ophthalmologyОфтальмологияOphthalmology in Russia1816-50952500-0845Ophthalmology10.18008/1816-5095-2021-2-331-337ophthalmology-1550Research ArticleОФТАЛЬМОФАРМАКОЛОГИЯPHARMACOLOGYКальций-фосфатные наночастицы — система доставки лекарств в передний отдел глазаCalcium-Phosphate Nanoparticles — a System for Drug Delivery to the Anterior Eye Chamberhttps://orcid.org/0000-0001-7557-4955БезносО. В.BeznosO. V.

научный сотрудник,

ул. Садовая-Черногрязская, 14/19, Москва, 105062

research officer,

Sadovaya-Chernogryazskaya str., 14/19, Moscow, 105062

olval2011@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4368-3430ПоповаЕ. В.TikhomirovaV. E.

научный сотрудник,

Ленинские горы 1, Москва, 119991

research officer,

Leninskie Gory, 1, Moscow, 119991

ТихомироваВ. Е.PopovaE. V.

аспирант,

Ленинские горы, 1, Москва, 119991

postgraduate,

Leninskie Gory, 1, Moscow, 119991

https://orcid.org/0000-0001-8032-4248ПавленкоТ. А.PavlenkoT. A.

кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник,

ул. Садовая-Черногрязская, 14/19, Москва, 105062

PhD, senior research officer,

Sadovaya-Chernogryazskaya str., 14/19, Moscow, 105062

КостО. А.KostO. A.

кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник,

Ленинские горы, 1, Москва, 119991

PhD, leading research officer,

Leninskie Gory, 1, Moscow, 119991

https://orcid.org/0000-0002-7856-8005ЧесноковаН. Б.ChesnokovaN. B.

доктор биологических наук, профессор, начальник отдела патофизиологии и биохимии,

ул. Садовая-Черногрязская, 14/19, Москва, 105062

Dr. of Biol. Sci., Professor, head of the Department of patophysiology and biochemistry of the eye,

Sadovaya-Chernogryazskaya str., 14/19, Moscow, 105062

ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр глазных болезней им. Гельмгольца» Министерства здравоохранения Российской ФедерацииРоссияHelmholtz National Medical Research Center of Eye DiseasesRussian FederationФГБУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»РоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian Federation202105072021182331337Copyright © Безнос О.В., Попова Е.В., Тихомирова В.Е., Павленко Т.А., Кост О.А., Чеснокова Н.Б., 20212021Безнос О.В., Попова Е.В., Тихомирова В.Е., Павленко Т.А., Кост О.А., Чеснокова Н.Б.Beznos O.V., Tikhomirova V.E., Popova E.V., Pavlenko T.A., Kost O.A., Chesnokova N.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.ophthalmojournal.com/opht/article/view/1550Цель

Цель: включение в кальций-фосфатные наночастицы соединений различной природы — низкомолекулярного ингибитора ангиотензин-превращающего фермента лизиноприла и высокомолекулярного фермента супероксиддисмутазы 1, характеристика полученных частиц и выяснение возможности усиления терапевтической эффективности выбранных препаратов при включении их в наночастицы.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для повышения стабильности полученных частиц был использован покрывающий агент β-D-целлобиоза. Определяли размеры и ζ-потенциал полученных частиц, оценивали эффективность включения препаратов. Сравнительную оценку биологического действия лизиноприла в растворе и лизиноприла в составе кальций-фосфатных частиц проводили путем определения их влияния на внутриглазное давление у 15 кроликов, разделенных на три группы. Сравнительную оценку биологического действия супероксиддисмутазы 1 в растворе и в составе кальций-фосфатных частиц проводили путем определения их влияния на течение экспериментального иммуногенного увеита у 10 кроликов и биохимические показатели (содержание белка и антиокислительная активность) во внутриглазной жидкости.

