شیمی دان زیرک

نانوکریستال‏ های دارویی

امروزه بسیاری از داروها به دلیل انحلال کم در حلال ‏های مایی و غیر مایی، در مراحل اولیه‏ی تحقیقات کنار گذاشته می ‏شوند. یک راه مناسب برای رفع این مشکل استفاده از نانوکریستال ‏ها است که قابلیت استفاده در صنعت و آزمایشگاه را دارند. برای تولید این ساختارها روش‏هایی مانند بکارگیری هموژنایزر با فشار بالا یا استفاده از سایش و همچنین روش رسوبی وجود دارد. این ساختارها تاکنون توانسته‏اند به خوبی جایگاه خود را در بازار و تحقیقات دارویی پیدا کنند و نمونه‏ های موفقی از فرمولاسیون را در سطح دنیا معرفی نمایند. ساده تر بودن ساخت و نیز عوارض کمتر از ویژگی‏های اصلی این نانوساختارها است که دلیل عمده ‏ی آن، عدم نیاز به فرمولاسیون‏ های پیچیده برای وارد کردن دارو در ساختار نانو و حفظ پایداری محصول می‏ باشد.

در طی دهه ‏های گذشته با کمک شیمی و کامپیوتر طراحی ‏های زیادی برای ساختارهای دارویی انجام شده است هر چند، حدود 60% از این ساختارها در آب کم‏ محلول هستند. فرموله کردن این ساختارها از مشکلات اساسی محققان داروسازی است زیرا این دسته از ترکیبات، به دلیل سرعت انحلال و پخش شدن آهسته، فراهمی زیستی و جذب کمی خواهند داشت [1]. برای جذب خوراکی، داروها باید بتوانند شیب غلظتی مناسبی را بین محیط گوارشی و جریان خون ایجاد نمایند. اما در مورد داروهای کم محلول این شیب غلظتی اندک و در نتیجه جذب نیز کم می‏ شود. در راه‏ های غیر خوراکی نیز، اگر دارو کم‏ محلول باشد به خوبی در محل تزریق حل نمی ‏شود و در نتیجه نمی‏ توان سطح مناسبی از دارو را در خون ایجاد نمود. برای رفع این مشکلات راه حل‏هایی نظیر استفاده از کمک‏حلال‏ها، ایجاد نمک، داخل کردن به سیکلودکسترین‏ها (ساختارهایی شبیه به سبد با حفره‏ای در وسط که قابلیت ورود ترکیبات به درون این حفره وجود دارد) یا استفاده از حامل‏ها نظیر لیپوزوم‏ها و پراکندگی جامدات ارائه شده است [1].
متاسفانه استفاده از این راهکارها برای همه‏ی داروها امکان‏پذیر نیست مثلا برخی داروها به سختی به یون تبدیل می‏شوند تا بتوان از آنها نمک ایجاد نمود یا برای داخل شدن به ساختار سیکلودکسترین‏ها مناسب نیستند. همچنین افزودنی‏هایی که در فرمولاسیون‏ها استفاده می‏شود همیشه کمک‏کننده نیست. به طور مثال محلول دارویی تزریقی تاکسول که هم‏اکنون در بازار دارویی وجود دارد حاوی مقادیر بالایی از Cremophor EL است که برای بهبود فراهمی زیستی پاکلیتاکسول استفاده شده است اما موجب عوارض جانبی نظیر شوک آلرژیک می‏گردد [1].
در دهه‏ی 90 میلادی، نانوکریستال‏های دارویی توجه محققین دارویی را به خود جلب نمود. نانوکریستال‏های دارویی، پراکندگی کلوئیدی با اندازه‏ی کمتر از میکرومتر هستند که تقریبا حاوی 100% ماده‏ی فعال دارویی بوده و با کمک مقادیر ناچیز از پایدارکننده‏هایی نظیر پلیمرها یا سورفاکتانت‏ها پایدار می‏شوند [1].
محیط پراکنده کننده‏ی این ساختارها می‏تواند آب، محلول‏های مایی یا غیر مایی (مثل پلی اتیلن گلیکول مایع یا روغن‏ها) باشد [2].
بسته به تکنولوژی ساخت، ذرات جامد ایجاد شده می‏توانند آمورف یا کریستالی باشند که در نتیجه به این ذرات، نانوکریستال در ساختار آمورف نیز گفته می‏شود [2].
2- مزایای نانوکریستال‏ها
• افزایش سرعت انحلال
با کاهش اندازه‏ی ذره سطح تماس بین ذره و محیط اطراف افزایش یافته و در نتیجه سرعت انحلال (که به میزان سطح تماس مرتبط است) افزایش می‏یابد (شکل 1) [2].

