Phase transition of pH sensitive liposomes
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2020-01-21
Department
Major/Subject
Chemistry
Mcode
CHEM3023
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
54+1
Series
Abstract
Normal tissues and blood have neutral pH whereas tumors and infected areas exhibit an acidic environment. This enables the use of drug delivery systems, for which acidification triggers the drug release. Liposomes are spherical bilayer structures that can entrap hydrophilic drug molecules. The encapsulated drug can be released e.g. by light activation, heating or upon acidification. The advantages of liposomes include low toxicity and biocompatibility. pH sensitive liposomes are composed of lipids that can undergo phase transition from a bilayer to an inverted hexagonal phase. A protonatable amphiphile, such as cholesterol hemisuccinate (CHEMS), stabilizes the liposome at neutral pH. In an acidic environment CHEMS becomes protonated, which decreases the negative charge of the membrane and leads to liposomal destabilization. As a result, the lipids adopt an inverted hexagonal phase and the encapsulated drug is released. However, the challenge is to develop liposomes that remain stable under physiological conditions but undergo rapid destabilization in an acidic environment. In this thesis the phase transition of pH sensitive liposomes was studied with the fluorescence probe Laurdan. pH sensitive 1,3-diolein-CHEMS liposomes were formulated and analyzed with fluorescence spectroscopy and dynamic light scattering. Fluorescence probe Laurdan that is sensitive to the polarity of the membrane, was used to detect the phase transition. pHrodo red was utilized as an additional probe to provide information about the permeability of the membrane. The results indicated that pH sensitive liposomes became unstable below pH 6.5. Particle size increased and Laurdan emission intensity collapsed when the liposomes were prepared at low pH. Also the shape of Laurdan emission peaks changed. However, the changes were not as drastic when liposomes were prepared under neutral conditions and pH of the external solution was adjusted to lower values. pHrodo red indicated that pH sensitive formulation was more permeable towards H+ ions than the reference liposomes. It is proposed that aggregation of the liposomes occurs at low pH. The membrane becomes more permeable, which enables drug leakage from the liposome. In addition, the phase behavior changes: the possible changes include phase separation and a phase transition from a bilayer to an inverted hexagonal phase.Normaalien kudosten ja veren pH on noin 7.4, kun taas kasvaimissa ja tulehtuneissa kudoksissa on hapan pH. Tästä johtuen esimerkiksi syövän hoidossa voidaan käyttää lääkkeenkuljettajia, jotka vapauttavat lääkeaineen kontrolloidusti happamassa pH:ssa. Liposomit ovat pallomaisia, kaksikerroksisesta lipidifilmistä koostuvia rakenteita. Niiden sisään voidaan kapseloida hydrofiilisiä lääkeaineita. Lääkeaine voidaan vapauttaa liposomista säädellysti esimerkiksi valon, lämmön tai pH muutoksen avulla. Liposomit ovat kudosten kanssa yhteensopivia ja myrkyttömiä. pH herkät liposomit sisältävät lipidejä, jotka pystyvät muodostamaan käänteisen heksagonaalisen faasin. Protonoitu amfifiili, kuten kolesteroli-hemisukkinaatti (CHEMS), stabiloi liposomirakennetta neutraalissa pH:ssa. Neutraalissa pH:ssa lipidit järjestäytyvät kaksikerrosrakenteeksi. Happamassa ympäristössä CHEMS protonoituu, mikä vähentää lipidikalvon negatiivista varausta ja johtaa liposomien destabiloitumiseen. Samalla lipidit järjestäytyvät käänteiseen heksagonaaliseen faasiin ja myös lääkeaine vapautuu. Haasteena on kuitenkin kehittää liposomeja, jotka pysyvät stabiileina fysiologisissa olosuhteissa ja destabiloituvat happamassa pH:ssa. Tässä työssä tutkittiin pH herkkien liposomien faasimuutosta fluoresenssimerkkiaine Laurdanin avulla. Formuloitiin pH herkkiä 1,3-dioleiinia ja kolesteroli-hemisukkinaattia sisältäviä liposomeja. Liposomeja tutkittiin fluoresenssispektroskopialla ja dynaamisella valonsironnalla. Laurdan havaitsee lipidikaksoiskerroksen polaarisuuden muutoksia, mistä johtuen sillä voidaan tutkia lipidikalvon faasimuutosta. Toisena fluoresenssimerkkiaineena käytettiin pHrodo punaista, jonka avulla voidaan mitata solunsisäinen pH ja tutkia, kuinka hyvin protonit läpäisevät lipidikalvon. Havaittiin, että pH herkät liposomit destabiloituvat, kun pH on alle 6.5. Partikkelikoko kasvoi ja Laurdanin fluoresenssiemissiointensiteetti romahti, kun liposomit valmistettiin happamassa pH:ssa. Myös emissiopiikkien muoto muuttui. Muutokset eivät kuitenkaan olleet yhtä huomattavia, kun liposomit valmistettiin neutraalissa pH:ssa ja ulkoliuoksen pH säädettiin happamaksi. pHrodo osoitti, että pH herkkien liposomien lipidikalvo oli referenssiliposomeja läpäisevämpi H+ ioneille. Matalassa pH:ssa liposomit aggregoituvat ja membraanin läpäisevyys lisääntyy. Myös faasi muuttuu: mahdollisesti faasit erottuvat tai 1,3-dioleiinin faasi muuttuu kaksikerrosrakenteesta käänteiseen heksagonaaliseen faasiin.Description
Supervisor
Murtomäki, LasseThesis advisor
Viitala, LauriKeywords
pH sensitive liposomes, phase transition, CHEMS, 1,3-diolein, Laurdan, pHrodo red
