Was ist bei der Auswahl eines Phospholipids zu beachten?

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Phasenübergangstemperatur

Die Phasenübergangstemperatur ist definiert als die Temperatur, die erforderlich ist, um eine Änderung des physikalischen Zustands von Lipiden von einer geordneten Gelphase in eine ungeordnete Flüssigkristallphase herbeizuführen, in der die Kohlenwasserstoffketten vollständig ausgedehnt und dicht gepackt sind und in der die Kohlenwasserstoffketten zufällig ausgerichtet sind und mobil [1,2]. Mehrere Faktoren wirken sich direkt auf die Phasenübergangstemperatur aus, darunter die Länge der Kohlenwasserstoffkette, der Grad der Ungesättigtheit, die Ladung und die Kopfgruppenspezies. Mit zunehmender Länge der Kohlenwasserstoffkette werden die Van-der-Waals-Wechselwirkungen stärker, was mehr Energie erfordert, um die geordnete Packung aufzubrechen, und somit steigt die Phasenübergangstemperatur. Ebenso führt die Einführung einer Doppelbindung in die Acylgruppe zum Knicken der Kette, was bei niedrigeren Temperaturen zu einer geordneten Packungsanordnung führt.

Die Kontrolle der Übergangstemperatur von Lipiden kann bei der Entwicklung neuer Produkte, Prozesse oder Methoden nützlich sein. Wenn Sie ein Lipid mit einer hohen Phasenübergangstemperatur wählen, befinden sich die Lipidvesikel immer in der Gelphase und werden nicht auslaufen. Wenn dagegen die Phasenübergangstemperatur des Lipids zwischen der Starttemperatur und der Endtemperatur des Systems liegt, werden die Vesikel leicht undicht, wenn das Lipid einen Phasenübergang durchläuft, und die eingekapselten Substanzen können freigesetzt werden. Darüber hinaus sollte auch berücksichtigt werden, wie sich die Übergangstemperatur des Lipids auf die Verarbeitungsschritte auswirkt. Wenn eine Filtration erforderlich ist, kann die Verwendung von Lipiden mit einer hohen Phasenübergangstemperatur einige technische Probleme mit sich bringen.

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Stabilität

Die Langzeitstabilität oder Haltbarkeit lipidhaltiger Arzneimittel kann durch die Art des Lipids in der Formulierung erheblich beeinflusst werden. Im Allgemeinen gilt: Je höher der Ungesättigtheitsgrad der Verbindung, desto anfälliger ist das Produkt für Oxidation und desto kürzer ist die Haltbarkeitsdauer des Produkts. Lipide biologischen Ursprungs (z. B. Eier, Rinder oder Sojabohnen) enthalten typischerweise große Mengen mehrfach ungesättigter Fettsäuren, die weniger intrinsisch stabil sind als gesättigte Fettsäuren. Während gesättigte Lipide gegenüber Oxidation stabiler sind, weisen sie auch eine viel höhere Phasenübergangstemperatur auf, was zu zusätzlichen Schwierigkeiten bei der Formulierung führt. Wenn eine Ungesättigtheit der Fettsäuren erforderlich ist, verwenden Sie nach Möglichkeit niedrigere ungesättigte Fettsäuren. In den meisten Fällen reicht Ölsäure (18:1, cis D9) für die Ungesättigtheit aus und ist, da Ölsäure einfach ungesättigt ist, viel stabiler als mehrfach ungesättigte Fettsäuren.

