Development of the components of a controlled drug release system based on an electroresponsive hydrogel composed of carbon dots functionalized with curcumin.
Grant
Overview
Affiliation
Research
View All
Overview
abstract
A drug delivery system is one that seeks to deliver a therapeutic amount of a drug into an organism. Currently, these delivery systems are classified into conventional and modified release systems. In the conventional type, the active ingredient of the drug is delivered without any particular formulation design that allows it to target a specific site or control the rate of its release. In contrast, modified release systems possess a formulation design that allows them to control the rate of release and/or feature a configuration that facilitates the identification of a specific area for action. Thus, modified drug delivery systems offer obvious advantages over the conventional system such as a greater number of delivery alternatives, improved bioavailability and reduced secondary symptoms.Among the vehicles designed as part of modified release systems are hydrogels. These materials are formed from natural or synthetic polymeric chains that interconnect with each other, producing a material with a three-dimensional macromolecular gel-like macromolecular structure. They have the capacity to retain high water content, are biocompatible, have visco-elastic properties similar to those of human tissues and allow the encapsulation of different species such as drugs or molecules of biomedical interest. Depending on the nature of the polymer, these hydrogels may possess the ability to exhibit physicochemical changes in response to external stimuli such as changes in pH, temperature or exposure to light or electric current. The variation of the physicochemical properties of the hydrogel to external stimuli allows control over the release conditions of a drug encapsulated within the hydrogel.The use of an electric current as an external stimulus to modify the physicochemical properties of hydrogels has been important for the development of an accurate on-off drug release system. In the absence of current, the hydrogel maintains its three-dimensional structure, keeping the drug encapsulated. Isolation of the drug by its encapsulation minimizes the development of secondary symptoms. The release of the drug only occurs when an electric current undoes the interconnection of the polymeric chains, allowing the dispersion of the drug in the desired medium. By having a wide encapsulation capacity, the need to require several doses is eliminated, since the total concentration required can be included in a single system and its release can be controlled by the current flow used.Despite having control over drug release, this type of material does not offer the intrinsic possibility of tracking the final destination of the drug after it is no longer contained within the hydrogel. An alternative for monitoring release is found in the use of fluorescent probes with dimensions in the nanometer range.Carbon dots (CPs), recently discovered (2005), are nanoparticles that are part of the family of carbon-based nanostructures. These nanoparticles of quasi-spherical morphology, usually less than 10 nm in diameter, possess absorption and fluorescence properties that are located in the UV-Vis region of the electromagnetic spectrum. Carbon dots are synthesized from different organic precursors, they have colloidal stability and the addition of molecules of biomedical interest on their surface can be done by electrostatic, hydrophobic interactions or by the formation of covalent bonds.The present project seeks to develop the components of a controlled drug delivery system based on an electroresponsive hydrogel. This material will serve as an encapsulating vehicle for carbon dots whose surface will be modified with the addition of curcumin, a phenolic compound whose activity against numerous types of cancer has been reported. The financing of this project through the Seed Capital Fund will allow the acquisition of the reagents and material necessary to carry out the synthesis of the electroresponsive hydrogel and the carbon dots functionalized with curcumin. It will also finance the characterization of these materials and in vitro exploratory experiments on the cytotoxicity of these materials in breast cancer cell lines.
Un sistema de liberación de medicamentos es aquel que busca suministrar una cantidad terapéutica de un fármaco en un organismo. En la actualidad, estos sistemas de liberación se clasifican en convencionales y de liberación modificada. En los de tipo convencional, el principio activo del medicamento se suministra sin ningún tipo de diseño de formulación particular que le permita orientarse a un sitio específico o controlar la tasa de su liberación. Por el contrario, los sistemas de liberación modificada poseen un diseño de formulación que les permite controlar la velocidad de liberación y/o presentan una configuración que facilita la identificación de un área específica para su acción. Así, los sistemas de liberación de medicamentos modificados ofrecen ventajas evidentes sobre el sistema convencional tales como un mayor número de alternativas de administración, mejoramiento de biodisponibilidad y reducción de síntomas secundarios.Entre los vehículos diseñados como parte de los sistemas de liberación modificada se encuentra los hidrogeles. Estos materiales se forman a partir de cadenas poliméricas naturales o sintéticas que se interconectan entre sí, produciendo un material con estructura tridimensional macromolecular tipo gel. Tienen la capacidad de retener alto contenido de agua, son biocompatibles, poseen propiedades visco-elásticas similares a la de los tejidos humanos y permiten la encapsulación de diferentes especies tales como fármacos o moléculas de interés biomédico. Dependiendo de la naturaleza del polímero, estos hidrogeles pueden poseer la habilidad de mostrar cambios fisicoquímicos como respuesta a estímulos externos tales como cambios en pH, temperatura o exposición a luz o corriente eléctrica. La variación de las propiedades fisicoquímicas del hidrogel a los estímulos externos, permite tener control sobre las condiciones de liberación de un medicamento encapsulado dentro del hidrogel.El uso de una corriente eléctrica como estímulo externo para modificar las propiedades fisicoquímicas de hidrogeles ha sido importante para el desarrollo de un sistema preciso de liberación de medicamentos tipo “on-off”. En la ausencia de corriente, el hidrogel mantiene su estructura tridimensional, manteniendo encapsulado el medicamento. El aislamiento del medicamento por su encapsulación minimiza el desarrollo de síntomas secundarios. La liberación del medicamento sólo ocurre cuando una corriente eléctrica deshace la interconexión de las cadenas poliméricas, lo que permite la dispersión del medicamento en el medio deseado. Al tener una amplia capacidad de encapsulación, la necesidad de requerir varias dosis se elimina, ya que la concentración total requerida puede ser incluida en un solo sistema y su liberación ser controlada mediante el flujo de corriente empleado.A pesar de tener control sobre la liberación del medicamento, este tipo de material no ofrece la posibilidad intrínseca de rastrear el destino final del medicamento después de que ya no está contenido dentro del hidrogel. Una alternativa para monitorear la liberación se encuentra en el uso de sondas fluorescentes con dimensiones en el rango nanométrico.Los puntos de carbono (PC), descubiertos recientemente (2005), son nanopartículas que hacen parte de la familia de las nanoestructuras basadas en carbono. Estas nanopartículas de morfología cuasi-esférica, de diámetro usualmente inferior a 10 nm, poseen propiedades de absorción y fluorescencia que se ubican en la región correspondiente a radiaciones UV-Vis del espectro electromagnético. Los puntos de carbono se sintetizan a partir de diferentes precursores orgánicos, poseen estabilidad coloidal y la adición de moléculas de interés biomédico en su superficie se puede realizar por medio de interacciones electrostáticas, hidrofóbicas o por la formación de enlaces covalentes.El presente proyecto busca desarrollar los componentes de un sistema controlado de liberación de medicamentos basado en un hidrogel electroresponsivo. Este material servirá como vehículo encapsulador de puntos de carbono cuya superficie se modificará con la adición de curcumina, un compuesto fenólico cuya actividad contra numerosos tipos de cáncer ha sido reportada. La financiación de este proyecto mediante del Fondo Capital Semilla, permitirá la adquisición de los reactivos y material necesario para llevar a cabo las síntesis del hidrogel electroresponsivo y los puntos de carbono funcionalizados con curcumina. Así mismo, financiará la caracterización de estos materiales y experimentos explorativos in vitro de la citotoxicidad de estos materiales en líneas celulares de cáncer de seno.