شکل 1- با کاهش اندازه‏ی ذرات سطح تماس افزایش می‏یابد [2]

• احتمال ایجاد ساختارهای آمورف و مزایای آن

ساختارهای آمورف سرعت انحلال بیشتری دارند در نتیجه اگر حین تولید این ساختارها ایجاد شوند زمان مورد نیاز برای انحلال کمتر شده و سرعت اثر دارو افزایش می‏یابد [2].
• بهبود ویژگی‏های زیستی
همان‏طور که در مقالات قبل نیز ذکر شده است، نانوذرات نسبت به ذرات بزرگتر از نظر جذب و اثربخشی بهتر عمل می‏کنند [1].
3- روش‏های تهیه‏ی نانوذرات کریستالی
در کل روش‏های تولید نانوذرات کریستالی به دو دسته‏ی بالا- پایین (top-down) و پایین- بالا (down-top) تقسیم می‏شوند. روش پایین- بالا مانند روش رسوبی به این معنا است که نانوکریستال‏ها از مولکول‏ها ساخته می‏شوند اما در روش بالا- پایین مانند تکنیک هموژنایز کردن و سایش دانه‏ای، نانوکریستال‏ها با تخریب و واپاشی مرحله به مرحله از پودر سخت ایجاد می‏گردند [1].
3-1- تکنولوژی رسوبی (Precipitation technique)
داروی کم‏محلول در آب، در یک حلال (غالبا حلال آلی) حل و محلول به یک ضد حلال (antisolvent) قابل امتزاج با آب (حلال مایی) افزوده و چرخیده می‏شود (شکل 2). با این کار اشباع سریع رخ داده و موجب هسته‏زایی و ایجاد رسوب می‏گردد. روش رسوبی این مزیت را دارد که یک داروی خاص می‏تواند در حلال‏های مختلف، میزان انحلال‏های متفاوتی داشته باشد که این امر خود بر هسته‏زایی موثر است. هرچند ذرات ایجاد شده در فرمولاسیون نهایی می‏توانند رشد کنند و با افزایش اندازه، موجب بروز مشکلاتی در فراورده‏های دارویی شوند. برای جلوگیری از این پدیده اغلب پایدارکننده‏ها به فرمولاسیون افزوده می‏شوند [2و1].
در روش رسوبی، برخی از عوامل بر اندازه و یکسان‏سازی ذرات اثرگذار است:
سرعت چرخش
نسبت حلال به ضد حلال
مقدار دارو
دما
با افزایش سرعت چرخش، ذرات کوچکتر می‏شوند زیرا سرعت بالاتر، پخش شدن دارو را بین فازها افزایش داده و موجب ازدیاد تعداد هسته‏های ایجاد شده و در نتیجه تولید ذرات کوچکتر می‏گردد [2].
اگر نسبت ضد حلال به حلال نیز افزایش یابد موجب اشباع‏پذیری بین سطوح فازها و هسته‏زایی سریعتر می‏شود [2].
میزان داروی وارد شده نیز نباید زیاد باشد زیرا موجب افزایش احتمال تجمع ذرات اطراف هم و بزرگتر شدن آنها می‏گردد.
در این روش معمولا دما را نیز پایین در نظر می‏گیرند. در دمای پایین‏تر اشباع‏پذیری سریعتر انجام می‏شود به¬علاوه، با توجه به گرمازا بودن واکنش هسته‏زایی، هرچه دما کمتر باشد هسته‏زایی بهتر انجام می‏شود [1].
روش رسوبی ساده و مقرون به صرفه است و نیاز به تجهیزات گران‏قیمت ندارد. به¬علاوه به دلیل عدم نیاز به انرژی بالا برای انجام آن، احتمال تخریب دارو نیز کاهش می‏یابد.
گاه با استفاده از این روش، اشکال آمورف نیز ایجاد می‏شود که موجب افزایش سرعت انحلال دارو می‏گردد. اشکال آمورف یک عیب دارند و آن این است که حالت‏های آمورف با انرژی بالاتر تمایل دارند به فرم کریستاله که پایدارتر است برسند و این مورد بر پایداری دارو موثر خواهد بود [1].
باقی ماندن حلال در محصول نهایی و نیاز به محلول بودن دارو در حداقل یک حلال، از دیگر محدودیت‏های این روش برای تولید نانوذرات کریستالی است [3].