Stabilitätsprobleme aufgrund des hydrolytischen Abbaus sind ein häufiges Problem bei Lipidprodukten. Wässrige Formulierungen pharmazeutischer Produkte sind häufig weniger stabil, da die Anwesenheit großer Wassermengen zu einem schnellen hydrolytischen Abbau von Lipidformulierungen führen kann [3,4,5]. Diese Hydrolyse hängt von mehreren Faktoren ab, darunter pH-Wert [3], Temperatur [3,5], Puffersubstanzen [5], Ionenstärke, Acylkettenlänge, Phospholipid-Kopfgruppen [4] und Aggregatzustand [4]. Zur Diskussion und Zusammenfassung dieser Faktoren kann auch auf andere Literatur verwiesen werden [6]. Es hat sich gezeigt, dass diese Hydrolyse auf das Eindringen von Wasser in die Membran zurückzuführen sein könnte. Simon und McIntosh [7] bestimmten die Eindringtiefe von Wasser in Membranen aus Phosphatidylethanolamin (PE) und Phosphatidylethanolamin (PE)/Cholesterin durch Röntgenbeugung und spezifische Kapazitätsmessungen. Bei PE-Membranen dringt Wasser tiefer in die Nähe der Carbonyle ein, während bei cholesterinhaltigen PE-Membranen das Wasser nur bis zum Glycerinrückgrat durchdringt. Dies legt nahe, dass Cholesterin eine Rolle bei der Stabilisierung der Lipidmembranhydrolyse spielen kann.

Die Stabilität von Membranen ist seit vielen Jahren Gegenstand der Forschung. Das Hauptziel dieser Studie bestand darin, intakte Liposomen in Trockenpulverform zu stabilisieren, damit sie bei der Rekonstitution ihren eingefangenen Inhalt behalten. In jüngerer Zeit wurden Lipidformulierungen mit Kohlenhydraten stabilisiert [8,9]. Ein möglicher Grund für die stabilisierende Wirkung von Kohlenhydraten auf Lipidmembranen besteht darin, dass Kohlenhydrate in die Kopfregion nahe der Grenzfläche zwischen Membran und Wasser eindringen und Wasser aus dieser Region ausstoßen können. In trockenen Lipidformulierungen trägt dies dazu bei, die „hydratisierte" Haut aufrechtzuerhalten. Lipidfilm und bewahren die Integrität der liposomalen Struktur. Wenn dies zutrifft, können auch in einer wässrigen Umgebung Kohlenhydrate in diesen Bereich gelangen und Wasser verdrängen. Dadurch wird die Membran tendenziell gegen ihre Hydrolyse stabilisiert.

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Aufladung

Die Oberfläche vieler biologischer Membranen weist eine negative Nettoladung auf, die normalerweise durch anionische Phospholipide verliehen wird. Die wichtigsten natürlichen anionischen Phospholipide sind Phosphatidylserin (PS), Phosphatidylinositol (PI), Phosphatidsäure (PA) und Cardiolipin. Einige Bakterien enthalten auch Phosphatidylglycerin (PG). Ladungen können Membranen spezifische Funktionen verleihen. Beispielsweise erfordern mehrere Schritte der Gerinnungskaskade Lipidmembranen. Für den Aufbau von Proteinaggregaten auf Blutplättchenoberflächen ist eine negativ geladene Membranoberfläche erforderlich. Die Umwandlung von Prothrombin in Thrombin erfordert nicht nur eine negativ geladene Oberfläche, sondern stellt auch bestimmte spezifische Anforderungen an Lipide, beschränkt auf Phosphatidylserin (PS) und Phosphatidsäure (PA) [10]. Obwohl das Gerinnungsprotein an PG oder PI genauso stark bindet wie an PS oder PA, ist die Aktivität viel geringer. Daher müssen in einigen Systemen nicht nur die Ladungsanforderungen erfüllt werden, sondern auch bestimmte Lipide erforderlich sein.

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Lipidmischung

In vielen Fällen erzeugt ein einzelner Lipidtyp nicht die physikalisch-chemischen Eigenschaften, die für ein bestimmtes System erforderlich sind, oder ahmt das natürliche System, das er ersetzen oder nachbilden soll, nicht angemessen nach. Betrachten Sie für diese Fragen komplexe Lipidmischungen, die aus zwei oder mehr Lipiden bestehen und darauf ausgelegt sind, bestimmte Ladungsverhältnisse, Ungesättigtheitsgrade, Phasenübergangstemperaturen oder biologische Funktionen zu erzeugen oder zu reproduzieren. Um die Funktion natürlicher Hirngewebeextrakte zu reproduzieren, wurde festgestellt, dass das synthetische Lipid PE:PS:PC-Verhältnis von 5:3:2 (Gew.-%) zufriedenstellende Ergebnisse erzielen kann [11] – dieses Ergebnis weist auch eine übliche Phospholipidzusammensetzung auf die meisten Gehirngewebe. Darüber hinaus werden viele kommerziell erhältliche Gerinnungsreagenzien, die früher rohe Gehirnextrakte enthielten, durch synthetische Lipidmischungen ersetzt. Diese alternative Mischung hat mehrere Vorteile: verbesserte Stabilität aufgrund des Fehlens mehrfach ungesättigter Fettsäuren in biologischen Extrakten; Darüber hinaus wird auch die Reproduzierbarkeit von Lipidmischungen verbessert. Auch das Mischen verschiedener Lipidarten erfordert keinen großen Aufwand bei der Probenvorbereitung. Wenn die Menge an Lipidreagenz ausreichend ist, mischt der Lipidlieferant gemäß den Vorgaben des Anwenders vor und stellt ein gebrauchsfertiges Produkt bereit.

