Υβριδικά μαγνητικά νανοσωματίδια για τη στοχευμένη χορήγηση σισπλατίνης σε καρκινικούς όγκους

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Υβριδικά μαγνητικά νανοσωματίδια για τη στοχευμένη χορήγηση σισπλατίνης σε καρκινικούς όγκους ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΔΙΠΛΩΜΑ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ Βούλγαρη Ευσταθία, Βιολόγος Επιβλέπων καθηγητής : Δρ. Κ. Αυγουστάκης Σε συνεργασία με : Δρ. Α. Μπακανδρίτσος Πάτρα, Μάιος

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο της Φαρμακευτικής Τεχνολογίας, του Τμήματος της Φαρμακευτικής και στο Τμήμα Επιστήμης των Υλικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Φτάνοντας στη συγγραφή της αισθάνομαι πραγματικά την ανάγκη να ευχαριστήσω ιδιαίτερα κάποιους ανθρώπους που μου έδωσαν τη δυνατότητα να την ξεκινήσω, με στήριξαν κατά τη διάρκεια της εκπόνησής της και με βοήθησαν να τη φέρω εις πέρας. Τον Αναπληρωτή Καθηγητή της Φαρμακευτικής Τεχνολογίας του Τμήματος Φαρμακευτικής, του Πανεπιστημίου Πατρών κ. Κωνσταντίνο Αυγουστάκη για την ευκαιρία που μου έδωσε να συμμετέχω στην ομάδα του, για τη συνεχή και δημιουργική καθοδήγηση και επίβλεψη του. Τον Λέκτορα του Τμήματος Επιστήμης των Υλικών, της Σχολής Θετικών Επιστημών του Πανεπιστημίου Πατρών κ. Αριστείδη Μπακανδρίτσο, για τη συνεργασία και για τη συνεχή και πολύτιμη βοήθεια του σε ερευνητικό, συμβουλευτικό και εκπαιδευτικό επίπεδο. Τον Επίκουρο Καθηγητή Φυσικοφαρμακευτικής του Τμήματος Φαρμακευτικής, του Πανεπιστημίου Πατρών κ. Παύλο Κλεπετσάνη για την απαραίτητη τεχνική υποστήριξή του κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων. Τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Δημήτρη Κουζούδη του Γενικού Τμήματος, του Πανεπιστημίου Πατρών ο οποίος σχεδίασε και με εκπαίδευσε στο χειρισμό του συστήματος της υπερθερμίας απαραίτητο για τη διεξαγωγή των πειραμάτων της αποδέσμευσης φαρμάκου υπό την επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω τη μεταπτυχιακή φοιτήτρια Ζηνοβία Τσιμαλή και τη μεταδιδάκτορα Ειρήνη Ιωάννου για την πολύτιμη βοήθεια τους κατά τη διεξαγωγή των κυτταρικών μελετών, καθώς και τα νεότερα μέλη του εργαστηρίου την Θεοδώρα Παναγιωτοπούλου, τη Νεφέλη Κουτσοσπύρου, την Κωνσταντίνα Πανουτσοπούλου, την Μύρια Παπαχριστοδούλου, τον Αντρέα Σεργίδη και τη μεταδιδάκτορα Αθηνά Αγγελοπούλου για το ευχάριστο κλίμα συνεργασίας. 2

3 Περιεχόμενα Περίληψη... 6 Abstract... 8 Πίνακας συντομογραφιών Εισαγωγή Ελεγχόμενη χορήγηση και αποδέσμευση φαρμάκων Γενικά Συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης Τύποι νανοφορέων για στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων Γενικά Λιποσώματα Πολυμερικά νανοσωματίδια Πολυμερικά μικύλλια Δενδριμερή Υβριδικοί νανοφορείς Ανόργανα Υλικά στην ανάπτυξη Υβριδικών Νανοφορέων Μαγνητικά Νανοσωματίδια Οξειδίου του Σιδήρου Μαγνητισμός Τύποι μαγνητισμού Μαγνητικές νανοδομές Μαγνητίτης και μαγκεμιτής Σύνθεση μαγνητικών νανοσωματιδίων Εφαρμογές μαγνητικών νανοσωματιδίων Επικάλυψη μαγνητικών νανοσωματιδίων Χρόνος εκκαθάρισης μαγνητικών νανοσωματιδίων Μαγνητικά νανοσωματίδια επικαλυμένα με συμπολυμερές p(maa-g-egma) Γενικά Συμπολυμερές p(maa-g-egma) Εφαρμογές συμπολυμερούς p(maa-g-egma) στη στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων Σιπλατίνη Γενικά Μηχανισμός δράσης σισπλατίνης Ενκαψακίωση σισπλατίνης σε νανοφορείς για στοχευμένη χορήγηση Σκοπός

4 3. Τεχνικές χαρακτηρισμού Φασματομετρία ατομικής απορρόφησης Φασματοφωτομετρία Υπεριώδους - Ορατού (UV Vis) Θερμοσταθμική ανάλυση (TGA -Thermo Gravimetric Analysis) Δυναμική σκέδαση φωτός (Dynamic Light Scattering) Προσδιορισμός ζ δυναμικού Κυτταρομετρία ροής (Flow Cytometry) Πειραματικό μέρος Σύνθεση και χαρακτηρισμός μαγνητικού υβριδικού κολλοειδούς Αντιδραστήρια Χρησιμοποιούμενα Όργανα Πειραματική διαδικασία σύνθεσης Προσδιορισμός ιόντων σιδήρου στα μαγνητικά κολλοειδή Προσδιορισμός ποσοστού συνδεδεμένου πολυμερούς στους νανοφορείς Έλεγχος σταθερότητας των κολλοειδών Έλεγχος διαλυτότητας των κολλοειδών Φόρτωση των μαγνητικών κολλοειδών με σισπλατίνη Αντιδραστήρια Χρησιμοποιούμενα Όργανα Διαδικασία και προσδιορισμός φόρτωσης σισπλατίνης στα μαγνητικά κολλοειδή Μελέτες αποδέσμευσης σισπλατίνης από τα μαγνητικά κολλοειδή Αντιδραστήρια Χρησιμοποιούμενα Όργανα Διαδικασία μελέτης αποδέσμευσης φαρμάκου από τα μαγνητικά κολλοειδή Κυτταρικές μελέτες Γενικά Αντιδραστήρια Χρησιμοποιούμενα Όργανα Καλλιέργεια καρκινικών κυττάρων Μέτρηση κυττάρων Ψύξη - απόψυξη κυττάρων Μελέτη της κυτταροσυμβατότητας των μαγνητικών νανοκολλοειδών και προσδιορισμός της κυτταροτοξικότητας της σισπλατίνης και των φορτωμένων με σισπλατίνη νανοφορέων Αποτελέσματα Χαρακτηρισμός μαγνητικών νανοφορέων

5 5.1.1 Χαρακτηρισμός δομής του συμπολυμερούς P(MAA-g-EGMA) Έλεγχος σταθερότητας των μαγνητικών κολλοειδών Μελέτες φόρτωσης φαρμάκου στα μαγνητικά νανοσωματίδια Φόρτωση φαρμάκου στα μαγνητικά νανοσωματίδια Έλεγχος της διαμέτρου και του επιφανεικού φορτίου των φορτωμένων με σισπλατίνη μαγνητικών υβριδίων Μελέτη επίδρασης του ph στη φόρτωση της σισπλατίνης Μελέτες αποδέσμευσης της σισπλατίνης από τα μαγνητικά νανοσωματίδια Κυτταρικές μελέτες Συζήτηση Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

