker vi även mikrogeler (DC bead®) som används kliniskt för parenteral administrering av det amfifila ämnet doxorubicin vid palliativ behandling av levercancer.

Fig. 4: Schematisk illustration flödespipett-experimenten. En mikrogel placeras med hjälp av en mikropipett i flödespipetten som är nedsänkt i en bulklösning.

Fig. 5: Schematisk illustration av mikrodroppe-experimenten. En mikrogel överförs från en vattenlösning till en droppe med läkemedelslösningen. Oljan förhindrar avdunstningen.

Kontaktpersoner: Yassir Al-Tikriti (doktorand), Per Hansson (projektledare)

→ Segregation i hydrogeler.

I det här projektet undersöker vi fasbeteendet för blandningar av två makrojoner bundna till samma polyelektrolythydrogel. Makrojonerna är proteiner, peptider eller surfaktantmiceller med motsatt laddning till polyelektrolytnätverket. Syftet är att undersöka om elektrostatiska interaktioner kan orsaka segregativ fasseparation av makrojonerna. Vår hypotes är att växelverkan med polyelektrolyten kan ge upphov till en nettorepulsion mellan makrojoner med olika laddningstäthet. Inledningsvis har vi undersökt blandningar av proteinet cytokrom c (nettoladdning: +7) och blandmiceller av en oladdad och en katjonisk surfaktant i negativt laddade nätverk. Segregativ fasseparation (”kärna/skal”) har observerats när molbråket av den katjoniska tensiden i micellerna är tillräckligt högt. En ökad förståelse av drivkrafterna bakom segregation och skalbildning kan hjälpa oss hitta nya strategier att kapsla in proteinläkemedel i geler och nya sätt att åstadkomma stimulerad frisättning. Det kan också öka förståelsen för drivkraften bakom proteinsortering i sekretoriska celler.

Kontaktpersoner: MSc Sana Tirgani (laboratorieassistent), Per Hansson (projektledare)

→ Mikrogeler för administrering av antimikrobiella peptider.

I det här projektet undersöker vi hur mikrogeler och nanogeler kan användas som system för frisättning av proteiner och peptidläkemedel, inklusive effekter interaktioner mellan av peptid/protein och mikrogeler, hindrad transport genom nätverken, hur polypetider lagras/frisätts och hur det påverkas av hur de är fördelade inom gelpartiklarna. Vi har nyligen fokuserat på mikrogeler som frisättningssystem för antimikrobiella och anti-inflammatoriska peptidläkemedel och på mikrogelsbaserade ytbeläggningar på inplantat för kontrollerad frisättning. Det har inkluderat metodutveckling av, bl.a., AFM studier av topologiska och mekaniska egenskaper av kraftigt svällda mikrogeler in situ, och sätt att påvisa lagring i, och frisättning av peptider från, sådana mikrogelsytbeläggningar med hjälp av konfokalmikroskopi.  Arbetet har även omfattat utveckling och implementering av nya sätt att syntetisera mikrogeler och tillverka ytbeläggningar. En betydelsefull utveckling har ägt rum inom området mikrogeler som bärare av antimikrobiella och anti-inflammatoriska peptieder (Fig. 6), där vi tillämpat nya biologiska metoder för utvärderingar av frisättningssystemens prestanda, inklusive modeller för intracellulära bakterieinfektioner (i synnerhet tuberkulos).

Fig. 6: Membraninteraktioner för mikrogeler som bärare av antimikrobiella peptider.

Kontaktpersoner: Lina Nyström (doktorand), Randi Nordström (doktorand), Martin Malmsten (projektledare)

Till toppen av sidan