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Cholesterin

Cholesterin ist eine Membrankomponente, die in biologischen Systemen weit verbreitet ist und eine einzigartige Rolle bei der Regulierung der Membranflüssigkeit, -elastizität und -permeabilität spielt. Wenn das Protein in die Membran eingebettet ist, füllt es die Lücken, die durch die unvollständige Anordnung anderer Lipidarten entstehen. Cholesterin spielt in Modellmembranen im Wesentlichen die gleiche Rolle. Leider kann Cholesterin bei der Verwendung in der Humanmedizin gewisse Probleme bereiten. Für den klinischen Einsatz geeignete Quellen für hochreines Cholesterin sind nicht allgemein verfügbar. Das meiste im Handel erhältliche Cholesterin wird aus Eiern oder Lanolin (vom Schaf) gewonnen. Aufgrund einer möglichen Viruskontamination sind diese tierischen Quellen möglicherweise nicht für die Verwendung in der Humanmedizin geeignet. Darüber hinaus wird Cholesterin leicht oxidiert, was Stabilitätsprobleme für lipidbasierte Arzneimittelprodukte mit sich bringt [12]. Einige dieser Oxidationsnebenprodukte neigen dazu, in biologischen Systemen ziemlich giftig zu sein. Oxidationsprodukte sind 25-Hydroxycholesterin, 7-Carbonylcholesterin, 7a- und 7β-Hydroxycholesterin, Cholestan-3β, 5a, 6β-Triole sowie 5- und 7-Hydroperoxide [13]. Dies deutet darauf hin, dass die Ergebnisse von Atherosklerosestudien aufgrund des wahrscheinlichen Vorhandenseins großer Mengen oxidierter Sterole möglicherweise nicht eindeutig sind.

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Quelle

Phospholipide stammen aus zwei grundlegenden Quellen: chemische Synthese und Extraktion tierischen Gewebes. Aus tierischen Geweben gewonnene Phospholipide stammen normalerweise aus Eiern oder Rindern. Für klinische Anwendungen sind solche tierischen Phospholipide aufgrund von Stabilitätsproblemen und der Möglichkeit einer Virus- oder Proteinkontamination nicht geeignet. Die US-amerikanische Lebensmittel- und Arzneimittelbehörde hat ein Bulletin herausgegeben, das die Herkunft von Rindergewebe auf Länder und Tiere beschränkt, die als frei von „Rinderwahnsinn" zertifiziert wurden. (BSE, bovine spongiforme Enzephalopathie). US-Rinder sind nicht als BSE-frei zertifiziert und können nicht zur Herstellung von Arzneimitteln verwendet werden. Die Herkunft von Eiern ist derzeit nicht eingeschränkt, für pharmazeutische Produkte sind jedoch möglicherweise zusätzliche Tests auf Viruskontamination erforderlich. Ungeachtet der regulatorischen Probleme haben aus tierischem Gewebe gewonnene Phospholipide ihren Vorteil gegenüber synthetischen Phospholipiden verloren. Darüber hinaus sind sie aufgrund des Vorhandenseins mehrfach ungesättigter Fettsäuren von Natur aus weniger stabil. Darüber hinaus unterscheiden sich die Produktionskosten synthetischer Phospholipide in den meisten Fällen nicht wesentlich von denen von Phospholipiden aus tierischem Gewebe oder sind sogar niedriger.

