5-fluorourasil için polimer/biyoseramik ve grafen oksit içerikli ilaç taşıyıcı malzeme üretimi ve kinetik çalışmaları

Abstract

İnsan yaşamı için ciddi bir tehdit oluşturan kanser, dünya çapında önde gelen ölüm nedenlerinden biri olmaya devam etmektedir. Dünya Sağlık Örgütü (WHO) tarafından kanserin 183 ülkenin 112'sinde 70 yaş öncesi için birinci veya ikinci ana ölüm faktörü olduğu tahmin edilmektedir. Kanser tedavisi sürecinde karşılaşılan en önemli zorluklardan birisi, uygulanan yüksek toksisiteye sahip ilaçların vücut içerisinde ani ve kontrolsüz salımının, kanser hücreleri dışındaki sağlıklı dokuları da etkileyerek yorgunluk, ateş, saç dökülmesi, deri döküntüsü ve mide bulantısı gibi istenmeyen yan etkilere yol açabilmesidir. Bununla birlikte, biyolojik ortamla ilaç arasında meydana gelen etkileşimler, aktivite ve terapötik etki kaybına neden olarak tedavinin etkinliğini azaltabilmektedir. Bu nedenle, ilaçları uygun terapötik seviyede tutarak yan etkileri azaltmak ve dış etkenlerden koruyarak tedavinin etkinliğini arttırmak amacı ile tasarlanan ilaç taşıyıcı sistem çalışmaları önem taşımaktadır. 5-Fluorourasil (5-FU) ilacı, günümüzde kolon kanseri başta olmak üzere, rektum, göğüs, yumurtalık, pankreas, mide, beyin ve cilt kanseri gibi pek çok kanser türünün tedavisinde yaygın olarak kullanılan bir anti kanser ajanıdır. Bu ilaç, C(Karbon)-5 pozisyonunda hidrojen atomu yerine flor atomu bulunan bir urasil primidini analoğu türüdür. Anti kanser etkinliği oldukça üstün olmasına rağmen, kan plazmasında yarılanma süresi oldukça kısa olan (8-20 dakika) ve kanserli hücreler tarafından seçiciliği olmayan 5-FU ilacı sağlıklı hücreleri de etkileyerek istenmeyen yan etkilere ve tedavi veriminin düşmesine sebep olabilmektedir. Bununla birlikte, düşük molekül ağırlığı ve hidrofilik karakteri, 5-FU ilacının ilaç taşıyıcı sistemlere yüklenme kapasitesinin düşük olmasına neden olmakta ve kontrollü bir salımın sağlanmasına engel oluşturmaktadır. Bu nedenlerden dolayı, 5-FU'nun vücut içerisinde dolaşım süresini arttırabilecek ilaç taşıyıcı malzemelerin geliştirilmesi önem taşımaktadır. Grafen oksit (GO), grafenin oksidasyonu ile elde edilen ve oksijen içeren fonksiyonel gruplara sahip iki boyutlu bir grafen türevidir. Grafene benzer şekilde katmanlı bir yapıya sahip olan grafen oksit; epoksi, hidroksil, karbonil ve karboksilik gruplar gibi oksijen içerikli fonksiyonel gruplar bulundurmaktadır. Bu grupların varlığı, grafen oksite hidrofilik bir karakter kazandırmakta ve biyolojik ortamda çözünürlüğünü arttırarak biyouyumluğunu iyileştirmektedir. Yüksek spesifik yüzey alanı ile birlikte - etkileşimi ve hidrojen bağı oluşumuyla ilaç molekülleri ile etkileşeme geçebilme kapasitesi, grafen oksitin ilaç yükleme ve salım çalışmalarında tercih edilen bir malzeme olarak ortaya çıkmasına neden olmuştur. Bununla birlikte, grafen oksitin vücut içerisinde yalnız başına uygulanması durumunda hücre canlılığında düşüşe sebep olabileceği raporlanmış olup, biyouyumluluğunu iyileştirmek ve mümkün olabilecek toksik etkileri azaltmak için farklı biyomalzemeler ile birlikte fonksiyonelleştirilerek kullanımı tercih edilmektedir. Hidroksiapatit (HAp, Ca10(PO4)6(OH)2), insan vücudu