Misel Definisi dan Karakteristik Misel
Misel merupakan agregat dari molekul amfifatik amfifatik dalam air, dengan
bagian
nonpolar berada di dalam dan bagian polar pada permukaan eksterior yang langsung berkontak dengan air. Molekul amfifilik membentuk misel di atas konsentrasi tertentu yang disebut sebagai konsentrasi misel kritis (CMC). Misel diketahui memiliki kemampuan sebagai anisotropik distribusi dalam strukturnya, berarti konsentrasi air menurun dari permukaan menuju inti dari misel, dengan inti yang benar-benar hidrofobik. Oleh karena itu obat yang hidrofobik dapat dienkapsulasi dan disolubilisasi ke inti. Akibatnya, posisi spasial dari obat yang dilarutkan dalam misel akan tergantung pada polaritas, molekul nonpolar akan dilarutkan dalam inti misel, dan zat dengan polaritas antara akan didistribusikan sepanjang molekul surfaktan.
Gambar 1. bentuk misel monolayer
http://www.chem.ucalgary.ca/courses/350/Carey5th/Ch26/ch26-1-2.html
Jenis misel dapat dibagi menjadi 2 berdasarkan fase yang ada, yaitu bentuk yang paling sering ditemui disebut misel fase normal (minyak dalam air), seperti bentuk misel yang biasanya, dimana kepala yang hidrofilik berada di luar inti yang berkontak langsung dengan air. Bentuk yang kedua disebut dengan Misel Invers yang memiliki kelompok kepala yang hidrofilik di pusat dan ekor yang hidrofobik di luar inti (air dalam minyak). Jika misel dilihat dengan mikroskop elektron, maka bentuk misel juga akan terlihat bermacam-macam, tapi secara umum yang dikenal adalah berbentuk bulat. Selain berbentuk bulat, ada juga yang berbentuk ellipsoids dan silinder. Dari semua bentuk yang ada, misel hanya dapat membentuk satu lapis (monolayer). Bentuk dan ukuran misel adalah fungsi dari geometri molekul - molekul surfaktan dan kondisi solusi seperti konsentrasi surfaktan, temperatur, pH, dan kekuatan ion. Proses pembentukan misel dikenal sebagai micellization.
Gambar 2. Jenis misel, Fase Normal (kiri) Misel Invers (kanan)
(http://atrp.gatech.edu/pt18-3/18-3_p3.html. http://ebm.rsmjournals.com/content/232/8/1090/F2.expansion.html)
Gambar 3. Misel berbentuk sferis dan silindris Karakteristik Misel sebagai Pembawa Obat
Ketika molekul amfifatik (yaitu molekul dengan bagian hidrofilik dan hidrofobik) terdispersi dalam air, koloid asosiasi atau misel akan terbentuk di atas konsentrasi misel kritis (CMC) tertentu. Stabilitas misel ini tergantung pada sifat dari efek hidrofilik dan hidrofobik. Nilai CMC yang tinggi menunjukkan pertukaran yang cepat dari komponen konstitutif dan juga disintegrasi yang cepat pada misel setelah pengenceran. Nilai CMC yang rendah menunjukkan bahwa misel stabil dan tidak mudah hancur. Misel yang digunakan dalam sistem penghantaran obat adalah misel yang berasal dari polimer, yang disebut misel polimer. Polimer yang digunakan adalah polimer amfifilik yang tersebar dalam media air. Dalam struktur polimer amfifilik, unit monomer dengan hidrofobisitas yang berbeda dapat dikombinasikan secara acak, yang diwakili oleh dua blok terkonjugasi yang masing-masing terdiri dari jenis monomer yang sama (blok kopolimer tipe AB) atau dibuat dari blok bergantian dengan hidrofobisitas yang berbeda (blok kopolimer tipe ABA). Sistem misel terbentuk berdasarkan blok kopolimer amfifatik dan telah digunakan sebagai sistem pembawa obat yang diberikan secara intravena. Dua tipe blok kopolimer ini adalah tipe yang paling sering digunakan untuk pembentukan misel. Misel yang digunakan sebagai sistem pembawa obat ke target harus cukup stabil dalam sirkulasi darah dan tidak boleh hancur pada kontak dengan komponen darah. Hal ini Ini berarti bahwa nilai CMC dari misel harus sangat rendah. Diameter misel dapat dipilih sehingga berada pada kisaran di mana efek EPR diamati (< 0,2 m) untuk memungkinkan
akumulasi obat, misalnya dalam jaringan tumor atau situs peradangan. Setelah pemberian secara intravena, misel cenderung menumpuk di lokasi tumor dan melepaskan obat di sana. Inti hidrofobik dari misel dapat dimuat dengan obat hidrofobik seperti doxorubicin.
