Effect of Polymer Architecture on the Structural and Biophysical Properties of PEG-PLA Nanoparticles

Polymers made of poly(ethylene glycol) chains grafted to poly(lactic acid) chains (PEG-g-PLA) were used to produce stealth drug nanocarriers. A library of comb-like PEG-g-PLA polymers with different PEG grafting densities was prepared in order to obtain nanocarriers with dense PEG brushes at their surface, stability in suspension, and resistance to protein adsorption. The structural properties of nanoparticles (NPs) produced from these polymers by a surfactant-free method were assessed by DLS, zeta potential, and TEM and were found to be controlled by the amount of PEG present in the polymers. A critical transition from a solid NP structure to a soft particle with either a “micelle-like” or “polymer nano-aggregate” structure was observed when the PEG content was between 15 to 25% w/w. This structural transition was found to have a profound impact on the size of the NPs, their surface charge, their stability in suspension in presence of salts as well as on the binding of proteins to the surface of the NPs. The arrangement of the PEG-g-PLA chains at the surface of the NPs was investigated by 1H NMR and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). NMR results confirmed that the PEG chains were mostly segregated at the NP surface. Moreover, XPS and quantitative NMR allowed quantifying the PEG chain coverage density at the surface of the solid NPs. Concordance of the results between the two methods was found to be remarkable. Physical-chemical properties of the NPs such as resistance to aggregation in saline environment as well as anti-fouling efficacy were related to the PEG surface density and ultimately to polymer architecture. Resistance to protein adsorption was assessed by isothermal titration calorimetry (ITC) using lysozyme. The results indicate a correlation between PEG surface coverage and level of protein interactions. The results obtained lead us to propose such PEG-g-PLA polymers for nanomedecine development as an alternative to the predominant polyester-PEG diblock polymers.

Development and characterization of polymeric nanoparticles(NPs) made from functionalized poly (D,L- lactide) (PLA)polymers

Les nanoparticules polymériques biodégradable (NPs) sont apparues ces dernières années comme des systèmes prometteurs pour le ciblage et la libération contrôlée de médicaments. La première partie de cette étude visait à développer des NPs biodégradables préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de l’acide lactique (poly (D,L)lactide ou PLA). Les polymères ont été étudiés comme systèmes de libération de médicaments dans le but d'améliorer les performances des NPs de PLA conventionnelles. L'effet de la fonctionnalisation du PLA par insertion de groupements chimiques dans la chaîne du polymère sur les propriétés physico-chimiques des NPs a été étudié. En outre, l'effet de l'architecture du polymère (mode d'organisation des chaînes de polymère dans le copolymère obtenu) sur divers aspects de l’administration de médicament a également été étudié. Pour atteindre ces objectifs, divers copolymères à base de PLA ont été synthétisés. Plus précisément il s’agit de 1) copolymères du poly (éthylène glycol) (PEG) greffées sur la chaîne de PLA à 2.5% et 7% mol. / mol. de monomères d'acide lactique (PEG2.5%-g-PLA et PEG7%-g-PLA, respectivement), 2) des groupements d’acide palmitique greffés sur le squelette de PLA à une densité de greffage de 2,5% (palmitique acid2.5%-g-PLA), 3) de copolymère « multibloc » de PLA et de PEG, (PLA-PEG-PLA)n. Dans la deuxième partie, l'effet des différentes densités de greffage sur les propriétés des NPs de PEG-g-PLA (propriétés physico-chimiques et biologiques) a été étudié pour déterminer la densité optimale de greffage PEG nécessaire pour développer la furtivité (« long circulating NPs »). Enfin, les copolymères de PLA fonctionnalisé avec du PEG ayant montré les résultats les plus satisfaisants en regard des divers aspects d’administration de médicaments, (tels que taille et de distribution de taille, charge de surface, chargement de drogue, libération contrôlée de médicaments) ont été sélectionnés pour l'encapsulation de l'itraconazole (ITZ). Le but est dans ce cas d’améliorer sa solubilité dans l'eau, sa biodisponibilité et donc son activité antifongique. Les NPs ont d'abord été préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de PLA, puis ensuite analysés pour leurs paramètres physico-chimiques majeurs tels que l'efficacité d'encapsulation, la taille et distribution de taille, la charge de surface, les propriétés thermiques, la chimie de surface, le pourcentage de poly (alcool vinylique) (PVA) adsorbé à la surface, et le profil de libération de médicament. L'analyse de la chimie de surface par la spectroscopie de photoélectrons rayon X (XPS) et la microscopie à force atomique (AFM) ont été utilisés pour étudier l'organisation des chaînes de copolymère dans la formulation des NPs. De manière générale, les copolymères de PLA fonctionnalisés avec le PEG ont montré une amélioration du comportement de libération de médicaments en termes de taille et distribution de taille étroite, d’amélioration de l'efficacité de chargement, de diminution de l'adsorption des protéines plasmatiques sur leurs surfaces, de diminution de l’internalisation par les cellules de type macrophages, et enfin une meilleure activité antifongique des NPs chargées avec ITZ. En ce qui concerne l'analyse de la chimie de surface, l'imagerie de phase en AFM et les résultats de l’XPS ont montré la possibilité de la présence de davantage de chaînes de PEG à la surface des NPs faites de PEG-g-PLA que de NPS faites à partie de (PLA-PEG-PLA)n. Nos résultats démontrent que les propriétés des NPs peuvent être modifiées à la fois par le choix approprié de la composition en polymère mais aussi par l'architecture de ceux-ci. Les résultats suggèrent également que les copolymères de PEG-g-PLA pourraient être utilisés efficacement pour préparer des transporteurs nanométriques améliorant les propriétés de certains médicaments,notamment la solubilité, la stabilité et la biodisponibilité.