6 Περίληψη Η σισπλατίνη αποτελεί ένας ευρέως διαδεδομένο αντικαρκινικό φάρμακο. Ωστόσο προκαλεί σοβαρές παρενέργειες εξαιτίας της έλλειψης εκλεκτικότητας που παρουσιάζει. Για αυτόν το λόγο, γίνεται προσπάθεια ενκαψακίωσης της σισπλατίνης σε νανοφορείς ώστε να επιτευχθεί η εκλεκτική μεταφορά της στον καρκινικό ιστό με μηχανισμούς παθητικής ή ενεργητικής στόχευσης. Στην παρούσα εργασία, παρασκευάστηκαν μαγνητικοί νανοφορείς σισπλατίνας και ελέγχθησαν οι ιδιότητες φόρτωσης με σισπλατίνη και αποδέσμευσης, η κολλοειδής σταθερότητα και η in vitro αντικαρκινική δραστικότητα. Τα νανοσωματίδια (οι μαγνητικοί νανοφορείς) συντέθηκαν με τη σύνδεση του συμπολυμερούς πολυμεθακρυλικό οξύ πολυαιθυλενογλυκόλη (poly(methacrylic acid)-graft-poly(ethyleneglycol methacrylate)) σε μαγνητικούς νανοκρυσταλλίτες. Ενώ το πολυμεθακρυλικό οξύ παρέχει τις απαραίτητες καρβοξυλομάδες στο σύστημα για τη σύνδεση της σισπλατίνης, οι αλυσίδες πολυαιθυλενογλυκόλης προσφέρουν στερεοχημική σταθεροποίηση στα νανοσωματίδια. Αρχικά παρασκευάστηκαν μαγνητικοί νανοφορείς με διαφορετικούς τύπους p(maa-g- EGMA) συμπολυμερών τα οποία διέφεραν ως προς το μήκος και την πυκνότητα των αλυσίδων PEG. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της υδρολυτικής, αλκαλικής καταβύθισης από μία πρόδρομη ένωση δισθενούς σιδήρου παρουσία των παραπάνω συμπολυμερών. Οι νανοφορείς σε επόμενο στάδιο φορτώθηκαν με τη σισπλατίνη μετά από επώαση τους με το φάρμακο. Επιπλέον διερευνήθηκε η επίδραση του ph στην φόρτωση της σισπλατίνης. Οι νανοφορείς χαρακτηρίστηκαν ως προς την υδροδυναμική τους διάμετρο και το επιφανειακό τους φορτίο μέσω της τεχνικής της δυναμικής σκέδασης φωτός (DLS) και μικροηλεκτροφόρησης αντίστοιχα. Πραγματοποιήθηκαν μελέτες αποδέσμευσης του φαρμάκου από τους νανοφορείς σε διάλυμα φωσφορικών (ph=7.4) στους 37 C. Επιπροσθέτως, διερευνήθηκε η επίδραση της εφαρμογής εξωτερικού εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου (400 khz) στην αποδέσμευση της σισπλατίνης από τους νανοφορείς μέσω της πρόκλησης υπερθερμίας. Τέλος, εκτιμήθηκε η κυτταροτοξικότητα των φορτωμένων με σισπλατίνη νανοφορέων και συγκρίθηκε με την κυτταροτοξικότητα των κενών νανοσωματίδιων και του φαρμάκου. Ο έλεγχος κυτταροτοξικότητας πραγματοποιήθηκε μέσω της τεχνικής της κυτταρομετρίας ροής, μετά από χρώση των κυττάρων (Α549, καρκινικά κύτταρα πνεύμονα) με τη χρωστική του ιωδιούχου προπιδίου (PI). Οι p(maa-g-egma) μαγνητικοί φορείς σισπλατίνης που παρασκευάστηκαν στην παρούσα εργασία παρουσίασαν μεγάλη σταθερότητα στο χρόνο ως προς την υδροδυναμική τους διάμετρο και το επιφανειακό τους φορτίο. Επιπλέον παρουσίασαν ικανοποιητική φόρτωση φαρμάκου (6-8%). Η αύξηση του ph (μέχρι 10), η αύξηση των ανιονικών θέσεων (καρβοξυλομάδες) και η μείωση του PEG βρέθηκε να οδηγούν σε αύξηση της φόρτωσης της σισπλατίνης στους νανοφορείς. Παρατηρήθηκε παρατεταμένη αποδέσμευση του φαρμάκου (σισπλατίνης) από τους νανοφορείς, με τον ρυθμό αποδέσμευσης να επηρεάζεται από την 6

7 πολυμερική σύνθεση των νανοφορέων. Τέλος, οι νανοφορείς παρουσίασαν χαμηλή κυτταροτοξικότητα ενώ οι νανοφορείς φορτωμένοι με σισπλατίνη παρουσίασαν τοξικότητα συγκρίσιμη με αυτήν του φαρμάκου. Με βάση τα ληφθέντα αποτελέσματα, οι p(maa-g-egma) μαγνητικοί νανοφορείς σισπλατίνης έχουν ικανοποιητικές ιδιότητες κολλοειδούς σταθερότητας, φόρτωσης σε φάρμακο και αποδέσμευσης, γεγονός που δικαιολογεί την περαιτέρω διερεύνηση της πιθανής χρησιμοποίησης τους ως φορείς στοχευμένης χορήγησης σισπλατίνας. 7

8 Abstract Cisplatin is a potent anticacer agent. However, it exhibits serious side effects due to lack of selectivity. Therefore, a more selective cisplatin delivery to tumors is pursued by incorporating cisplatin in targetable nanocarriers. In this work, hybrid magnetic nanoasssemblies loaded with ciplatin were prepared and evaluated in vitro. The nanoasssemblies were synthesized through grafting of poly(methacrylic acid)-graftpoly(ethyleneglycol methacrylate) (p(maa-g-egma) on magnetite nanocrystallites. Poly(ethylene glycol) chains confer to the nanocarriers bio-repellent properties. The formation of a distinct second inner polymeric corona with an abundance of carboxylate groups provides the binding sites for cisplatin molecules. Different types of p(maa-g-egma) copolymers with varying length and density of PEG chains were synthesized. Core-shell magnetic nano-assemblies were prepared by hydrolytic alkaline precipitation from a single ferrous molecular precursor in the presence of the above p(maa-g-egma) copolymers. The nano-assemblies were loaded with cisplatin by incubating them with cisplatin solutions of different cisplatin concentration. The nano-assemblies were characterized with regard to their size and zeta potential at different salt concentrations using dynamic light scattering (DLS). The effect of ph on cisplatin loading was investigated. Drug release studies were performed spectrophotometrically in phosphate buffered saline (ph 7.4) at 37 C. The influence of applying an AC magnetic field on the release profile of cisplatin was also investigated using a home-made AC (400 khz) magnetic field generator 5 mt. The cytotoxicity of blank and cisplatin-loaded nano-assemblies against A549 human lung cancer cell line was assessed by flow cytometric measurement of cellular fluorescence after staining with propidium iodide (PI). The nanocarriers had suitable size properties for intravenous administration and accumulation to tumors based on the enhanced permeability and retention phenomenon (EPR effect). They also were found to exhibit very good colloidal stability, satisfactory cisplatin loading efficiency (around 6% w/w at optimum experimental conditions) and sustained drug release properties, with the rate of release to be significantly increased in response to external AC magnetic fields. Furthermore, the blank nanocarriers did not exhibit cytotoxicity whereas the cisplatin-loaded nanocarriers exhibited comparable to the free ciplatin cytotoxicity against A549 cancer cells. The obtained results justify further evaluation of p(maa-g-egma) nanocarriers as targeted drug delivery system of cisplatin. 8

9 Πίνακας συντομογραφιών NPs: Nanoparticles, Νανοσωματίδια DDS: Drug Delivery Systems, Συστήματα στοχευμένης χορήγησης φαρμάκων EPR: Enhanced Permeability and Retention effect, φαινόμενο Ενισχυμένης διαπερατότητας και κατακράτησης MagDDS: Magnetic Drug Delivery Systems, Μαγνητικά συστήματα στοχευμένης χορήγησης φαρμάκων MLV: MultiLamellar Vesicles, Πολυστοιβαδιακά σωματίδια LUV: Large Unilamellar Vesicles, Μεγάλα μονοστοιβαδιακά σωματίδια SUV: Small Unilamellar Vesicles, Mικρά μονοστοιβαδιακά σωματίδια MNPs : Magnetic Nanoparticles, Μαγνητικά νανοσωματίδια MRI: Magnetic Resonance Imaging, Απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού DLS: Dynamic Light Scattering, Δυναμική σκέδαση φωτός ζ p : Zeta Potential, ζ-δυναμικό UV Vis: Φασματοφωτομετρία Υπεριώδους Ορατού TGA: Thermo Gravimetric Analysis, Θερμοσταθμική ανάλυση P(MAA-g-EGMA) : poly(methacrylic acid)-graft-poly(ethyleneglycol methacrylate) σ: Αγωγιμότητα PI: Propidium Iodide FACS: Flow Cytometry PEG: Polyethylenoglycol 9

10 1. Εισαγωγή 1.1 Ελεγχόμενη χορήγηση και αποδέσμευση φαρμάκων Γενικά Για πολλές δεκαετίες η θεραπευτική αγωγή μιας οξείας ή χρόνιας ασθένειας βασιζόταν κυρίως στην συχνή λήψη φαρμάκων από τους ασθενείς σε φαρμακομορφές όπως, ταμπλέτες, κάψουλες, δισκία, κρέμες, σιρόπια, υπόθετα και ενέσεις. Ακόμη και σήμερα τα συμβατικά αυτά συστήματα μεταφοράς φαρμάκων φαίνεται να κυριαρχούν στην αγορά. Παρόλα αυτά, για να επιτευχθεί αλλά και να διατηρηθεί η συγκέντρωση του φαρμάκου στον οργανισμό μέσα στα απαραίτητα θεραπευτικά επίπεδα, είναι τις περισσότερες φορές απαραίτητη η λήψη των παραπάνω φαρμάκων πολλές φορές ημερησίως. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ανεπιθύμητη αυξομείωση των επιπέδων το φαρμάκου στο αίμα (1). Άρα είναι αδύνατο να καθοριστεί ανεξάρτητα η συγκέντρωση ή ο χρόνος διάρκειας του φαρμάκου στο επιθυμητό σημείο δράσης. Για αυτόν το λόγο έχουν αναπτυχθεί συστήματα ελεγχόμενης χορήγησης φαρμάκων τα οποία καθορίζουν το ποσό του φαρμάκου που διατίθεται στο πάσχον όργανο καθώς και το χρόνο διάθεσης του (εικόνα 1). Παρουσιάζουν τα εξής πλεονεκτήματα έναντι της συμβατικής χορήγησης: Αποφυγή δυσάρεστων παρενεργειών από ενδεχόμενη υπερβολική δόση κάποιου φαρμάκου. Διατήρηση της δραστικής ουσίας σε επιθυμητά επίπεδα. Συμμόρφωση των ασθενών. Προστασία από την οξείδωση (λόγω φωτός και ατμοσφαιρικού οξυγόνου). Παράταση της δράσης- έλεγχος της αποδέσμευσης των φαρμάκων στον οργανισμό. Μείωση της τοξικότητας του φαρμάκου. Μείωση της πτητικότητας του φαρμάκου. Αποφυγή ερεθισμού είτε του γαστρεντερικού συστήματος από προϊόντα εσωτερικής λήψης, είτε του δέρματος από προϊόντα εξωτερικής χρήσης. Κάλυψη δυσάρεστων οσμών ή γεύσεων πολλών ουσιών. Τροποποίηση των φυσικών ιδιοτήτων χημικών ουσιών, όπως μετατροπή μιας υγρής ουσίας σε ψευδοστερεά μορφή. Μείωση των υγροσκοπικών ιδιοτήτων υλικών. Αλλαγή των επιφανειακών ιδιοτήτων μιας ουσίας. Βελτίωση των ιδιοτήτων ροής. Αύξηση της σταθερότητας διαφόρων ουσιών. Αντιμετώπιση προβλημάτων ασυμβατότητας μεταξύ ενεργών συστατικών και διαχωρισμός ουσιών με ασύμβατες ιδιότητες. 10