içerisinde diş ve kemik yapısında bulunan, biyoseramik yapılı kalsiyum fosfat bir malzemedir. Biyoaktif, biyouyumlu, yavaş bozunan, osteokondüktif ve osteoindüktif yapısı nedeni ile diş hekimliği, kemik doku mühendisliği alanları başta olmak üzere, ilaç taşıyıcı sistemler ve hücre görüntüleme gibi biyomedikal alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Nanoboyutlu hidroksiapatit parçacıklarının farklı kanser hücreleri üzerinde büyümeyi önleyici etki gösterebilmesi nedeni ile, hidroksiapatit içeren kompozit malzemeler kanser ilaçları için geliştirilen ilaç taşıyıcı sistemlerde tercih edilebilmektedir. Bununla birlikte, sert ve kırılgan bir yapıya sebep olmasından kaynaklanan mekanik dezavantajları, hidroksiapatitin tek başına klinik uygulamalarda kullanımını kısıtlayabilmektedir. Ek olarak, yalnızca hidroksiapatitin taşıyıcı malzeme olarak kullanıldığı ilaç salım çalışmalarında yüksek ilk ani salım oranları görülmüştür. Bu nedenlerle, mekanik özellikleri ve kontrollü salımı iyileştirebilecek çeşitli malzemelerin katkısı ile kompozit halinde kullanımı tercih edilmektedir. Jelatin (GEL), kollajenin kısmi hidrolizi ile elde edilen doğal bir polimerdir. Asidik veya bazik prosesler ile elde edilme şekline göre sırası ile A ve B tipi olarak sınıflandırılmakta olup; hayvan derisi, kemik, kıkırdak ve bağ dokusundan elde edilebilmektedir. Düşük immünojenikliği, toksik olmaması, biyouyumluluğu, biyolojik bozunabilirliği ve düşük maliyeti nedeniyle, biyomedikal alanda yaygın olarak kullanılan doğal polimerlerden biri olarak ortaya çıkmıştır. Poliüretan (PU), termoplastik ve termoset polimer sınıfında yer alan, üretimi ve kullanım alanı açısından pek çok çeşidi bulunan bir polimerdir. Yapısal olarak yumuşak parça ve sert parça olmak üzere iki farklı şekilde sınıflandırılan bloklardan oluşan poliüretanlar, moleküler düzeydeki bu parçalı yapıları nedeni ile elastiklik, aşınma dayanımı, kimyasal stabilite ve işlenebilirlik gibi avantajlı özellikler barınıdırmaktadır. Esneklik ve mekanik dayanımın birlikte sağlanabilmesi, poliüretanların medikal alanda kullanımı avantajlı bir malzeme olarak öne çıkmasına neden olmuştur. Bununla birlikte, biyouyumlu ve pH değişimine duyarlı özellik göstermeleri nedeni ile, kontrollü ilaç salım sistemi çalışmalarında kullanımı tercih edilen malzemeler arasında yer almaktadırlar. Yapılan çalışmanın amacı; 5-FU kanser ilacının in vitro ortamda kontrollü salımını sağlayabilecek polimer/biyoseramik ve grafen oksit içerikli ilaç taşıyıcı malzemelerin geliştirilmesi, bu malzemelerin ilaç yükleme ve salım performanslarının araştırılması, deneysel tasarım ve kinetik modelleme çalışmaları ile optimizasyonun yapılmasıdır. Polimer malzemeler olarak jelatin ve poliüretan seçilirken, biyoseramik malzeme olarak hidroksiapatit tercih edilmiştir. İlk olarak, değişen jelatin konsantrasyonları içeren grafen oksit/jelatin (GO/GEL) kompozitleri üretilmiş ve bu kompozitlere adsorpsiyon yolu ile 5-FU ilacı yüklenmiştir. Deneysel tasarım çalışmaları sonucunda, düşük jelatin konsantrasyonu ve pH 8 değerinde 5-FU adsorpsiyonun maksimum olduğu görülmüştür. Adsorpsiyon izotermi çalışmaları sonucunda, 5-FU adsorpsiyonu için en uygun modelin Freundlich