Stabilization of biomolecules using nanobiohybrids

Ο συνδυασμός διαφόρων βιομορίων με ένα ανόργανο υλικό, τα φυλλόμορφα διπλά υδροξείδια (LDH), έχει ως αποτέλεσμα τη σύνθεση βιοσυμβατών νανοϋβριδίων. Τα νανοϋβρίδια αυτά σχεδιάστηκαν κατάλληλα με σκοπό τη χρήση τους σε βιολογικές εφαρμογές όπως η μεταφορά φαρμάκων και η φωτοδυναμική θεραπεία. Με σκοπό την παρασκευή ενός συστήματος μεταφοράς φαρμάκων, τέσσερα διαφορετικά φάρμακα, που αντιπροσωπεύουν διαφορετικές κατηγορίες αντιβιοτικών, εισήχθησαν σε φυλλόμορφα διπλά υδροξείδια. Τα δύο από αυτά, η γραμισιδίνη και η αμφοτερικίνη Β, είναι υδρόφοβα αντιβιοτικά και ενσωματώθηκαν σε τεχνητές μεμβράνες που σχηματίστηκαν μέσα στο ανόργανο υπόστρωμα. Τα άλλα δύο, η αμπικιλλίνη και το ναλιδιξικό οξύ, είναι υδατοδιαλυτά αντιβιοτικά και εισήχθησαν απευθείας με ιονανταλλαγή. Τα νανοϋβρίδια που προέκυψαν χαρακτηρίστηκαν με διάφορες τεχνικές όπως περίθλαση ακτινών Χ, φασματοσκοπία υπερύθρου και φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού. Η αντιστρεπτή αλληλεπίδραση των φαρμάκων με το ανόργανο υπόστρωμα επιτρέπει την απελευθέρωσή τους υπό κατάλληλες συνθήκες. Οι μελέτες απελευθέρωσης έδειξαν ότι τα υβριδικά αυτά υλικά μπορούν να βρουν εφαρμογή σε συστήματα ελεγχόμενης απελευθέρωσης για διάφορα είδη αντιβιοτικών. Η πρωτοπορφυρίνη ΙΧ (ppIX) ακινητοποιήθηκε σε LDH με σκοπό την παρασκευή βιοσυμβατών νανοϋβριδίων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη φωτοδυναμική θεραπεία. Επιπλέον παρασκευάστηκαν νανοϋβρίδια που περιείχαν εκτός από την ppIX και υπερφθοροεπτανοϊκό οξύ ή παλμιτικό οξύ. Τα νανοϋβρίδια χαρακτηρίστηκαν με περίθλαση ακτινών Χ, φασματοσκοπία υπερύθρου, φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού, φασματοσκοπία φθορισμού και θερμοσταθμική ανάλυση. Η φωτοξείδωση οργανικών υποστρωμάτων όπως η ιστιδίνη, το 2,3-διμέθυλο-2-βουτένιο και το λινελαϊκό οξύ, απέδειξε την ικανότητα των νανοϋβριδίων να παράγουν οξυγόνο απλής κατάστασης όταν ακτινοβολούνται με ορατό φως. Επιπλέον, η δυνατότητα εφαρμογής των νανοϋβριδίων στη φωτοδυναμική θεραπεία ελέγχθηκε χρησιμοποιώντας ως μοντέλο το μύκητα S. cerevisiae. Συντέθηκαν επίσης νανοϋβρίδια με βελτιωμένη υδατοδιαλυτότητα και την ικανότητα της στόχευσης καρκινικών κυττάρων. Αυτό επιτεύχθηκε με την ομοιοπολική πρόσδεση φυλλικού οξέος ή βιοτίνης στην επιφάνεια των LDH. Επιπλέον, προσδέθηκε αλγινικό νάτριο στην επιφάνεια του LDH-ppIX με ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση. Τα νανοϋβρίδια αυτά χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπία υπερύθρου και φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού. Η ομοιοπολική πρόσδεση του φυλλικού οξέος δίνει στο LDH τη δυνατότητα να στοχεύει καρκινικά κύτταρα HeLa.A variety of different biomolecules were combined with an inorganic material, layered double hydroxides (LDH), to produce biocompatible nanohybrids. These nanohybrids were appropriately designed for biological applications such as drug delivery and photodynamic therapy. In order to produce a drug delivery system, four pharmaceutically active molecules, each representing a different class of antibiotic, were intercalated in layered double hydroxides. Two of them, gramicidin and amphotericin B, are hydrophobic and they were incorporated in artificial membranes formed in the interlayer of the inorganic host. The other two, ampicillin and nalidixic acid, are water soluble antibiotics that were directly intercalated by using simple ion exchange reactions. The synthetic nanohybrid materials were characterized by various methods, as X-ray diffraction, infrared spectroscopy and ultraviolet-visible spectroscopy that verified the successful intercalation of the antibiotics and provided information regarding the interlayer structure of the nanohybrids. The reversible interaction of the antibiotic molecules with the inorganic host leads to release of the active drugs under the appropriate conditions. The release studies showed that the synthetic nanohybrids can successfully serve as controlled release systems for different kinds of antibiotics. Protoporphyrin IX (ppIX) was immobilized in the interlayer region of layered double hydroxides in order to produce biocompatible nanohybrids that could find application in photodynamic therapy. Additionally, nanohybrids with both ppIX and perfluoroheptanoic acid or palmitic acid were synthesized. The various nanohybrids were characterized by using X-ray diffraction, infrared spectroscopy, ultraviolet-visible spectroscopy, fluorescence spectroscopy and thermogravimetric analysis. Photooxidation experiments using substrates such as imidazole, 2,3-dimethyl-2-butene or linoleic acid, demonstrated the generation of singlet oxygen by these nanohybrids. Furthermore, the application of the nanohybrids to photodynamic therapy was evaluated by using S. cerevisiae as a model. Surface modified nanohybrids with improved solubility and the ability to target cancer cells were also synthesized. This was achieved by covalent bonding of folic acid or biotin on the surface of LDH. Furthermore, sodium alginate was bound on the external surface of LDH-ppIX by electrostatic interaction. The nanohybrids were characterized by infrared spectroscopy and ultraviolet – visible spectroscopy. The covalent bonding of folate on the surface of LDH enables them to target HeLa cancer cells