شکل 2- تولید نانوکریستال‏ها به روش رسوبی [3]

3-2- روش سایش دانه‏ای (Pearl milling technique)
در این روش دارو، سورفاکتانت و آب وارد محفظه‏ ی سایش حاوی دانه‏ های سایشی
(milling pearls) که از جنس شیشه، زیرکونیوم اکسید یا رزین پلی استایرن هستند شده و با چرخش دانه‏ ها با انرژی بالا، دارو به نانوذره تبدیل می‏شود (شکل 3). در کل، بهینه‏ سازی این روش به عوامل زیر بستگی دارد:
میزان دارو
تعداد دانه‏ های سایشی
سرعت سایش
زمان سایش
دما [2]
اگر میزان دارو و زمان سایش زیاد باشد، احتمال تجمع ذرات و کلوخه شدن آنها افزایش می‏یابد. با افزایش سرعت سایش و نیز تعداد دانه‏ های سایشی، میزان انرژی مصرفی توسط دستگاه بیشتر می‏شود که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.
در برخی گزارش‏ها ذکر شده است که کاهش دما از کلوخه شدن ذرات جلوگیری می‏نماید. به همین دلیل در بسیاری از فرآیندهای تولید، با وارد کردن نیتروژن مایع دمای محفظه‏ ی سایش را کاهش می‏دهند [2و1].
روش سایش دانه‏ای ساده است و برای داروهای نامحلول در محیط مایی و غیر مایی کاربرد دارد. این فرآیند در حجم ‏های مختلف از میلی‏ لیتر تا لیتر قابل استفاده است و در نتیجه هم در آزمایشگاه‏ های تحقیقاتی و هم در صنعت قابلیت اجرا دارد [2].
اولین محصولی که با این روش تولید شد، Rapamune® بوده است که در سال 2000 معرفی گردید. این روش تولید در مقایسه با تکنیک رسوبی نیاز به انرژی بیشتری دارد. به علاوه این نگرانی نیز وجود دارد که با سایش دانه‏ ها ترکیباتی از آنها وارد محصول شده و موجب آلودگی محصول نهایی شود. همچنین این روش زمانبر است و این زمان ممکن است از چند ساعت تا چند روز ادامه یابد که همین موضوع احتمال آلودگی میکروبی فرآورده را افزایش می‏ دهد [1].

3-3- روش هموژنایز کردن با فشار بالا
(High-pressure homogenization technique)
در این روش، سوسپانسیونی حاوی دارو، سورفاکتانت و آب از یک شکاف بسیار باریک با سرعت بسیار بالا عبور کرده و ذرات را به اندازه‏ی نانو در می‏آورد (شکل 4). این روش نیز مانند روش سایش دانه‏ای، برای داروهای نامحلول در محیط مایی و غیر مایی مناسب است [2و1].