Результаты

Результаты. Кальций-фосфатные наночастицы, содержащие лизиноприл, характеризовались средним гидродинамическим радиусом в диапазоне 170–300 нм и ζ-потенциалом –17 мВ. Частицы, содержащие супероксиддисмутазу 1, характеризовались средним гидродинамическим радиусом в диапазоне 220–450 нм и ζ-потенциалом –4 мВ. Лизиноприл в составе наночастиц статистически достоверно более значимо снижал внутриглазное давление, чем лизиноприл в простом растворе. Супероксиддисмутаза 1 в составе наночастиц более эффективно снижала выраженность клинических проявлений увеита и нормализовала биохимические процессы во внутриглазной жидкости, чем тот же фермент в простом растворе.

Заключение

Заключение. Внедрение в кальций-фосфатные наночастицы лекарственных препаратов, как низкомолекулярных, так и высокомолекулярных, увеличивает их биодоступность, при этом сохраняется их биологическая активность, а эффективность терапевтического действия увеличивается. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования кальций-фосфатных наночастиц для включения в них глазных лекарственных препаратов, применяемых в виде глазных капель. 

Purpose

Purpose: to prepare and characterize calcium-phosphate nanoparticles loaded with compounds of different nature: low-molecular inhibitor of angiotensin-converting enzyme lisinopril, and high-molecular enzyme superoxide dismutase 1. To estimate the possibility of enhancing the biological efficacy of these compounds via incorporation to the nanoparticles.

Material and methods

Material and methods. To increase the stability of calcium-phosphate nanoparticles coating with β-D-cellobiose was used. The size, surface charge (ζ-potential) of the particles and efficacy of including of the selected compounds to the particles were measured. Comparative assessment of the efficacy of lisinopril solution and lisinopril in nanoparticles was made via the estimation of their ocular hypotensive effect in normotensive rabbits. To compare the efficacy of the superoxide dismutase 1 solution and superoxide dismutase 1 in nanoparticles the rabbit model of immunogenic uveitis was used. We estimated the clinical score for several signs of uveitis, protein level, and antioxidant activity in aqueous humor.

Results

Results. Calcium-phosphate nanoparticles containing lisinopril had average hydrodynamic radius of 170–300 nm and negative ζ-potential of –17 mV. Particles containing superoxide dismutase 1 had average hydrodynamic radius of 220–450 nm and negative ζ-potential of –4 mV. Lisinopril in nanoparticles caused a significantly greater decrease of intraocular pressure than lisinopril solution. Superoxide dismutase 1 in calcium-phosphate nanoparticles more efficiently decreased the clinical manifestations of uveitis and normalized the biochemical processes in aqueous humor than the enzyme in buffer solution.

Conclusion

Conclusion. Incorporation of both low-molecular and high-molecular drugs to the calcium-phosphate nanoparticles enhance their bioavailability and therapeutic efficiency. The data obtained give evidence of the prospectively of the using of these nanoparticles as vehicles for the ophthalmic drugs used in eyedrops. 