11 Ευκολία στην αποθήκευση. Ωστόσο πρέπει να σημειωθούν και τα μειονεκτήματα των συστημάτων ελεγχόμενης χορήγησης φαρμάκων: Πιθανή τοξικότητα και μη βιοσυμβατότητα του υλικού. Ύπαρξη παραπροϊόντων από τη χημική αποικοδόμηση. Πιθανή απόρριψη της φαρμακευτικής ουσίας από το φορέα. Υψηλό κόστος σε σχέση με τις παραδοσιακές φαρμακευτικές μεθόδους (2). Εικόνα 1. Γραφικές παραστάσεις της συγκέντρωσης του φαρμάκου στο αίμα σε συνάρτηση με τον χρόνο για τις περιπτώσεις: (α) Συμβατικής μεθόδου χορήγησης φαρμάκων και (β) Ελεγχόμενης χορήγησης φαρμάκων (3). Τα συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης είναι συστήματα χορήγησης φαρμάκων με τα οποία επιτυγχάνεται έλεγχος του χρόνου ή και του τόπου διάθεσης του φαρμάκου. Επομένως στα βασικά τους πλεονεκτήματα μπορούν να συμπεριληφθούν η μείωση στη συχνότητα χορήγησης, η απλούστευση στη χρήση των σκευασμάτων και η σταθεροποίηση μιας αναγκαίας θεραπευτικής συγκέντρωσης της δραστικής ουσίας στο αίμα για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Τα σκευάσματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης, ανάλογα με την οδό χορήγησης, διακρίνονται σε: 1) συστήματα χορηγούμενα από το στόμα (per os συστήματα) 2) διαδερμικά συστήματα, 3) συστήματα χορηγούμενα δια των βλεννογόνων (στόματοςορθού-μήτρας-οφθαλμού) και 4) εμφυτεύματα. 11

12 Παρά τα σημαντικά πλεονεκτήματα, τα σκευάσματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης παρουσιάζουν μια σειρά μειονεκτημάτων, με σημαντικότερα: Την πιθανότητα της ατελούς απορρόφησης της δραστικής ουσίας, όταν η διέλευση της φαρμακοτεχνικής μορφής από το γαστρεντερικό σωλήνα είναι γρηγορότερη από τη χρονική διάρκεια της αποδέσμευσης ή όταν εμφανίζεται «παράθυρο απορρόφησης» της δραστικής ουσίας. Τον κίνδυνο συσσώρευσης της δραστικής ουσίας. Τη δυσκολία αντιμετώπισης των πιθανών παρενεργειών. Την πιθανότητα καθυστέρησης της έναρξης του θεραπευτικού αποτελέσματος. (4-5) Συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης Οι βασικές μέθοδοι για τη δημιουργία συστημάτων ελεγχόμενης αποδέσμευσης διακρίνονται σε βιολογικές, χημικές και φαρμακοτεχνικές. Οι βιολογικές μέθοδοι βασίζονται στην τροποποίηση του βιολογικού περιβάλλοντος στο οποίο πρόκειται να δράσει η ουσία, και για το λόγο αυτό μετά τη δόση του σκευάσματος χορηγείται ένα δεύτερο σκεύασμα με σκοπό να παρατείνει τη δράση του πρώτου. Το μειονέκτημα αυτών των μεθόδων είναι ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο σε περιορισμένη κλίμακα υπό αυστηρή ιατρική παρακολούθηση. Οι χημικές μέθοδοι βασίζονται στην τροποποίηση του δραστικού χημικού μορίου με αποτέλεσμα να προκύπτει μια νέα φαρμακευτική ουσία με ενδεχομένως διαφορετικές φαρμακολογικές και θεραπευτικές ιδιότητες. Το πρόβλημα της χημικής μεθόδου είναι ότι δημιουργεί ένα καινούργιο φαρμακευτικό μόριο το οποίο πρέπει να περάσει από όλα τα χρονοβόρα και δαπανηρά στάδια της ανάπτυξης και του ελέγχου προτού εμφανιστεί στην αγορά. Τέλος, οι φαρμακοτεχνικές μέθοδοι βασίζονται στην παρατεταμένη και σταδιακή αποδέσμευση της δραστικής ουσίας από το φαρμακευτικό σκεύασμα. Στη κατηγορία αυτή κατατάσσονται όλες εκείνες οι περιπτώσεις κατά τις οποίες η παρασκευή και η χρήση των συστημάτων αποδέσμευσης έγινε μέσω της χρήσης διαφόρων εκδόχων τα οποία είναι σε θέση να ελέγξουν την αποδέσμευση μιας ουσίας, χωρίς να τροποποιήσουν το βιολογικό περιβάλλον ή τη χημική δομή της. Τα συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης που προκύπτουν με τη χρήση φαρμακοτεχνικών μεθόδων είναι σε θέση να τροποποιήσουν είτε το χρόνο αποδέσμευσης της ουσίας είτε την κατεύθυνσή της προς ένα συγκεκριμένο σημείο στόχο (drug targeting) (6). Ανάλογα με την πολυπλοκότητα που παρουσιάζουν στην τεχνολογία τους, τα συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης όπως φαίνεται και στην εικόνα 2 διακρίνονται στις εξής κατηγορίες: Συστήματα προκαθορισμένου ρυθμού αποδέσμευσης. Συστήματα ενεργοποιούμενης αποδέσμευσης (activation modulated systems). 12

13 Συστήματα στα οποία η αποδέσμευση ελέγχεται από μηχανισμό ανάδρασης (feed back regulated systems). Συστήματα στόχευσης (drug targeting systems) Εικόνα 2. Κατηγορίες συστημάτων ελεγχόμενης αποδέσμευσης (7). Στα συστήματα προκαθορισμένου ρυθμού η απελευθέρωση των μορίων της δραστικής ουσίας έχει προκαθοριστεί ώστε να γίνεται με συγκεκριμένο ρυθμό. Αυτό επιτυγχάνεται με τον κατάλληλο σχεδιασμό του συστήματος, κατά τον οποίο ο ρυθμός αποδέσμευσης της εγκλωβισμένης ουσίας ελέγχεται από την διάχυση της τελευταίας ή την διείσδυση του διαλύτη (μέσο εμβάπτισης). Τα ελεγχόμενα μέσω διάχυσης συστήματα διαχωρίζονται τα λεγόμενα συστήματα μεμβράνης (reservoir systems), στα οποία ο φραγμός είναι μια πολυμερική μεμβράνη που περιβάλλει το σύστημα και τα συστήματα τύπου μήτρας (matrix systems) όπου το φάρμακο βρίσκεται διαλυμένο ή διεσπαρμένο εντός πολυμερικής ή κηρώδους μήτρας. Στα συστήματα μεμβράνης, ο πυρήνας που περιέχει το ενεργό συστατικό μπορεί να είναι στη στερεή ή υγρή μορφή και η μεμβράνη να διαθέτει από καθόλου έως και υψηλό πορώδες. Εάν η ποσότητα της δραστικής ουσίας στον πυρήνα διατηρείται σε επίπεδα κορεσμού τότε η μεταφορά της κατά μήκος της μεμβράνης θα είναι συνεχής, αφού και η 13