عوامل زیر بر بهینه عمل کردن این روش موثر هستند:
سختی ترکیبات وارد شده
فشار اعمال شده

تعداد دفعات هموژنایز کردن
دما

با افزایش فشار اعمال شده معمولا اندازه‏ی ذرات کاهش می‏یابد. اغلب در آزمایشگاه‏ها حداکثر فشار لازم برای تهیه‏ی نانوذرات کریستالی دارویی حدود 1500 بار است. البته هر چه ذرات سخت‏تر باشند فشار لازم برای کاهش اندازه‏ی آنها بیشتر خواهد بود [2].
هرچه تعداد دفعات هموژنایز کردن بیشتر شود، ذرات اندازه‏ی یکسان‏تری خواهند داشت. با کمک شکل 5 این موضوع روشن‏تر خواهد شد. طی یک تحقیق اثر تعداد دفعات هموژنایز کردن بر اندازه‏ی ذرات بررسی شد و نشان داد که با افزایش تعداد دفعات قطر کلی ذرات به هم نزدیکتر شده و گستردگی اندازه‏ی ذرات که یکی از معایب تولید است، کاهش می‏یابد [3و1].

شکل 5- D50 و D90 به‏ترتیب نشان دهنده‏ی قطر متوسط 50% و 90% از محصولات است. با افزایش تعداد دفعات هموژنایز کردن، قطر متوسط عمده‏ی ذرات به هم نزدیکتر می‏شود [3].

با انجام عمل هموژنایز کردن دمای محفظه‏ی انجام فرآیند افزایش می‏یابد که برای داروهای حساس به حرارت مناسب نیست در نتیجه اغلب از یک دستگاه خنک کننده در این روش استفاده می‏شود [1].
یک مزیت عمده در این روش قابلیت تولید زیاد محصول بدون نگرانی از آلوده شدن آن است که نسبت به روش سایش دانه‏ای یک مزیت بزرگ محسوب می‏شود [1].

جدول 1- مقایسه‏ی دو روش هموژنایز کردن و سایش دانه‏ای [3]

4- نسل دوم نانوکریستال‏ها
محصولاتی را که با بکارگیری روش‏هایی که تاکنون نام برده شد تولید می‏شوند، نسل اول نانوکریستال‏ها گویند. در نسل دوم از مخلوطی از روش‏ها برای تولید استفاده می‏شود. اصل این روش‏ها بر پایه‏ی هموژنایز کردن است با این تفاوت که پیش از ورود ذرات به هموژنایزر یکسری عملیات بر روی آنها صورت می‏گیرد [5و3]. جدول زیر به طور خلاصه نام فرآیندهای نسل دوم و پیش‏عملیات لازم بر روی ذرات قبل از مرحله‏ی هموژنایز کردن را نشان می‏دهد.

جدول 2- نسل دوم نانوکریستال‏ها [3]

4-1- مزیت‏های نسل دوم نانوکریستال‏ها
• نانوکریستال‏های کوچکتر
در نسل اول اغلب ذرات ایجاد شده اندازه‏ای کمتر از 200 نانومتر دارند اما در نسل دوم این محدوده کوچکتر شده و به زیر 100 نانومتر می‏رسد [5].
• افزایش پایداری فیزیکی
با همراهی روش‏هایی نظیر سایش و هموژنایز کردن در نسل دوم نانوکریستال‏ها، در حقیقت از دو راه اندازه‏ی ذرات کاهش می‏یابد که این امر به کم شدن گستره‏ی اندازه‏ی ذرات کمک می‏کند. هرچه ذرات اندازه‏ی مشابه‏تری داشته باشند احتمال تجمع و کلوخه شدن آنها کاهش می‏یابد که این امر خود از مزایای نسل دوم نسبت به نسل اول است [5].
5- داروهای وارد شده به بازار
جدول زیر داروهای نانوکریستالی را که تاکنون با موفقیت وارد بازار شده‏اند، نشان می‏دهد:

جدول 3- داروهای نانوکریستالی وارد شده به بازار دارویی دنیا [3]