кальций-фосфатные наночастицыингибитор ангиотензин-превращающего ферментасупероксиддисмутаза 1внутриглазное давлениеувеитcalcium-phosphate nanoparticlesinhibitor of angiotensin-converting enzymesuperoxide dismutase 1intraocular pressureuveitisReferencesUrtti A. Systemic absorption of ocular pilocarpine is modified by polymer matrices. Int. J. Pharm. 1985;23:147–161.Urtti A. Systemic absorption of ocular pilocarpine is modified by polymer matrices. Int. J. Pharm. 1985;23:147–161.Lee V.H.L., Robinson J.R. Review: Topical ocular drug delivery: Recent developments and future challenges. J. Ocul. Pharmacol. 1986;2:67–108. DOI: 10.1089/jop.1986.2.67Lee V.H.L., Robinson J.R. Review: Topical ocular drug delivery: Recent developments and future challenges. J. Ocul. Pharmacol. 1986;2:67–108. DOI: 10.1089/jop.1986.2.67Prausdnitz M.R., Noonan J.S. Permeability of cornea, sclera, and conjunctiva: a literature analysis for drug delivery to the eye. J. Pharm. Sci. 1998;87(12):1479– 1488. DOI: 10.1021/js9802594Prausdnitz M.R., Noonan J.S. Permeability of cornea, sclera, and conjunctiva: a literature analysis for drug delivery to the eye. J. Pharm. Sci. 1998;87(12):1479– 1488. DOI: 10.1021/js9802594Urtti A. Challenges and obstacles of ocular pharmacokinetics and drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev. 2006;58:1131–1135. DOI: 10.1016/j.addr.2006.07.027Urtti A. Challenges and obstacles of ocular pharmacokinetics and drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev. 2006;58:1131–1135. DOI: 10.1016/j.addr.2006.07.027Subrizi A., Del Amo E.M., Korzhikov-Vlakh V., Tennikova T., Ruponen M., Urtti A. Design principles of ocular drug delivery systems: importance of drug payload, release rate, and material properties. Drug Discov. Today. 2019;24(8):1446–1457. DOI: 10.1016/j.drudis.2019.02.001Subrizi A., Del Amo E.M., Korzhikov-Vlakh V., Tennikova T., Ruponen M., Urtti A. Design principles of ocular drug delivery systems: importance of drug payload, release rate, and material properties. Drug Discov. Today. 2019;24(8):1446–1457. DOI: 10.1016/j.drudis.2019.02.001Klyce S.D., Crosson C.E. Transport processes across the rabbit corneal epithelium: a review. Curr. Eye Res. 1985;4:323–331. DOI: 10.3109/02713688509025145Klyce S.D., Crosson C.E. Transport processes across the rabbit corneal epithelium: a review. Curr. Eye Res. 1985;4:323–331. DOI: 10.3109/02713688509025145Ahmed I., Patton T.F. Importance of the noncorneal absorption route in topical ophthalmic drug delivery. Invest. Ophthal. Vis. Sci. 1985;26:584–587.Ahmed I., Patton T.F. Importance of the noncorneal absorption route in topical ophthalmic drug delivery. Invest. Ophthal. Vis. Sci. 1985;26:584–587.Ako-Adounvo A-M., Nagarwal R.C., Oliveira L., Boddu S.H., Wang X.S., Dey S., Karla P.K. Recent Patents on Ophthalmic Nanoformulations and Therapeutic Implications. Recent Pat. Drug Deliv. Formul. 2014;8(3):193–201. DOI: 10.2174/1872211308666140926112000Ako-Adounvo A-M., Nagarwal R.C., Oliveira L., Boddu S.H., Wang X.S., Dey S., Karla P.K. Recent Patents on Ophthalmic Nanoformulations and Therapeutic Implications. Recent Pat. Drug Deliv. Formul. 