modeli olduğu görülmüştür. In vitro salım çalışmaları sonucunda, düşük jelatin konsantrasyonlarında birinci derece kinetik modele ve yüksek jelatin konsantrasyonlarında Higuchi kinetik modeline uygunluk görülmüştür. MCF-7 göğüs kanseri hücre hattına karşılık yapılan MTT testinde 5-FU yüklü GO/GEL kompoziti %22.8'lik bir hücre canlılığı göstermiş, 5-FU ilacının salımını ve etkisini doğrulamıştır. L-929 fibroblast hücre hattına karşılık yapılan MTT testi sonucu,15 μg/ml 5-FU yüklü GO/GEL konsantrasyonlarına kadar %80 hücre canlılığı elde edilmiş ve kompozitlerin biyouyumluluğu doğrulanmıştır. İkinci aşamada, değişen grafen oksit (GO) miktarları içeren grafen oksit/hidroksiapatit (GO/HAp) kompozitleri üretilmiş ve adsorpsiyon yolu ile 5-FU ilacı yüklenmiştir. Deneysel tasarım çalışmaları sonucunda, düşük pH (pH 2) ve düşük başlangıç 5-FU konsantrasyonlarında 5-FU adsorpsiyonu oranının maksimum olduğu görülürken, grafen oksitin hafif bir artışa sebep olduğu görülmüştür. 5-FU adsorpsiyonu için en uygun modelin Freundlich modeli olduğu görülmüş ve maksimum adsorpsiyon kapasitesi (Qm) pH 2.0 koşullarında 36.9 mg/g olarak hesaplanmıştır. In vitro salım çalışmalarında, pH 7.4 koşullarında tüm GO oranlarında salımın sıfır derece kinetik modele uygunluk görülürken, düşük pH değerlerinde ise Higuchi kinetik modele uyum görülmüştür. Üçüncü aşamada, GO/HAp kompozitlerinin 5-FU ilacı için adsorpsiyon yüzdesini iyileştirmek amacı ile, aminlenmiş grafen oksit üretimi yapılmıştır. Aminlenmiş grafen oksit/hidroksiapatit (GO-NH2/HAp) kompoziti sentezlenmiştir ve adsorpsiyon yolu ile 5-FU ilacı yüklenmiştir. GO/HAp kompoziti ile benzer şekilde, GO-NH2/HAp için yüksek GO-NH2, düşük pH ( pH 2) ve düşük başlangıç 5-FU konsantrasyonlarında en yüksek 5-FU adsorpsiyon oranı görülmüştür. Grafen oksitin aminlenmesi işlemi sonrası maksimum adsorplanan ilaç oranında %9.7'lik bir artış belirlenmiştir. 5-FU adsorpsiyonu için en uygun modelin Freundlich modeli olduğu görülmüş ve maksimum adsorpsiyon kapasitesi (Qm) pH 2.0 koşullarında 21.2 mg/g olarak hesaplanmıştır. In vitro salım çalışmalarında, tüm pH koşullarında 5-FU salımı sıfır derece kinetik modele uygunluk göstermiştir. Son aşamada, grafen oksit/poliüretan (GO/PU) kompozit film üretimi yapılmıştır. Poliüretan üretimi aşamasında, biyouyumlu ve ekonomik bir alternatif olan ayçiçek yağı ve hint yağı hidroksil kaynağı olarak kullanılmıştır. 5-FU yükleme işlemi, üretimi aşamasında 5-FU ilacının enkapsülasyonu ile gerçekleştirilmiştir. Deneysel tasarım çalışmaları sonucunda, 5-FU'nun GO/PU kompoziti içerisinden salım yüzdesinin, yüksek pH (pH 10), yüksek GO miktarı ve düşük başlangıç 5-FU konsantrasyonlarında arttığı görülmüştür. Kompozitlerde pH'a duyarlı ilaç salımı gerçekleştiği görülmekle birlikte, yüksek GO içeren kompozit için tüm pH koşullarında, Higuchi kinetik modeline uygunluk sağlanmıştır. Azalan GO miktarlarında ise, salım profilinin sıfır derece kinetik modele uyum gösterdiği belirlenmiştir. Bu tezin bulguları, sentezlenen GO/GEL, GO/HAP, GO-NH2/HAp ve GO/PU malzemelerinin 5-FU kanser ilacı için kontrollü salımı sağlayabilecek biyoyumlu ve ekonomik ilaç taşıyıcı malzemeler olarak potansiyele sahip olduğunu göstermiştir.