New grafted PLA-g-PEG polymeric nanoparticles used to improve bioavailability of oral drugs.

Les nanoparticules (NPs) de polymère ont montré des résultats prometteurs pour leur utilisation comme système de transport de médicaments pour une libération contrôlée du médicament, ainsi que pour du ciblage. La biodisponibilité des médicaments administrés oralement pourrait être limitée par un processus de sécrétion intestinale, qui pourrait par la suite être concilié par la glycoprotéine P (P-gp). La dispersion de la Famotidine (modèle de médicament) à l’intérieur des nanoparticules (NPs) pegylées a été évaluée afin d’augmenter la biodisponibilité avec du polyéthylène glycol (PEG), qui est connu comme un inhibiteur de P-gp. L’hypothèse de cette étude est que l’encapsulation de la Famotidine (un substrat de P-gp) à l’intérieur des NPs préparées à partir de PEG-g-PLA pourrait inhiber la fonction P-gp. La première partie de cette étude avait pour but de synthétiser quatre copolymères de PEG greffés sur un acide polylactide (PLA) et sur un squelette de polymère (PLA-g-PEG), avec des ratios de 1% et 5% (ratio molaire de PEG vs acide lactique monomère) de soit 750, soit 2000 Da de masse moléculaire. Ces polymères ont été employés afin de préparer des NPs chargés de Famotidine qui possède une faible perméabilité et une solubilité aqueuse relativement basse. Les NPs préparées ont été analysées pour leur principaux paramètres physicochimiques tels que la taille et la distribution de la taille, la charge de surface (Potentiel Zeta), la morphologie, l’efficacité d’encapsulation, le pourcentage résiduel en alcool polyvinylique (PVA) adsorbé à la surface des NPs, les propriétés thermiques, la structure cristalline et la libération du médicament. De même, les formules de NPs ont été testées in vitro sur des cellules CaCo-2 afin dʼévaluer la perméabilité bidirectionnelle de la Famotidine. Généralement, les NPs préparées à partir de polymères greffés PLA-g-5%PEG ont montré une augmentation de la perméabilité du médicament, ce par l’inhibition de l’efflux de P-gp de la Famotidine dans le modèle CaCo-2 in vitro. Les résultats ont montré une baisse significative de la sécrétion de la Famotidine de la membrane basolatéral à apical lorsque la Famotidine était encapsulée dans des NPs préparées à partir de greffes de 5% PEG de 750 ou 2000 Da, de même que pour d’autres combinaisons de mélanges physiques contenant du PEG5%. La deuxième partie de cette étude est à propos de ces NPs chargées qui démontrent des résultats prometteurs en termes de perméabilité et d’inhibition d’efflux de P-gp, et qui ont été choises pour développer une forme orale solide. La granulation sèche a été employée pour densifier les NPs, afin de développer des comprimés des deux formules sélectionnées de NPs. Les comprimés à base de NPs ont démontré un temps de désintégration rapide (moins d’une minute) et une libération similaire à la Famotidine trouvée sur le marché. Les résultats de l’étude du transport de comprimés à base de NPs étaient cohérents avec les résultats des formules de NPs en termes d’inhibition de P-gp, ce qui explique pourquoi le processus de fabrication du comprimé n’a pas eu d’effet sur les NPs. Mis ensemble, ces résultats montrent que l’encapsulation dans une NP de polymère pegylé pourrait être une stratégie prometteuse pour l’amélioration de la biodisponibilité des substrats de P-gp.