^®Rapamune حاوی داروی سیرولیموس است که به عنوان سرکوب‏کننده‏ی ایمنی بکار می‏رود. این دارو به دو صورت سوسپانسیون خوراکی و قرص در بازار وجود دارد که البته قرص‏ها 21% فراهمی زیستی بالاتری دارند [2].
^® Emendحاوی داروی Aprepitant است که یک ضد تهوع می‏باشد. این دارو برخلاف اغلب داروهای ضد تهوع در شیمی‏درمانی که به صورت تزریقی مصرف می‏شوند، به صورت قرص بوده و همین امر یک مزیت عمده محسوب می‏شود که باعث بیشتر شدن همراهی بیمار می‏گردد [2].
^® TriCorحاوی داروی Fenofibrate است. اثر دارو بسته به آنکه بیمار دارو را با معده‏ی پر یا خالی مصرف کند متفاوت است. هنگام پر بودن معده انحلال افزایش یافته و جذب بیشتر می‏شود. با کاهش اندازه‏ی این دارو به نانوذرات، حلالیت دارو افزایش می‏یابد و دیگر تفاوتی بین خالی یا پر بودن معده‏ی بیمار وجود ندارد. فرمولاسیون دیگر حاوی این دارو که به صورت نانوکریستال است ^®Triglide نام دارد [2].
محصول دیگر ^®Megace است که حاوی داروی Megestrol می‏باشد. مزیت این فرمولاسیون که به صورت پودر است، راحت‏تر بودن بلع توسط بیمار به علت کاهش گرانروی دارو در فرم نانو و نیز کمتر بودن حجم داروی مصرفی می‏باشد [2].
داروهای دیگری نیز به صورت نانوکریستال وجود دارند که در حال گذراندن مراحل بالینی برای ورود به بازار دارویی هستند. نام این داروها در جدول 4 ذکر شده است.

6- محدودیت‏های نانوکریستال‏ها
نانوذرات با اندازه‏های کمتر از 150 نانومتر احتمال سمیت سلولی را افزایش می‏دهند زیرا این ساختارها توانایی ورود به همه ‏ی سلول‏های بدن و ایجاد سمیت در آنها را دارند. به ‏علاوه این روش تولید اغلب برای داروهای دسته II در داروسازی یعنی داروهایی با انحلال کم و در عین حال قابلیت نفوذ بالا به بافت ‏ها قابل استفاده است [6].


بحث و نتیجه‏ گیری
نانوکریستال‏های دارویی یکی از مهم‏ترین راه‏های فرمولاسیون برای داروهای کم‏ محلول است که تاکنون معرفی شده است. این فرمولاسیون‏ها ساده بوده و نیاز به همراهی ترکیبات دیگر (که خود می‏توانند باعث ایجاد عوارض شوند) برای بهینه‏ سازی ندارند. با توجه به آنکه تعداد داروهای معرفی شده‏ ی کم ‏محلول در حال افزایش است، گمان می‏رود که نانوکریستال‏ها بتوانند در آینده جایگاه مناسبی را در بین فرمولاسیون‏های دارویی برای وارد کردن این داروها داشته باشند.

منابـــــع :

·         1.Gao, L., Zhang, D., Chen, M. ‟Drug Nanocrystals for the Formulation of Poorly Soluble Drugs and Its Application as a Potential Drug Delivery System”, Journal of Nanoparticles Research, Vol. 10, pp. 845-862, (2008).

·         2.Junghanns, J., Müller, R. H. ‟Nanocrystal Technology, Drug Delivery and Clinical Applications”, International Journal of Nanomedicine, Vol. 3, pp. 295-309, (2008).

·         3.Che, E., Zheng, X., Sun, C., Chang, D., Jiang, T., Wang, S. ‟Drug Nanocrystals: A State of the Art Formulation Strategy for Preparing the Poorly Water-Soluble Drugs”, Asian Journal of Pharmaceutical Sciences, Vol. 7, pp. 85-95, (2012).

·         4.Aulton, M. E. ‟Pharmaceutics The Science of Dosage Form Design”, UK: Elsevier Science Health Science Division, (2002).

·         5.Keck, C., Kobierski, S., Mauludin, R., Müller, R. H. ‟Second Generation of Drug Nanocrystals for Delivery of Poorly Soluble Drugs: Smartcrystals Technology”, Dosis, Vol. 24, pp. 124-128, (2008).

·         6.Bansal, S., Bansal, M., Kumria, R. ‟Nanocrystals: Current Strategies and Trends”, International Journal of Research in Pharmaceutical and Biomedical Sciences, Vol. 3, pp. 406-419, (2012).

Development of world with chemistry