14 κινητήριος δύναμη θα παραμένει σταθερή. Μια τέτοια σταθερή (ή zero order) αποδέσμευση θα απαιτούσε το ενεργόσυστατικόναπαραμείνει σε στερεή ή τουλάχιστον σε μορφή αιωρήματος. Η κορεσμένη κατάσταση θα ήταν δύσκολο να διατηρηθεί για ουσίες που παρουσιάζουν υψηλή υδατοδιαλυτότητα. Ακόμη και όταν πληρούνται όλες οι προϋποθέσεις ώστε η αποδέσμευση να είναι συνεχής, ο ρυθμός αποδέσμευσης ποτέ δεν παραμένει σταθερός στο αρχικό και τελικό στάδιο της απελευθέρωσης του φαρμάκου. Όταν το σύστημα τοποθετηθεί σε ένα μέσο εμβάπτισης απαιτείται ένα χρονικό διάστημα μέχρι να επέλθει μια σταθερή κατάσταση και μπορεί να παρατηρηθεί ένας χρόνος καθυστέρησης (lag time) ή αντίθετα μια ξαφνική απελευθέρωση σημαντικής ποσότητας της δραστικής ουσίας (burst effect). Από τη άλλη στα συστήματα μήτρας ο ρυθμός αποδέσμευσης μειώνεται με το πέρας του χρόνου ως αποτέλεσμα της αύξησης της απόστασης διάχυσης που απαιτείται να διασχίσουν τα μόρια της δραστικής ουσίας από τον πυρήνα προς την επιφάνεια του πλέγματος. Η συγκέντρωση του δραστικού συστατικού που αποδεσμεύεται σε δεδομένο χρόνο είναι συνήθως ανάλογη της τετραγωνικής ρίζας του χρόνου που έχει διανυθεί. Επιπλέον, εκτός από την διάχυση από το πολυμερικό δίκτυο, τα μόρια της εγκλωβισμένης ουσίας μπορούν να βρουν διέξοδο μέσω των καναλιών που σχηματίζονται από την διαλυτοποίηση και απομάκρυνση της ποσότητας της δραστικής ουσίας που έχει ήδη αποδεσμευτεί. Μάλιστα στην περίπτωση μακρομορίων που λόγω του όγκου τους έχουν περιορισμένη διαπερατότητα από το πολυμερές πλέγμα, η αποδέσμευσή τους επιτυγχάνεται σχεδόν αποκλειστικά μέσω αυτών των πόρων. Η κινητική αποδέσμευσης των παραπάνω ελεγχόμενων μέσω διάχυσης συστημάτων εξαρτάται σε σημαντικό βαθμό από τις φυσικές ιδιότητες του δραστικού συστατικού που μεταφέρουν. Επιπλέον εκτός από τον βαθμό πλήρωσης του συστήματος σε δραστικό συστατικό και το μέγεθος των σωματιδίων του τελευταίου, η διαλυτότητα του συστατικού αυτού στην πολυμερική μήτρα και η ικανότητα διάχυσής του σε αυτή αποτελούν επίσης σημαντικούς παράγοντες. Τέλος το σχήμα του πολυμερικού συστήματος φαίνεται πως έχει μεγάλο αντίκτυπο στην ταχύτητα απελευθέρωσης της δραστικής ουσίας καθώς καθορίζει το μέγεθος της ελεύθερης επιφανείας που προσφέρεται για διάχυση και το μήκος της διαδρομής που ακολουθεί η διάχυση των μορίων προς της επιφάνεια (8). Οι δύο παραπάνω μορφές συστημάτων ελεγχόμενης αποδέσμευσης είναι οι απλούστερες μορφές που συναντώνται και πολλά συστήματα αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται σήμερα στη θεραπευτική. Στην επόμενη κατηγορία συστημάτων ελεγχόμενης αποδέσμευσης ανήκουν τα πιο εξελιγμένα συστήματα ενεργοποιούμενης αποδέσμευσης. Σε αυτήν την κατηγορία η αποδέσμευση του ενεργού συστατικού ενεργοποιείται από την παρέμβαση φυσικών, χημικών και βιολογικών διαδικασιών ή από την παροχή εξωτερικώς προερχόμενης ενέργειας. Βασιζόμεν οι στη φύση της διαδικ ασίας ή στον τύπο της ενέργ ειας που χρησιμοποιείται μπορούμε να κατηγοριοποιήσουμε τα συστήματα ενεργοποιούμενης αποδέσμευσης στις παρακάτω μεθόδους: 14

15 Σε αυτό το σημείο θα γίνει μία σύντομη περιγραφή από τα πιο σημαντικά από τα παραπάνω συστήματα ενεργοποιούμενης αποδέσμευσης. Τα συστήματα όπου η αποδέσμευση του φαρμάκου ελέγχεται από την ωσμωτική πίεση είναι συστήματα φαρμάκου τα οποία περικλείονται από ημιπερατές μεμβράνες με ελεγχόμενη διαπερατότητα νερού. Επομένως πραγματοποιείται αποδέσμευση του φαρμάκου με σταθερό ρυθμό η οποία ελέγχεται από την κλίση της ωσμωτικής πίεσης. Αντίστοιχα τα συστήματα που η αποδέσμευση του φαρμάκου ενεργοποιείται από την υδροδυναμική πίεση είναι συστήματα στα οποία τα φάρμακο τοποθετείται σε μία δεξαμενή η οποία περικλείεται από ένα διογκούμενο πολυμερικό στρώμα. Όταν αυτό το στρώμα απορροφά υγρό από τον γαστρεντερικό σωλήνα διογκώνεται ασκώντας υδροδυναμική πίεση στη δεξαμενή ρυθμίζοντας με αυτόν τον τρόπο την αποδέσμευση του φαρμάκου. Όμοια υπάρχουν συστήματα φαρμάκου τα οποία περικλείονται από ειδικό υγρό το οποίο σε θερμοκρασία του σώματος εξατμίζεται δημιουργώντας τάση ατμών η οποία με τη σειρά της αποτελεί την κινητήριο δύναμη για την αποδέσμευση του φαρμάκου. Στις φυσικές μεθόδους υπάγονται συστήματα ενεργοποιούμενης αποδέσμευσης στα οποία το φάρμακο βρίσκεται σε πολυμερική μήτρα στον πυρήνα της οποίας υπάρχουν μαγνητικά σωματίδια. Ασκώντας εξωτερικό μαγνητικό πεδίο αυξάνεται ο ρυθμός αποδέσμευσης των μορίων του φαρμάκου. Στα συστήματα όπου η ενεργοποίηση επιτυγχάνεται μέσω της ιοντοφόρεσης ασκείται ηλεκτρικό πεδίο το οποίο διευκολύνει τη διάχυση των φορτισμένων μορίων του φαρμάκου κατά μήκος των βιολογικών μεμβρανών. Τέλος, υπάρχουν συστήματα όπου η αποδέσμευση 15

16 του φάρμακου ελέγχεται μέσω της ενυδάτωσης της πολυμερικής μήτρας στην οποία το φάρμακο έχει διασπαρεί. Στους χημικούς τρόπους ενεργοποίησης της αποδέσμευσης περιλαμβάνονται η υδρόλυση, η οποία προκαλεί την σταδιακή in vivo διάσπαση του φραγμού (μήτρας ή μεμβράνης) ο οποίος περιορίζει την αποδέσμευση του φαρμάκου, καθώς επίσης και η phεξαρτώμενη υδρόλυση, η οποία οδηγεί στην εκλεκτική διάλυση του φραγμού όταν βρίσκεται σε περιβάλλον με συγκεκριμένο ph και η οποία βρίσκει ευρεία εφαρμογή στην παρασκευή εντεροδιαλυτών μορφών. Τέλος στις βιοχημικές μεθόδους συναντάται η ελεγχόμενη αποδέσμευση του φαρμάκου η οποία ενεργοποιείται από ενζυμική υδρόλυση βιοπολυμερούς το οποίο είναι συνδεδεμένο με το φάρμακο. Η υδρόλυση επιτυγχάνεται από συγκεκριμένo ένζυμο στον ιστό στόχο. Τα συστήματα στα οποία η αποδέσμευση ελέγχεται από μηχανισμό ανάδρασης αποτελούν την τρίτη γενιά συστημάτων ελεγχόμενης αποδέσμευσης δραστικών ουσιών, στην οποία η απελευθέρωση των μορίων της τελευταίας ρυθμίζεται από ένα βιοχημικά ανταποκρινόμενο αισθητήρα. Ο αισθητήρας αυτός συνήθως ανιχνεύει μια βιοχημική ουσία μέσα στο σώμα, η οποία δρα ως ενεργοποιητής για το σύστημα. Ανάλογα με την συγκέντρωση αυτής της ουσίας, ο μηχανισμός ανάδρασης του συστήματος ρυθμίζει κατάλληλα και τον ρυθμό αποδέσμευσης του εγκλωβισμένου συστατικού. Τα συστήματα αυτής της κατηγορίας διακρίνονται στα: Ρυθμιζόμενα συστήματα μέσω βιοδιάσπασης (bioerosion-regulated) Βιο-αποκρινόμενα (bioresponsive) συστήματα Αυτό-ρυθμιζόμενα (self-regulated) συστήματα Τα συστήματα στόχευσης αποσκοπούν στη μεταφορά και αποδέσμευση της δραστικής ουσίας στην επιθυμητή θέση δράσης. Άρα η ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων έχει ως αποτέλεσμα την βελτίωση της θεραπευτικής αποτελεσματικότητας των δραστικών ουσιών και τη συμμόρφωση των ασθενών. Παράλληλα συντελεί στη μείωση της εμφάνισης των παρενεργειών αφού ο στόχος αυτών των συστημάτων είναι η καταστροφή των κυττάρων που βρίσκονται στον ιστό στόχο χωρίς να προκαλούν βλάβες στα υγιή κύτταρα. Τα συστήματα στόχευσης περιλαμβάνουν τα εξής μέρη: 1. Τη δραστική ουσία που είναι κυρίως ισχυρά φάρμακα με αυξημένη τοξικότητα όπως τα αντικαρκινικά. 2. Μία μη - ανοσολογική βιοδιασπώμενη πολυμερική αλυσίδα στην οποία έχει προσδεθεί μια κατευθυντήρια ομάδα (targeting moiety), η οποία κα οδηγήσει το σύστημα στον στόχο. 3. Ένας διαλυτοποιητής (solubiliser) ο οποίος θα ενισχύσει τη διαλυτότητα του συστήματος στα βιολογικά υγρά. 16