Zidovudine-Loaded PLA and PLA-PEG Blend Nanoparticles: Influence of Polymer Type on Phagocytic Uptake by Polymorphonuclear Cells

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Intranasal delivery of zidovudine by PLA and PLA-PEG blend nanoparticles

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Desenvolvimento de nanopartículas de PLA e PLA-PEG para administração intranasal de zidovudina

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Lamellarin D bioconjugates I: synthesis and cellular internalization of PEG-derivatives

Herein is reported the design and synthesis of poly(ethylene glycol) derivatives of Lamellarin D with the aim of modulating their physicochemical properties, and improving the biological activity. Mono-, di- and tri-PEG conjugates with improved solubility were obtained in 18-57% overall yields from the corresponding partially protected phenolic derivatives of Lamellarin D. Conjugates 1-9 were tested in a panel of three human tumor cell lines (MDA-MB-231 breast, A-549 lung and HT-29 colon) to evaluate their cytotoxicity. Several compounds exhibited enhanced cellular internalization, and more than 85% of the derivatives showed a lower GI50 than Lam-D. Furthermore, cell cycle arrest at G2 phase, and apoptotic cell-death pathways were determined for Lamellarin D and these derivatives.

Lamellarin D bioconjugates I: synthesis and cellular internalization of PEG-derivatives

Herein is reported the design and synthesis of poly(ethylene glycol) derivatives of Lamellarin D with the aim of modulating their physicochemical properties, and improving the biological activity. Mono-, di- and tri-PEG conjugates with improved solubility were obtained in 18-57% overall yields from the corresponding partially protected phenolic derivatives of Lamellarin D. Conjugates 1-9 were tested in a panel of three human tumor cell lines (MDA-MB-231 breast, A-549 lung and HT-29 colon) to evaluate their cytotoxicity. Several compounds exhibited enhanced cellular internalization, and more than 85% of the derivatives showed a lower GI50 than Lam-D. Furthermore, cell cycle arrest at G2 phase, and apoptotic cell-death pathways were determined for Lamellarin D and these derivatives.

Comparison between apo and complexed structures of bothropstoxin-I reveals the role of Lys122 and Ca2+-binding loop region for the catalytically inactive Lys49-PLA(2)s

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Thermal properties of amphiphilic biodegradable triblock copolymer of l,l-lactide and ethylene glycol

Samples of poly(l,l-lactide)-block-poly(ethylene glycol)-block-poly(l,l-lactide) (PLLA-PEG-PLLA) were synthesized from l,l-lactide polymerization using stannous 2-ethylhexanoate, Sn(Oct)(2) as initiator and di-hydroxy-terminated poly(ethylene glycol) (PEG) (M (n) = 4000 g mol(-1)) as co-initiator. The chemical linkage between the PEG segment and the PLA segments was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Thermogravimetry analysis (TG) revealed the copolymers composition and was capable to show the deleterious effect of an excess of Sn(Oct)(2) in the polymer thermal stability, while Differential Scanning Calorimetry (DSC) allowed the observation of the miscibility between the PLLA and PEG segments in the different copolymers.

Biodegradable nanosize particles of poly(L,L-lactide)-b-poly(ethylene glycol)-b-poly(L,L-lactide)

Two series of poly(L,L-lactide-b-ethylene glycol-b-L,L-lactide) copolymers, PLA-PEO-PLA, were synthesized by polymerization Of L,L-lactide using a dihydroxy-terminated poly(ethylene glycol) (PEG) (M-n = 4000 or 600 g/mol) as coinitiator and stannous 2-ethylhexanoate, Sn(Oct)(2), as initiator. The synthesized copolymers have shown high stereoregularity as observed by C-13 NMR analyses. The nanoparticles were prepared by using a solvent diffusion method and the self-assemblage process and were characterized by NMR and SEM. It was possible to conclude that the self-assembled particles presented a core-shell structure characterized by a hydrophobic PLA core and a hydrophilic PEG shell, thus the NMR of the aqueous solutions indicated a quasi-solid behavior for the particles` interior. The diameters of the spherical particles as observed by SEM were in the 50-250 nm range, depending on the copolymer composition and the preparation procedure.

