Examination of the effect of PEG-Rich matrices in Multi Drug Resistance-Associated Protein (MRP) and Multi Drug Resistance (MDR) substrates transport utilizing the CaCo-2 Cell Model

Abstract

Multidrug resistance (MDR) is responsible for the low absorption of a very wide range of drugs and has been recognized as one of the major hurdles in drug absorption. Crosslinked poly(ethylene glycol) based morphologies are being proposed as multidrug resistance (MDR1) and multidrug resistance associated protein (MRP) inhibitors with the added advantage that these can be tailored for controlled drug delivery applications. For this purpose, three design variables were studied; the PEG tethered chain length, crosslinker length, and particle size. Results demonstrated that the length of the tethered chain has an important role on the properties of the hydrogel, specifically swelling ratio, correlation length, and diffusion mechanism. As the length of the tethered chain increased, the diffusion mechanism changed from almost Fickian to relaxation controlled. The hydrogels were considere not cytotoxic after appropriate wash protocol was established, thus cytotoxic effect can be dismissed. Also, the hydrogels demonstrated that they have MRP inhibitory effects by successfully enhancing the transport of fluorescein sodium salt (FLUO) up to 250%. The transport enhancement appears to be dependent on the hydrogel morphology as well (crosslinker and tethered chain length). Temperature effect experiments seem to confirm that this transport enhancement is due to an active interaction with the MRP proteins, since no effect was observed at 4°C. Polymers also demonstrated to have transport enhancement of the MDR1 substrate Rhodamine 123 (RHO) of up to 350%. This effect was found to be dependent on the length of the tethered chain as well as the concentration of the suspension. These observations suggest a possible competitive action. The potency of the hydrogel inhibition appears to be greater than the known inhibitors verapamil, genistein, and probenecid, but similar to the linear PEG-300 morphology. Contrary to the expected results a reduction in particle size did not produce an increase in transport enhancement, possibly due to direct interaction effects. Finally, no correlation was observed between membrane fluidity and transport enhancement, suggesting other mechanisms are present. Therefore, we can conclude that PEG based hydrogels are potential candidates for controlled drug delivery devices that could be used in conjuntio with the inhibition of MRP and MDR1 proteins.

La resistencia múltiple a medicamentos es responsable por la baja absorción de una amplia gama de medicamentos y está reconocida como una de las barreras de absorción. Morfologías basadas en poli(glicol de etileno) (PEG) entrecruzado están siendo propuestas como inhibidores de las proteínas asociadas a la resistencia de medicamentos (MDR1 y MRP) con la ventaja adicional de que estas pueden ser diseñadas para aplicaciones de liberación controlada de medicamentos. Con este propósito, tres variables de control fueron estudiadas, el largo de las ramificaciones de PEG, el largo del entrecuzante y el tamaño de partículas. Los resultados demostraron que el largo de las ramificaciones tienen un rol importante en las propiedades de la gel hidrofílica, especialmente en la razón de hinchamiento, el largo de correlación, y el mecanismo de difusión. El mecanismo de difusión cambió de casi Fickiano a controlado por la relajación de las cadenas con un aumento en el largo de las ramificaciones. Las geles demonstraron no tener efecto cytotóxico luego de implantar el protocolo de lavado, por lo tanto los efectos cytotóxicos pueden ser descartados. También, las geles hidrofílicas demostraron tener propiedad inhibitorias de las proteínas MRP al aumentar el transporte de la sal de sodio de fluoresceína (FLUO) hasta 250%. Este aumento en transporte aparenta ser también función de la estructura del gel (largo de raminificaciones y de entrecruzante). Los experimentos de efectos de temperatura aparentan confirmar que este aumento en transporte es debido a una interacción interactiva, pues el efecto no fue observado a 4 ºC. Los polímeros también demostraron aumento en el transporte de Rhodamina 123, un substrato de MDR1, de hasta 350%. Los resultados demuestran que este efecto es función del largo de las ramificaciones y la concentración de las suspensiones. Estas observaciones sugieren una posible interacción competitiva. Al comparar los efectos de inhibición de estos polímeros con los inhibidores conocidos verapamil, genisteina, y probenecid, se encontró que los polímeros sobrepasan en potencia a estos inhibidores, pero similar a la morfología lineal de PEG-300. Contrario a los resultados esperados, reducir el tamaño de partícula no resultó en un aumento en los efectos de inhibición. Finalmente, no se encontró una correlación en los efectos de fluidez de membrana y el aumento en transporte, sugiriendo que otros mecanismos están presentes. Por lo tanto, podemos concluir que geles hidrofílicas con base de poli(glicol de etileno) son posibles candidatos para liberación controlada de medicamentos y a la vez inhibir las proteínas de resistencia múltiple a medicamentos MDR1 y MRP.