17 4. Τέλος, υπάρχει ένας βραχίονας (spacer) που φέρει χημικούς δεσμούς με τους οποίους συνδέονται τα μόρια του φαρμάκου και μπορούν να διασπαστούν μόνο από ένζυμα τα οποία βρίσκονται στα κύτταρα στόχους (9). Η εκλεκτική διάθεση του συστήματος στον ιστό στόχο συμβαίνει είτε παθητικά (passive targeting) είτε ενεργητικά (active targeting). Η παθητική στόχευση βασίζεται στη διαφορετική μορφολογία των αγγείων μεταξύ του υγιούς ιστού και του ιστού στόχου. Πιο συγκεκριμένα σε περίπτωση συμπαγών όγκοι, η παθητική στόχευση βασίζεται στην εμφάνιση ιδιαίτερα παθοφυσιολογικών χαρακτηριστικών που δεν παρατηρούνται στους φυσιολογικούς ιστούς, όπως η εκτεταμένη αγγειογένεση προκειμένου να καλυφθούν οι συνεχώς αυξανόμενες ανάγκες του όγκου σε οξυγόνο και θρεπτικά συστατικά. Αυτή όμως η υπερ-αγγείωση που δημιουργείται έχει δομικές ατέλειες, με διεσταλμένα, ακανόνιστα ή διαπερατά αιμοφόρα αγγεία καθώς και κακή λεμφική παροχεύτευση. Επιπλέον τα ενδοθηλιακά κύτταρα των κυτταρικών τοιχωμάτων συχνά παρουσιάζουν μεγάλα κενά. Έτσι αυτή η ελαττωματική αρχιτεκτονική των αιμοφόρων αγγε ίων του όγκου, σε συνδυασμό με τον ευρύ αυλότους, έχει σαν αποτέλεσμα την εκτεταμένη διαρροή συστατικών του πλάσματος του αίματος μέσα στον όγκο (εικόνα 3). Μέσω αυτού του μηχανισμού (Enhanced Permeability and Retention effect, EPR) τα συστήματα στόχευσης μπορούν να συγκεντρωθούν στον καρκινικό ιστό. Εικόνα 3. Το φαινόμενο της ενισχυμένης διαπερατότητας και κατακράτησης (EPR). Τα συστήματα μεταφοράς φαρμάκων (1) περνούν από το διαρρέον αγγειακό σύστημα (2) στον καρκινικό ιστό (3) και αποικοδομούνται εκεί αποδεσμεύοντας το φάρμακο (4) (10). Στην ενεργητική στόχευση το σύστημα στόχευσης είναι συνδεδεμένο με ένα μόριο το οποίο αναγνωρίζεται ειδικά από υποδοχείς στην κυτταρική μεμβράνη του ιστού στόχου. Το μόριο αυτό μπορεί να είναι κάποιο αντίσωμα, υδατάνθρακας, πεπτίδιο ή ολιγονουκλεοτίδιο. 17

18 Την μεγαλύτερη δυσκολία αυτής του μηχανισμού για την χορήγηση φαρμάκων αποτελεί η εύρεση μη ανοσολογικών και εξαιρετικά εξειδικευμένων κατευθυντήριων ομάδων. 18

19 1.2 Τύποι νανοφορέων για στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων Γενικά Ο τομέας της νανοτεχνολογίας περιλαμβάνει την τεχνολογία λειτουργικών συστημάτων σε διαστάσεις νανομέτρων. Τέτοια νανοσυστήματα συχνά βασίζονται σε νανοσωματίδια. Τα νανοσωματίδια (nanoparticles = nps) είναι γενικός όρος για όλα τα συστήματα, των οποίων το μέγεθος είναι της τάξης ορισμένων νανομέτρων. Ωστόσο, σωματίδια μεγαλύτερα από 200 nm δεν προτιμώνται ιδιαίτερα και η νανοϊατρική συνήθως αφορά σωματίδια μικρότερα των 200 nm (δηλαδή όσο το πλάτος των μικροτριχοειδών). Σε γενικές γραμμές, το μέγεθος των σωματιδίων είναι προμελετημένο, ώστε τα nps να διέρχονται μέσα από τα κενά του διαρρηγμένου καρκινικού ενδοθηλίου. Αυτό βοηθά στην επίτευξη των επιθυμητών συγκεντρώσεων των nps στην περιοχή του όγκου. Τα συστήματα αυτά χαρακτηρίζονται από μοναδικές φυσικές, οπτικές, ηλεκτρονικές και μαγνητικές ιδιότητες οι οποίες βρίσκουν εφαρμογή από την επιστήμη των υλικών έως τη βιοϊατρική. Ένα από τα πιο δραστήρια πεδία της νανοτεχνολογίας είναι η νανοϊατρική η οποία επί του παρόντος κυριαρχείται από τα συστήματα χορήγησης φαρμάκων, που αντιπροσωπεύουν περισσότερο από το 75% των συνολικών πωλήσεων. Τα συστήματα των νανοσωματιδίων έχουν μέγεθος παρόμοιο με αυτό των πρωτεϊνών και άλλων μακρομοριακών δομών που βρίσκονται εντός των κυττάρων. Επομένως έχουν την ικανότητα να εκμεταλλεύονται το υπάρχον κυτταρικό μηχανισμό ώστε να διευκολύνουν τη μεταφορά φαρμάκων. Πιο συγκεκριμένα στα νανοσωματίδια μπορούν να ενκαψακιωθούν, να συνδεθούν, να απορροφηθούν ή και να διασπαρούν μόρια φαρμάκου δημιουργώντας ένα σύστημα φαρμάκου το οποίο φέρει αυξημένη διαλυτότητα, ανθεκτικότητα στη δημιουργία συσσωματωμάτων και ενίσχυση της προσκόλλησης στην επιφάνεια των κυττάρων, επιτυγχάνοντας έτσι γρήγορη θεραπευτική δράση και βελτιωμένη βιοσυμβατότητα. Επιπρόσθετα, το μέγεθος και η χαρακτηριστική επιφάνεια των νανοσωματιδίων μπορεί να αξιοποιηθεί για την ενίσχυση της ενεργητικής και παθητικής στόχευσης φαρμάκων. Οι νανοφορείς είναι υπερμοριακά συστήματα (ειδικά σχεδιασμένα νανοσωματίδια) με τη χρήση των οποίων μπορεί να γίνει στόχευση καρκινικών όγκων, μεταφορά θεραπευτικών ενώσεων, γονιδίων, ή σκιαγραφικών παραγόντων. Το μέγεθος τους είναι συγκρίσιμο με αυτό των αντισωμάτων (15-30 nm), ιών ( nm), υποδοχέων στην επιφάνεια της πλασματικής μεμβράνης, γονιδίων (2 nm πλάτος, nm μήκος), πρωτεϊνών (5-50 nm) και άλλων βιομορίων. Αυτά τα συστήματα μπορούν να μεταφέρουν μόρια φαρμάκου μέσω της σύνδεσης ή απορρόφησης του φαρμάκου στην επιφάνεια τους, μέσω της ενκαψακίωσης της δραστικής ουσίας μέσα σε λιπίδια/πολυμερή ή και μέσω της διάλυσης των μορίων του φαρμάκου σε μήτρα. Αποτέλεσμα των παραπάνω σχηματισμών είναι η προστασία του φαρμάκου από το περιβάλλον και η αντικατάσταση των μη επιθυμητών βιοφαρμακευτικών ιδιοτήτων του με τις επιθυμητές ιδιότητες των νανοσωματιδίων (11). 19