Continuous extraction of alpha-toxin from a fermented broth of Clostridium perfringens Type A in perforated rotating disc contactor using aqueous two-phase PEG-phosphate system

A 2(3-1) factorial experimental design was used to evaluate the performance of a perforated rotating disc contactor to extract alpha-toxin from the fermented broth of Clostridium perfringens Type A by aqueous two-phase system of polyethylene glycol-phosphate salts. The influence of three independent variables, specifically the dispersed phase flowrate, the continuous phase flowrate and the disc rotational speed, was investigated on the hold up, the mass transfer coefficient, the separation efficiency and the purification factor, taken as the response variables. The optimum dispersed phase flowrate was 3.0 mL/min for all these responses. Besides, maximum values of hold up (0.80), separation efficiency (0. 10) and purification factor (2.4) were obtained at this flowrate using the lowest disc rotational speed (35 rpm), while the optimum mass transfer coefficient (0. 165 h(-1)) was achieved at the highest agitation level (140 rpm). The results of this study demonstrated that the dispersed phase flowrate strongly influenced the performance of PRDC, in that both the mass transfer coefficient and hold up increased with this parameter. (c) 2007 Elsevier B. V. All rights reserved.

Liquid-liquid extraction of proteases from fermented broth by PEG/citrate aqueous two-phase system

This work deals with the use of an aqueous two-phase system (ATPS) of PEG/citrate to remove proteases from a Clostridium perfringens fermentation broth. To plan the experimental tests and evaluate the corresponding results, three successive experimental designs were employed, for which the PEG molar mass (M-PEG) and concentration (C-PEG), the citrate concentration (C-C) and the pH were selected as independent variables, while the purification factor (PF), the partition coefficient (K), the activity yield (Y) and the selectivity (S) were selected as responses. PF of proteases in the top phase was shown to increase with increasing MPEG and decreasing Cc, whereas a completely opposite trend was observed for K. On the other hand, Y was favored by simultaneous decreases in both these variables, while S decreased with increasing Cc. Therefore, selecting a simultaneous increase in PF and Y as the most desirable result, the best performance of the system was obtained using M-PEG = 10-000 g/mol C-PEG = 22% (w/w) and C-c = 8.0% (w/w) at pH 8.5. Under these conditions, the activity yield was very high (131 %) but the purification factor (4.2) and the selectivity (4.3) were lower than those ensured by more selective purification methods. According to these results, the ATPS seems to be an interesting alternative primary concentration/decontamination step for vaccine preparation from C. perfringens fermented broth. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Purification of alpha-toxin from Clostridium perfringens type A in PEG-phosphate aqueous two-phase systems: a factorial study

BACKGROUND: Purification of a-toxin produced by Clostridium perfringens type A in aqueous two-phase systems (ATPS) was studied with a full two-level factorial design on two factors (concentrations of 8000 g mol(-1) PEG and phosphate salt at pH 8.0), to estimate the influence of these factors on the purification results. RESULTS: The partition coefficient (K), purification factor (PF) and activity yield (Y) were strongly influenced by the PEG and phosphate concentrations. Raising the levels of the two factors increased these responses. The highest purification factor (5.7) was obtained with PEG and phosphate concentrations of 17.5% and 15%, respectively. CONCLUSION: These results support the proposal that polymer excluded volume and hydrophobic interactions are the factors that drive the alpha-toxin in PEG/phosphate aqueous two-phase systems. (c) 2008 Society of Chemical Industry

Preparation and characterization of D, L-PLA loaded 17-beta-Estradiol valerate by emulsion/evaporation methods

PLA microparticles containing 17-beta-estradiol valerate were prepared by an emulsion/evaporation method in order to sustain drug release. This system was characterized concerning particle size, particle morphology and the influence of formulation and processing parameters on drug encapsulation and in vitro drug release. The biodegradation of the microparticles was observed by tissue histological analysis. Scanning electron microscopy and particle size analysis showed that the microparticles were spherical, presenting non-aggregated homogeneous surface and had diameters in the range of 718-880 nm (inert microparticles) and 3-4 mu m (drug loaded microparticles). The encapsulation efficiency was similar to 80%. Hormone released from microparticles was sustained. An in vivo degradation experiment confirmed that microparticles are biodegradable. The preparation method was shown to be suitable, since the morphological characteristics and efficiency yield were satisfactory. Thus, the method of developed microparticles seems to be a promising system for sustained release of 17-beta-estradiol.