2014;8(3):193–201. DOI: 10.2174/1872211308666140926112000Janagam D.R., Wu L., Lowe T.L. Nanoparticles for drug delivery to the anterior segment of the eye. Adv. Drug Deliv. Rev. 2017;122:31–64. DOI: 10.1016/j.addr.2017.04.001Janagam D.R., Wu L., Lowe T.L. Nanoparticles for drug delivery to the anterior segment of the eye. Adv. Drug Deliv. Rev. 2017;122:31–64. DOI: 10.1016/j.addr.2017.04.001Zhao R., Ren X., Xie C., Kong X. Towards understanding the distribution and tumor targeting of sericin regulated spherical calcium phosphate nanoparticles. Microsc. Res. Tech. 2017;80(3):321–330. DOI: 10.1002/jemt.22800Zhao R., Ren X., Xie C., Kong X. Towards understanding the distribution and tumor targeting of sericin regulated spherical calcium phosphate nanoparticles. Microsc. Res. Tech. 2017;80(3):321–330. DOI: 10.1002/jemt.22800Chu E., Chu T.C., Potter D.E. Mechanisms and sites of ocular action of 7-hydroxy2-dipropylaminotetralin: A dopamine (3) receptor agonist. J. Pharmacol. Exp. Ther. 2000;293(3):710–716.Chu E., Chu T.C., Potter D.E. Mechanisms and sites of ocular action of 7-hydroxy2-dipropylaminotetralin: A dopamine (3) receptor agonist. J. Pharmacol. Exp. Ther. 2000;293(3):710–716.Chen R., Qian Y., Li R., Zhang Q., Liu D., Wang M., Xu Q. Methazolamide calcium phosphate nanoparticles in a ocular delivery system. Yakugaku Zasshi. 2010;130(3):419–424. DOI: 10.1248/yakushi.130.419Chen R., Qian Y., Li R., Zhang Q., Liu D., Wang M., Xu Q. Methazolamide calcium phosphate nanoparticles in a ocular delivery system. Yakugaku Zasshi. 2010;130(3):419–424. DOI: 10.1248/yakushi.130.419Hu J., Kovtun A., Tomaszewski A., Singer B.B., Seitz B., Epple M., Steuhl K.P., Ergün S., Fuchsluger T.A. A new tool for the transfection of corneal endothelial cells: Calcium phosphate nanoparticles. Acta Biomater. 2012;8:1156–1163. DOI: 10.1016/j.actbio.2011.09.013Hu J., Kovtun A., Tomaszewski A., Singer B.B., Seitz B., Epple M., Steuhl K.P., Ergün S., Fuchsluger T.A. A new tool for the transfection of corneal endothelial cells: Calcium phosphate nanoparticles. Acta Biomater. 2012;8:1156–1163. DOI: 10.1016/j.actbio.2011.09.013Edelhauser H.F., Rowe-Rendleman C., Robinson M.R., Dawson D.G., Chader G.J., Grossniklaus H.E., Rittenhouse K.D., Wilson C.G., Weber D.A., Kuppermann B.D., Csaky K.G., Olsen T.W., Kompella U.B., Holers V.M., Hageman G.S., Gilger B.C., Campochiaro P.A., Whitcup S.M., Wong W.T. Ophthalmic drug delivery systems for the treatment of retinal diseases: Basic research to clinical applications. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 2010; 51(11):5403–5420. DOI: 10.1167/iovs.10-5392Edelhauser H.F., Rowe-Rendleman C., Robinson M.R., Dawson D.G., Chader G.J., Grossniklaus H.E., Rittenhouse K.D., Wilson C.G., Weber D.A., Kuppermann B.D., Csaky K.G., Olsen T.W., Kompella U.B., Holers V.M., Hageman G.S., Gilger B.C., Campochiaro P.A., Whitcup S.M., Wong W.T. Ophthalmic drug delivery systems for the treatment of retinal diseases: Basic research to clinical applications. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 2010; 51(11):5403–5420. DOI: 10.1167/iovs.10-5392Oh N., Park J-H. Endocytosis and exocytosis of nanoparticles in mammalian cells. Int. J. Nanomed. 2014;9(Suppl 1):51–63. DOI: 10.2147/IJN.S26592Oh N., Park J-H. Endocytosis and exocytosis of nanoparticles in mammalian cells. Int. J. Nanomed. 2014;9(Suppl 1):51–63. DOI: 10.2147/IJN.S26592Sokolova V., Kozlova D., Knuschke T., Buer J., Westendorf A.M., Epple M. Mechanism of the uptake of cationic and anionic calcium phosphate nanoparticles by cells. Acta Biomater. 2013;9:7527–7535. DOI: 10.1016/j.actbio.2013.02.034Sokolova V., Kozlova D., Knuschke T., Buer J., Westendorf A.M., Epple M. Mechanism of the uptake of cationic and anionic calcium phosphate nanoparticles by cells. Acta Biomater. 2013;9:7527–7535. DOI: 10.1016/j.actbio.2013.02.034Olton D.Y., Close J.M., Sfeir C.S., Kumta P.N. Intracellular trafficking pathways involved in the gene transfer of nano-structured calcium phosphate-DNA particles. Biomaterials. 2011;32(30):7662–7670. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2011.01.043Olton D.Y., Close J.M., Sfeir C.S., Kumta P.N. Intracellular trafficking pathways involved in the gene transfer of nano-structured calcium phosphate-DNA particles. Biomaterials. 2011;32(30):7662–7670. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2011.01.043Bell S., He Q., Chu T., Potter D. Intraocular Delivery Compositions and Methods Cross-Reference to Related Application. US Patent № WO 2004050065 (A1), prior. 2004-06-17.Bell S., He Q., Chu T., Potter D. Intraocular Delivery Compositions and Methods Cross-Reference to Related Application. US Patent № WO 2004050065 (A1), prior. 2004-06-17.Шимановская Е.В., Безнос О.В., Клячко Н.Л., Кост О.А., Никольская И.И., Павленко Т.А., Чеснокова Н.Б., Кабанов А.В. Получение кальций-фосфатных наночастиц, содержащих тимолол, и оценка их влияния на внутриглазное давление в эксперименте. Вестник офтальмологии. 2012;128(3):15–18.Shimanovskaia E.V., Beznos O.V., Kliachko N.L., Kost O.A., Nikol’skaia I.I., Pavlenko T.A., Chesnokova N.B., Kabanov A.V. Production of timolol containing calciumphosphate nanoparticles and evaluation of their effect on intraocular pressure in experiment. Annales of Ophthalmology = Vestnik Oftalmologii 2012;128(3):15–18 (In Russ.).Svedas V., Galaev I., Borisov I., Berezin I. The interaction of amino acids with o-phtalaldehyde: a kinetic study and spectrophotometric assay of the reaction product. Anal. Biochem. 1980;101:188–195.Svedas V., Galaev I., Borisov I., Berezin I. The interaction of amino acids with o-phtalaldehyde: a kinetic study and spectrophotometric assay of the reaction product. Anal. Biochem. 1980;101:188–195.Костюк B., Потапович A., Ковалёва Ж. Простой и чувствительный метод определения активности супероксиддисмутазы, основанный на реакции окисления кверцетина. Вопросы медицинской химии. 1990;36:88–91.Kostiuk V.А., Potapovich A.I., Kovalyova J.V. A simple and sensitive method of superoxide dismutase activity based on quercetine oxidation. Medical chemistry affairs = Voprosy medicinskoy khimi. 1990;2:88–91 (In Russ.).Neroev V.V., Davydova G.A., Perova T.S. Model of experimental uveitis in rabbits Bull Exper Biol Med. 2006;142(11):598–600. DOI: 10.1007/s10517-006-0440-5Neroev V.V., Davydova G.A., Perova T.S. Model of experimental uveitis in rabbits Bull Exper Biol Med. 2006;142(11):598–600. DOI: 10.1007/s10517-006-0440-5Lowry O., Rozebrough N., Farr A., Randell R. Protein mеasurement with the folin phenol reagent. J Biol. Chem. 1951;193:265–275.Lowry O., Rozebrough N., Farr A., Randell R. Protein mеasurement with the folin phenol reagent. J Biol. Chem. 1951;193:265–275.Gulidova O.V., Lubitsky O.B., Klebanov G.I., Chesnokova N.B. Antioxidant activity in tear fluid in experimental alkali eye burns. Bull Exper Biol Med. 1999;128(11):571– 574.. DOI: 10.1007/bf02433426Gulidova O.V., Lubitsky O.B., Klebanov G.I., Chesnokova N.B. Antioxidant activity in tear fluid in experimental alkali eye burns. Bull Exper Biol Med. 1999;128(11):571– 574.. DOI: 10.1007/bf02433426Чеснокова Н.Б., Нероев В.В., Безнос О.В., Бейшенова Г.А., Никольская И.И., Кост О.А., Биневский П.В., Шехтер А.Б. Окислительный стресс при увеите и его коррекция антиоксидантным ферментом супероксиддисмутазой (экспериментальное исследование). Вестник офтальмологии. 2014;130(5):30–36.Chesnokova N.B., Neroev V.V., Beznos O.V., Beĭshenova G.A., Nikol’skaia I.I., Kost O.A., Binevskiĭ P.V., Shekhter A.B. Oxidative stress in uveitis and its correction with superoxide dismutase antioxidative enzyme (experimental study). Annales of Ophthalmology = Vestnik Oftalmologii.2014;130(5):30–34 (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.