20 1.2.2 Λιποσώματα Τα λιποσώματα είναι μικρά, τεχνητά λιπιδικά κυστίδια τα οποία συναρμολογούνται αυθόρμητα από αμφίφιλα φωσφολιπίδια και στερόλη κυρίως χοληστερόλη. Αποτελούνται από μία σφαιρική δομή διπλοστοιβάδας που περιβάλλει έναν υδατικό πυρήνα. Το μέγεθος τους κυμαίνεται από 50 nm μέχρι 5 μm. Βρίσκονται στο επίκεντρο του ερευνητικού ενδιαφέροντος, ως φορείς φαρμάκων και βιολογικά δραστικών ουσιών εξαιτίας των παρακάτω βιολογικών ιδιοτήτων τους: Είναι βιοσυμβατά και βιοαποικοδομήσιμα. Απομονώνουν τα φάρμακα από το περιβάλλον. Έχουν την ικανότητα να παγιδεύουν υδρόφιλα και υδρόφοβα φάρμακα. Επιπλέον υπάρχει δυνατότητα της ρύθμισης των ιδιοτήτων τους όπως του μεγέθους τους και του επιφανειακού φορτίου τους με τη προσθήκη ποικίλων παραγόντων στη λιπιδική μεμβράνη. Τα τροποποιημένα λιποσώματα σε νανοκλίμακα έχει βρεθεί ότι εμφανίζουν εξαιρετικό φαρμακοκινητικό προφίλ κατά τη μεταφορά του DNA, sirna, πρωτεϊνών και χημειοθεραπευτικών ουσιών. Ωστόσο τα λιποσώματα παρουσιάζουν κάποια μειονεκτήματα όπως χαμηλή σταθερότητα, μειωμένη αποτελεσματικότητα ενκαψακίωσης φαρμάκου και γρήγορη αρχική αποδέσμευση του φαρμάκου. Για αυτόν το λόγο γίνονται προσπάθειες για την εξάλειψη των παραπάνω προβλημάτων όπως για παράδειγμα την προσθήκη αλυσίδων πολυαιθυλενογλυκόλης η οποία δημιουργεί ένα προστατευτικό στρώμα στην επιφάνεια των λιποσωμάτων με στόχο την αύξηση του χρόνου παραμονής τους στην κυκλοφορία του αίματος (11). Τα λιποσώματα μπορούν να ταξινομηθούν με διαφόρους τρόπους, έως σήμερα ταξινομούνται κυρίως με βάση τη σύστασή τους και με βάση το μέγεθος τους. Τα λιποσώματα αποτελούνται από φυσικά ή/και συνθετικά λιπίδια (φωσφο- και σφίγγο-λιπίδια) και ίσως περιέχουν και άλλα συστατικά, όπως χοληστερόλη και υδρόφιλα πολυμερή. Μπορούν να ταξινομηθούν με βάση τη σύστασή τους και το μηχανισμό της απόδοσης της εγκλεισμένης ουσίας εντός του κυττάρου σε: 1) συμβατικά (conventional) λιπίδια (CL), 2) ευαίσθητα σε ph λιποσώματα, 3) κατιονικά λιποσώματα, 4) ανοσολιποσώματα και 5) λιποσώματα μακράς παραμονής στο κυκλοφορικό (LCL, long-circulating liposomes). Ανάλογα με το μέγεθός τους και τον αριθμό των διπλοστοιβάδων τους τα λιποσώματα μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κατηγορίες: 1) πολυστοιβαδιακά κυστίδια (MLV), 2) μεγάλα μονοστοιβαδιακά κυστίδια (LUV) και μικρά μονοστοιβαδιακά κυστίδια (SUV). Το μέγεθός τους κυμαίνεται γενικά από πολύ μικρά (0.025 μm) μέχρι μεγάλα κυστίδια (2.5 μm) και αποτελεί κρίσιμο παράγοντα όσον αφορά το χρόνο ημιζωής τους στο κυκλοφορικό και την έκταση του εγκλεισμού σε αυτά (εικόνα 4). Τα λιποσώματα λόγω του αμφίφιλου χαρακτήρα τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο ως φορείς λιπόφιλων όσο και υδρόφιλων ουσιών. Ανάλογα με τη διαλυτότητα και τα χαρακτηριστικά της κατανομής της (partitioning), τα μόρια της ουσίας εντοπίζονται σε διαφορετικά σημεία του κυστιδίου των λιποσωμάτων και έχουν διαφορετική παγίδευση και 20

21 ιδιότητες απελευθέρωσης. Οι ισχυρά λιπόφιλες ουσίες παγιδεύονται σχεδόν αποκλειστικά στη λιπιδική διπλοστοιβάδα των λιποσωμάτων για το λόγο ότι είναι ελάχιστα διαλυτές στο νερό, έτσι προβλήματα που σχετίζονται με την απώλεια της εγκλωβισμένης ουσίας στο υδατικό περιβάλον των λιποσωμάτων κατά την αποθήκευση, είναι αμελητέα. Εικόνα 4. Διάκριση των λιποσωμάτων ανάλογα με το μέγεθός τους και το πλήθος των διπλοστοιβάδων τους Πολυμερικά νανοσωματίδια Τα πολυμερικά νανοσωματίδια είναι κολλοειδή των οποίων το μέγεθος κυμαίνεται από 10 μέχρι 1000 nm. Τα σχήμα τους μπορεί να είναι σφαιρικό, με διακλαδώσεις ή ακόμη μπορεί να έχουν μορφή πυρήνα κελύφους. Η σύνθεσή τους βασίζεται είτε στον πολυμερισμό των μονομερών (σε γαλάκτωμα και πολυμερισμό διασποράς) είτε σε διασπορά των πολυμερών (γαλακτωματοποίηση και νανοκαθίζηση). Τα πολυμερή από τα οποία συντίθενται είναι βιοσυμβατά και βιοαποικοδομήσιμα. Υπάρχει η δυνατότητα εύκολης μεταβολής των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των πολυμερών όπως αλλαγή του μεγέθους τους και του ζ-δυναμικού τους, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ευέλικτα συστήματα φορέων φαρμάκου στα οποία μπορεί να εύκολα να δεσμευτεί μία πληθώρα φαρμάκων, DNA και πρωτεϊνών χωρίς περαιτέρω χημική τροποποίηση. Επιπλέον το φάρμακο μπορεί να αποδεσμευτεί με ελεγχόμενο τρόπο, μέσα από διαδικασίες διάχυσης, εκρόφησης, βιοδιάσπασης του πολυμερούς ή απόκρισης σε ερεθίσματα του περιβάλλοντος. Τα πολυμερή που χρησιμοποιούνται σε αυτά του είδους τα συστήματα είναι συνθετικά όπως το πολύ-γαλακτικό οξύ (PLA) και το πολύ-γλυκολικό οξύ (PLGA) και φυσικά βιοπολυμερή όπως η αλβουμίνη, η χιτοζάνη, η ηπαρίνη και το κολλαγόνο. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω σε συνδυασμό με την δυνατότητα που έχουν τα πολυμερικά νανοσωματίδια να παρασκευάζονται έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η εκλεκτική ενεργοποίησή τους in vivo φυσικά, χημικά και βιολογικά (θερμοκρασία, ph, φως, ενζυμικά) 21

22 μπορούμε να κατατάξουμε σε έξυπνα συστήματα ελεγχόμενης χορήγησης και αποδέσμευσης μεγάλης ποικιλίας φαρμάκων Πολυμερικά μικύλλια Τα πολυμερικά μικύλλια σχηματίζονται αυθόρμητα όταν αμφίφιλα επιφανειοδραστικά ή πολυμερικά μόρια σχηματίζουν σε υδατικό περιβάλλον δομή πυρήνα κελύφους. Ο πυρήνας του μικυλλίου είναι υδρόφοβος και εκεί δεσμεύονται αμφίφιλα ή μικρής υδατοδιαλυτότητας φάρμακα με απλή ενκαψακίωση ή με ομοιοπολική σύνδεση. Ο πυρήνας περιβάλλεται από υδρόφιλο πολυμερές (PEG) το οποίο με τη σειρά του προσδίδει στο μικύλλιο μεγάλη σταθερότητα. Πιο συγκεκριμένα, το πολυμερές παρατείνει την κυκλοφορία του μικυλλίου στο αίμα εμποδίζοντας τη φαγοκυττάρωσή του και ταυτόχρονα αυξάνει τη συσσώρευσή του στον ιστό στόχο (καρκινικό) Δενδριμερή Τα δενδριμερή είναι πολυμερικά μόρια που φέρουν διακλαδώσεις. Η χημική τους σύσταση και το μοριακό τους βάρος μπορούν να ρυθμιστούν με μεγάλη ακρίβεια σε αντίθεση με τα γραμμικά πολυμερή. Επιπρόσθετα εμφανίζουν μεγάλη ομοιομορφία με πολύ μικρή διασπορά μεγέθους το οποίο δεν ξεπερνά τα 5 nm. Στις ιδιότητες τους που τα κατατάσσουν σε συστήματα ελεγχόμενης χορήγησης φαρμάκων είναι η υδατοδιαλυτότητα που εμφανίζουν, η βιοσυμβατότητα και η γρήγορη απομάκρυνση τους από την κυκλοφορία του αίματος μέσω των νεφρών, εξαιτίας του μικρού τους μεγέθους ελαχιστοποιώντας την ανάγκη για βιοδιάσπαση. Επιπλέον αν και το μικρό τους μέγεθος δεν επιτρέπει το υψηλό ποσοστό εγκλεισμού των φαρμάκων η αύξηση της επιφάνειας λόγω της ύπαρξης των διακλαδώσεων προκαλεί την αύξηση του ποσοστού της φόρτωσης των φαρμάκων στην εξωτερική επιφάνεια των δενδριμερών μέσω ομοιοπολικής σύνδεσης ή ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων. Ωστόσο, η τοξικότητα και η αντιγονικότητα που εμφανίζουν τα δενδριμερή αποτελούν βασικό πρόβλημα για τη χρησιμοποίηση τους στην εκλεκτική στόχευση των φαρμάκων in vivo (11). 22