Zudem sind synthetische Lipide aufgrund unterschiedlicher Rohstoffquellen nicht unbedingt völlig gleichwertig. Synthetische Lipide können aus Glycerin oder Glycerin-3-Phosphocholin (GPC) hergestellt werden. Im letzteren Fall werden GPCs manchmal als halbsynthetische Phospholipide bezeichnet, da sie aus Pflanzen oder Tieren stammen. Von Glycerin abgeleitete Phospholipide erfordern synthetische chirale Zentren, was zu chiralen isomeren Verunreinigungen im Endprodukt führen kann. Lipide, die mit GPC tierischen Ursprungs hergestellt werden, können unter den gleichen Virus- und Proteinkontaminationsproblemen wie oben leiden, obwohl eine typische pflanzliche GPC-Quelle Sojalecithin ist, das natürlich auch chemisch synthetisiert werden kann.

Verweise:

1. Small, DM, Handbook of Lipid Research: The Physical Chemistry of Lipids, From Alkanes to Phospholipids, Bd. 4, Plenum Press, New York, 1986.

2. Ellens, H., Bentz, J. und Szoka, FC, Destabilisierung von Phosphatidylethanolamin-Liposomen bei der hexagonalen Phasenübergangstemperatur, Biochemistry, 25, 285, 1986.

3. Frrkjaer, S., Hjorth, EL, und Wrrts, O., Stabilität und Lagerung von Liposomen, in Optimization of Drug Delivery, Bundgaard, H., Bagger Hansen, A. und Kofod, H., Hrsg., Munksgaard , Kopenhagen, 1982, 384.

4. Kensil, CR und Dennis, EA, Alkalische Hydrolyse von Phospholipiden in Modellmembranen und die Abhängigkeit von ihrem Aggregatzustand, Biochemistry, 20, 6079, 1981.

5. Grit, M., de Smidt, JH, Struijke, A. und Crommelin, DJA, Hydrolyse von Phosphatidylcholin in wässrigen Liposomendispersionen, Int. J. Pharm., 50, 1, 1989.

6. Grit, M., Zuidam, NJ, und Crommelin, DJA, Analyse und Hydrolysekinetik von Phospholipiden in wässrigen Liposomendispersionen, in „Liposomentechnologie: Liposomenvorbereitung und verwandte Techniken", Bd. 1, 2. Auflage, Gregoriadis, G., Ed., CRC Press, Ann Arbor, 1993, 527.

7. Simon, SA und McIntosh, TJ, Tiefe der Wasserpenetration in Lipiddoppelschichten, Meth. Enzymol., 127, 511, 1986.

8. Crowe, JH und Crowe, LM, Faktoren, die die Stabilität trockener Liposomen beeinflussen, Biochim. Biophys. Acta, 939, 327, 1988.

9. Crowe, JH, Crowe, LM, Carpenter, JF und Aurell Winstrom, C., Stabilisierung trockener Phospholipid-Doppelschichten und Proteine ​​durch Zucker, Biochem. J., 242, 1 1987.

10. Jones, ME, Lentz, BR, Dombrose, FA und Sandberg, H., Vergleich der Fähigkeiten synthetischer und aus Blutplättchen gewonnener Membranen zur Verbesserung der Thrombinbildung, Thromb. Res., 39, 711, 1985.

11. van den Besselaar, AMHP, Neuteboom, J. und Bertina, RM, Wirkung synthetischer Phospholipide auf die Reaktion der aktivierten partiellen Thromboplastinzeit auf Heparin, Blutgerinnung. Fibrinol., 4, 895, 1993.

12. Smith, LL, Cholesterol Autoxidation, Plenum Press, New York, 1981.

13. Taylor, CB, Peng, SK, Werthesen, NT, Than, P. und Lee, KT, spontan auftretende antitoxische Derivate von Cholesterin, Am. J. Clin. Nutri., 32, 40, 1979.

Dieser Artikel wurde übersetzt aus Burgess, SW, Moore, JD, und Shaw, WA, Handbook of Nonmedical Applications of Liposome: From Design to Microreactors, Bd. 3, Y. Barenholz & D. Lasic, Hrsg., CRC Press, Ann Arbor, 1996, 5.