23 Εικόνα 5. Απεικόνιση πολυμερικών νανοφορέων (12). 1.3 Υβριδικοί νανοφορείς Οι υβριδικοί νανοφορείς αποτελούν το συνδυασμό οργανικών και ανόργανων ενώσεων και υλικών, κατάλληλα επιλεγμένων με σκοπό να συνδυαστούν οι ιδιότητες των δύο αυτών φάσεων στη στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων Ανόργανα Υλικά στην ανάπτυξη Υβριδικών Νανοφορέων Τα νανοσωματίδια χρυσού αποτελούν ένα πολλά υποσχόμενο σύστημα για τη μεταφορά φαρμάκων, γονιδίων και πρωτεϊνών (εικόνα 6) εξαιτίας των παρακάτω ιδιοτήτων τους: 1. Χαρακτηρίζονται από αυξημένη βιοσυμβατότητα διότι ανήκουν στα αδρανή μέταλλα. 2. Εμφανίζουν ελάχιστη τοξικότητα. 3. Η διαδικασία σύνθεσής τους είναι απλή. 4. Παρουσιάζουν υψηλή χημική σταθερότητα. 5. Συνδέονται με θειόλες παρέχοντας την ικανότητα για αποτελεσματική και ενδοκυτταρική στοχευμένη αποδέσμευση φαρμάκου. Ανάλογα τη μέθοδο παρασκευής τους, το μέγεθος τους μπορεί να κυμανθεί από 1 έως 150 nm. Μία επιπλέον εφαρμογή τους βασίζεται στην πολύ μεγάλη απορρόφηση που επιδεικνύουν στο εγγύς υπέρυθρο, αφού μόλις συσσωρευτούν στην περιοχή του καρκινικού 23

24 όγκου μπορούν να διεγερθούν και να προκαλέσουν τοπική υπερθερμία, καταστρέφοντας έτσι τον καρκινικό ιστό (13) Εικόνα 6. Εφαρμογές νανοσωματιδίων χρυσού (13). Τα μαγνητικά νανοσωματίδια βρίσκονται στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος στις εφαρμογές της βιοϊατρικής και της βιομηχανίας εξαιτίας των παρακάτω ιδιοτήτων τους: 1. Είναι βιοσυμβατά. 2. Διαθέτουν εύκολα τροποποιήσιμη επιφάνεια όπου μπορούν να προσκολληθούν βιομόρια και φάρμακα. 3. Το πολύ μικρό τους μέγεθος έχει ως αποτέλεσμα την εύκολη ενδοκυττάρωση τους. 4. Οι μαγνητικές τους ιδιότητες τα καθιστούν ικανά να μεταφέρονται στον ιστό στόχο με την επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. 5. Η σύνθεση τους βασίζεται στην απλή ανόργανη χημεία. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια απαρτίζονται από τρία βασικά μέρη όπως φαίνεται και στην εικόνα 7: το μαγνητικό πυρήνα, το πολυμερικό κέλυφος και την τροποποιημένη επιφάνεια τους η οποία είναι απαραίτητη προκειμένου να αποκτήσουν οι μαγνητικοί νανοφορείς την απαραίτητη σταθερότητα σε βιοσυστήματα (π.χ. αίμα), και την ικανότητα να μεταφέρουν φαρμακευτικές ουσίες. Υπάρχουν πολλά υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σύνθεση των μαγνητικών νανοσωματιδίων. Πολλά από αυτά όμως όπως το κοβάλτιο και το χρώμιο είναι πολύτοξικά. Για αυτόν το λόγοτα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα είναι τα νανοσωματίδια που παρασκευάζονται από οξείδια του σιδήρου όπως ο μαγνητίτης (Fe 3 O 4 ) και ο μαγκεμίτης (γ Fe 2 O 3 ) τα οποία είναι βιοσυμβατά και εξετάζονται αναλυτικότερα παρακάτω (14,15). 24

25 Εικόνα 7. Απεικόνιση τμημάτων μαγνητικών νανοσωματιδίων (15). 1.4 Μαγνητικά Νανοσωματίδια Οξειδίου του Σιδήρου Μαγνητισμός Ο μαγνητισμός των υλικών οφείλεται στην κίνηση των ηλεκτρονίων των ατόμων, τα οποία ως κινούμενα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια, δημιουργούν μαγνητικά πεδία γύρω τους. Κάθε ηλεκτρόνιο έχει δύο μαγνητικές ροπές οφειλόμενες στις δύο περιστροφικές κινήσεις του: γύρω από τον πυρήνα του ατόμου, αλλά και γύρω από τον άξονά τους (spin). Μαγνητική ροπή ονομάζεται το διανυσματικό μέγεθος της έντασης του μαγνητικού πεδίου που δημιουργεί η κίνηση του ηλεκτρονίου. Στα διάφορα άτομα η συνισταμένη μαγνητική ροπή των ηλεκτρονίων μπορεί να είναι μηδενική ή και διάφορη του μηδενός. Όπως είναι γνωστό από την ενεργειακή κατανομή των ηλεκτρονίων στα άτομα, σε κάθε τροχιακό συγκεκριμένου ενεργειακού επιπέδου υπάρχουν το πολύ δύο ηλεκτρόνια με αντίθετους κβαντικούς αριθμούς του spin, δηλαδή δύο ηλεκτρόνια τα οποία περιστρέφονται με αντίθετη φορά γύρω από τον άξονά τους. Επομένως τα ηλεκτρόνια αυτά θα έχουν αντίθετες μαγνητικές ροπές και όταν τα τροχιακά είναι πλήρη η συνολική μαγνητική ροπή στο άτομο θα είναι ίση με μηδέν. Στην περίπτωση τώρα που ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο είναι μονός, θα περιμέναμε με βάση τα παραπάνω το άτομο να έχει μαγνητική ροπή διαφορετική του μηδενός, λόγω του μονήρους ασύζευκτου ηλεκτρονίου. Όμως επειδή στα περισσότερα άτομα των στοιχείων το μονήρες ηλεκτρόνιο είναι ηλεκτρόνιο της εξωτερικής ενεργειακής στάθμης (ηλεκτρόνιο σθένους), παρατηρείται αλληλεπίδραση των ηλεκτρονίων σθένους των διαφορετικών ατόμων, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους και σχηματίζουν χημικούς δεσμούς, με αποτέλεσμα οι μαγνητικές τους ροπές να αλληλοεξουδετερώνονται και έτσι να μην παρουσιάζεται μαγνητική ροπή στα υλικά αυτά. Ωστόσο ορισμένα στοιχεία έχουν εσωτερικά ενεργειακά επίπεδα ασυμπλήρωτα. Συγκεκριμένα τα μεταβατικά στοιχεία παρουσιάζουν 25

26 μερικώς συμπληρωμένα τα 3d τροχιακά τους ενώ διαθέτουν ηλεκτρόνια και στη τέταρτη κύρια ενεργειακή στάθμη. Για παράδειγμα ο χαλκός και το χρώμιο έχουν από ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο σθένους στο 4s τροχιακό τους, του οποίου η μαγνητική ροπή εξουδετερώνεται από τα ηλεκτρόνια σθένους των άλλων ατόμων. Επίσης ο χαλκός έχει συμπληρωμένα και τα πέντε 3d τροχιακά του και επομένως δεν εμφανίζει μόνιμη διπολική ροπή. Στοιχεία όπως ο σίδηρος έχουν στα 3d τροχιακά τους ασύζευκτα ηλεκτρόνια με παράλληλα spin και επομένως τα άτομα αυτά παρουσιάζουν μόνιμη μαγνητική ροπή, έντασης ανάλογης του αριθμού των ασύζευκτων ηλεκτρονίων και συμπεριφέρονται σαν μαγνητικά δίπολα. Όταν μαγνητικό πεδίο, Η, εφαρμόζεται σε υλικό, η απόκριση του υλικού ονομάζεται μαγνητική επαγωγή, Β. Η σχέση μεταξύ Η και Β είναι ιδιότητα του ίδιου του υλικού. Σε μερικά υλικά (όπως και στο κενό) το Β είναι γραμμικά ανάλογο του Η, αλλά εν γένει η σχέση τους είναι αρκετά πιο πολύπλοκη. Η σχέση που συνδέει αυτές τις δύο ποσότητες σε μονάδες SI δίνεται από την εξίσωση [1] : B = μ 0 (H + M) [1] Όπου μ 0 είναι η μαγνητική διαπερατότητα του κενού και Μ είναι η μαγνήτιση του μέσου. Το πεδίο ενός υλικού παρουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου ονομάζεται μαγνήτιση Μ και ορίζεται ως η μαγνητική ροπή (m) ανά μονάδα όγκου V όπως φαίνεται στη εξίσωση [2], Μ = m V [2] H μαγνήτιση (Μ) εκφράζει την πυκνότητα των προσανατολισμένων στη διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου μαγνητικών διπολικών ροπών και σχετίζεται με την ηλεκτρονική δομή του στερεού. Άρα αποτελεί ιδιότητα του υλικού και εξαρτάται τόσο από τις επιμέρους μαγνητικές ροπές των ιόντων, ατόμων ή μορίων, όσο και από τον τρόπο που οι ροπές αυτές αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Όλα τα υλικά είναι μαγνητικά ως ένα βαθμό. Η απόκρισή τους εξαρτάται από την ατομική τους δομή, την θερμοκρασία και το πεδίο. Παρουσία μαγνητικού πεδίου οι μαγνητικές ροπές των ατόμων τείνουν να διευθετηθούν παράλληλα με αυτό, όμως η τάση αυτή αντισταθμίζεται από τις θερμικές τους κινήσεις. Ο βαθμός απόκρισης ενός υλικού σε ένα εφαρμοζόμενο πεδίο ποσοτικοποιείται μέσα από τη μαγνητική επιδεκτικότητα χ και καθορίζεται από την εξίσωση [3] (νόμος Curie-Weiss) (17). χ = Μ Η [3] Τύποι μαγνητισμού Συναντώνται οι παρακάτω τύποι μαγνητισμού ανάλογα με τη συμπεριφορά των υλικών στην επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. 26

27 Ο διαμαγνητισμός είναι μια πολύ ασθενής μορφή μαγνητισμού, η οποία είναι αντιστρεπτή και διαρκεί μόνο όσο εφαρμόζεται ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Στα διαμαγνητικά υλικά, χωρίς την παρουσία κάποιου εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, σε κάθε άτομο, οι ροπές λόγω των ηλεκτρονιακών σπιν (spin) είναι αντίρροπες μεταξύ τους καθώς και οι μαγνητικές ροπές λόγω της τροχιακής κίνησης των ηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα, μακροσκοπικά, η ολική μαγνητική ροπή να είναι μηδενική. Υπό την επίδραση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου τα τροχιακά των ηλεκτρονίων των ατόμων τροποποιούνται, διότι σύμφωνα με το νόμο του Laplace ένα ηλεκτρικό φορτίο όταν κινείται εντός ενός μαγνητικού πεδίου αποκλίνει από την πορεία του. Aυτή η τροποποίηση των τροχιακών και επομένως των μαγνητικών ροπών των ατόμων, οδηγεί στο σχηματισμό μικρών μαγνητικών διπόλων μέσα στα άτομα που αντιτίθενται στο εξωτερικό πεδίο, με συνέπεια ένα αρνητικό μαγνητικό αποτέλεσμα. Αυτό έχει σαν συνέπεια την άπωση των διαμαγνητικών υλικών από κάποιο μόνιμο μαγνήτη. Η σχετική μαγνητική διαπερατότητα των διαμαγνητικών υλικών είναι λίγο μικρότερη της μονάδας και η μαγνητική επιδεκτικότητά τους είναι αρνητική και πολύ μικρή. Παραδείγματα διαμαγνητικών υλικών είναι το διαμάντι, ο χρυσός και ο χαλαζίας. Τα υλικά τα οποία παρουσιάζουν μαγνητική διαπερατότητα λίγο μεγαλύτερη της μονάδας και πολύ μικρή και θετική μαγνητική επιδεκτικότητα (χ ) ονομάζονται παραμαγνητικά υλικά και το μαγνητικό φαινόμενο ονομάζεται παραμαγνητισμός. Στα παραμαγνητικά υλικά οι μαγνητικές ροπές που σχετίζονται με τα ηλεκτρόνια και τα σπιν τους μέσα σ ένα άτομο δεν αλληλοαναιρούνται απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Συνεπώς, κάθε άτομο έχει μια μικρή μαγνητική ροπή η διεύθυνση της οποίας όμως είναι τυχαία, γι αυτό και η ολική μαγνητική ροπή μιας μεγάλης περιοχής δείγματος, όπως και η ολική μαγνήτιση Μ, είναι μηδενικές απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Ο παραμαγνητισμός δημιουργείται από τον προσανατολισμό των μαγνητικών ροπών των ατόμων ή των μορίων κατά τη διεύθυνση του εφαρμοζόμενου εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, με αποτέλεσμα την αύξηση της έντασης του ασκούμενου μαγνητικού πεδίου. Τα παραμαγνητικά υλικά έλκονται ελαφρά από ένα μόνιμο μαγνήτη. Όπως ο διαμαγνητισμός έτσι και ο παραμαγνητισμός είναι ένα αντιστρεπτό φαινόμενο. Παράδειγμα παραμαγνητικών υλικών είναι το αλουμίνιο, το μαγγάνιο και ο λευκόχρυσος. Σε αντίθεση με τα παραμαγνητικά και τα διαμαγνητικά υλικά, κατά το σιδηρομαγνητισμό στα σιδηρομαγνητικά υλικά, τα άτομα απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, έχουν πολύ ισχυρές μαγνητικές ροπές που οφείλονται στα ασύζευκτα ηλεκτρονιακά σπιν στα 3d τροχιακά. Αυτές οι μαγνητικές ροπές συσχετίζονται και δημιουργούν περιοχές μαγνητικών περιοχών ή περιοχών Weiss, διαφόρων μεγεθών και σχημάτων, από ομόρροπα σπιν. Οι διαστάσεις των περιοχών εξαρτώνται από την προηγούμενη μαγνητική κατάσταση του υλικού και την ιστορία του και ποικίλουν από 1 μm μέχρι και μερικά χιλιοστά. Τα όρια ανάμεσα στις μαγνητικές περιοχές ονομάζονται τοιχώματα Bloch (εικόνα 8). Εκεί η διεύθυνση των μαγνητικών ροπών αλλάζει συνεχώς και σταδιακά. 27

28 Εικόνα 8. Τοίχωμα Bloch ανάμεσα σε δυο μαγνητικές περιοχές Weiss (17). Σε μακροσκοπική κλίμακα όμως η ολική μαγνήτιση Μ απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου είναι μηδέν διότι οι περιοχές είναι τυχαία προσανατολισμένες και οι μαγνητικές ροπές των διαφόρων ατόμων αλληλοαναιρούνται. Όταν εφαρμοστεί εξωτερικό μαγνητικό πεδίο η συνολική μαγνήτιση είναι μεγάλη δίνοντας πολύ μεγάλες επιδεκτικότητες x = Στη συνέχεια, όταν το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο απομακρυνθεί, οι μαγνητικές ροπές των διαφόρων ατόμων διατηρούν τον προηγούμενο προσανατολισμό τους και παραμένει μια ολική μόνιμη μαγνήτιση Μ. Βλέπουμε λοιπόν ότι η μαγνήτιση ενός σιδηρομαγνητικού υλικού είναι διαφορετική σε μακροσκοπική κλίμακα μετά την απομάκρυνση ενός εξωτερικού πεδίου, δηλαδή η μαγνητική του κατάσταση εξαρτάται από την προηγούμενή του ιστορία. Έτσι η εξάρτηση της μαγνήτισης Μ από το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο δεν είναι γραμμική αλλά σχηματίζει ένα βρόγχο υστέρησης. Επιπλέον οι τιμές της επιδεκτικότητας και της διαπερατότητας δεν είναι σταθερές αλλά μεταβάλλονται. Παράδειγμα σιδηρομαγνητικών υλικών είναι ο σίδηρος, το κοβάλτιο και το νικέλιο. Κατά τον αντισιδηρομαγνητισμό, στα υλικά παρουσία μαγνητικού πεδίου παρατηρείται αντιπαράλληλος προσανατολισμός των μαγνητικών ατομικών ροπών με αποτέλεσμα το μηδενισμό της εσωτερικής τους μαγνητικής ροπής. Τέτοια συμπεριφορά παρουσιάζουν τα μεταβατικά στοιχεία Cr και Mn όπως και ενώσεις των μεταβατικών στοιχείων με αμέταλλα, όπως MnO, NiO και MnS. Η διαφορά μεταξύ σιδηρομαγνητισμού και αντισιδηρομαγνητισμού βρίσκεται στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ γειτονικών ατόμων, δηλαδή εάν αυτά ενισχύονται ή αντιτίθενται το ένα στο άλλο αντίστοιχα. Στον σιδηριμαγνητισμό τα ιόντα από τα οποία αποτελούνται τα υλικά παρουσιάζουν διαφορετικές μαγνητικές ροπές, οι οποίες υπό την επίδραση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου προσανατολίζονται αντιπαράλληλα, δηλαδή κάποια ιόντα προσανατολίζουν τις μαγνητικές τους ροπές παράλληλα προς το πεδίο και κάποια άλλα αντίθετα. Επειδή όμως οι μαγνητικές ροπές των διαφορετικών ιόντων είναι διαφορετικού μεγέθους προκύπτει τελικά μια συνισταμένη μαγνητική ροπή διαφορετική του μηδενός, η οποία προκαλεί ενίσχυση του μαγνητικού πεδίου. Τα κυριώτερα σιδηριμαγνητικά υλικά είναι οι φερρίτες οι οποίοι είναι μικτά οξείδια του σιδήρου με άλλα μέταλλα. Oι φερρίτες έχουν και αυτοί μαγνητικές περιοχές και βρόγχους υστέρησης όπως τα σιδηρομαγνητικά υλικά. Τα μαγνητικά πεδία που παράγονται σε αυτούς είναι αρκετά ισχυρά και για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές (16, 17). 28