Gambar 4. Struktur Surfaktan Polimer dan kopolimer diblok Keuntungan Misel Polimer sebagai Pembawa Obat
Karakteristik fisikokimia yang pertama adalah ukuran misel polimer yang sangat kecil. Misel polimer biasanya terbentuk dalam rentang diameter 10 - 100 nm dengan distribusi subtansi yang sempit. Rentang ukuran ini dianggap ideal untuk memperoleh sistem pembawa yang stabil pada sirkulasi jangka panjang dalam aliran darah. Selain itu, ukuran kecil dari misel polimer merupakan keuntungan dalam proses sterilisasi pada produksi farmasi. Misel polimer mudah (tanpa clogging partikel berukuran mikron) dan murah (tanpa proses pemisahan lain) disterilkan dengan filtrasi menggunakan filter sterilisasi khas dengan pori – pori berukuran 0,45 mm atau 0,22 mm, karena fakta bahwa misel polimer pada dasarnya bebas dari kontaminasi partikel mikro. Ini adalah kontras yan g baik untuk sistem pembawa nanopartikel lain yang khas (misalnya nanopartikel, liposom) yang membutuhkan proses pembebasan dari kontaminasi partikel berukuran mikron. Karakteristik fisikokimia yang kedua adalah stabilitas struktural yang tinggi. Misel polimer diketahui memiliki stabilitas struktural tinggi yang disediakan oleh belitan (entanglement ) rantai polimer dalam inti. Stabilitas ini memiliki dua aspek yaitu statis dan dinamis. Stabilitas statis digambarkan oleh konsentrasi misel kritis (CMC). Umumnya, misel polimer menunjukkan nilai CMC yang sangat rendah yaitu dalam kisaran dari 1 mg/mL - 10 mg/mL. Kisaran nilai ini jauh lebih kecil dari nilai CMC pada misel yang terbentuk dari surfaktan dengan berat molekul kecil. Aspek kedua yaitu stabilitas dinamis, digambarkan oleh tingkat disosiasi dari misel yang rendah, dan aspek ini mungkin lebih penting daripada aspek statis untuk penghantaran obat secara in vivo dalam lingkungan
fisiologis yang berada pada kondisi tidak seimbang (non-equilibrium). Stabilitas struktural yang tinggi dari misel polimer merupakan kunci penting untuk penghantaran obat dalam bentuk misel secara in vivo. Oleh karena itu, meskipun sama – sama memiliki kata “misel", misel polimer sangat berbeda dari misel yang terbentuk dari surfaktan dengan berat molekul kecil dalam hal sifat fisikokimia. Perbedaan ini sangat penting dalam aplikasi sebagai pembawa obat . Keuntungan ketiga dari misel polimer sebagai sistem pembawa obat adalah kelarutan air yang tinggi bahkan ketika digabungkan dengan sejumlah besar obat hidrofobik. Keuntungan keempat adalah jumlah zat aktif obat yang sampai ke target. Secara umum, dalam sistem konjugasi polimer – obat yang sintetik dan konvensional, serta dalam sistem konjugasi antibodi-obat, hilang atau berkurangnya kelarutan pembawa dalam air dihasilkan akibat konjugasi pembawa dengan obat hidrofobik yang menimbulkan masalah serius. Misel polimer dapat menggabungkan sejumlah besar molekul obat hidrofobik dalam inti misel, dan dapat mempertahankan kelarutannya dalam air dengan menghambat agregasi intermicellar dari inti hidrofobik dengan lapisan kulit terluar hidrofilik yang bekerja sebagai penghalang terhadap terjadinya agregasi intermicellar tersebut. Hal ini adalah keuntungan besar karena banyak obat poten yang telah dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir, bersifat sangat hidrofobik sehingga tidak larut air. Karakteristik lain dari misel adalah toksisitas yang rendah. Umumnya, surfaktan polimer dikenal kurang toksik dibandingkan surfaktan dengan berat molekul rendah seperti natrium dodesil sulfat. Misel polimer dianggap sangat aman dalam kaitannya dengan toksisitas kronis. Memiliki ukuran yang jauh lebih besar daripada ukuran yang dapat di filtrasi di ginjal, misel polimer dapat menghindari filtrasi di ginjal bahkan jika berat molekul blok kopolimer blok penyusunnya lebih rendah dari berat molekul kritis yang dapat di filtrasi ginjal. Di sisi lain, semua rantai polimer dapat dipisahkan (seperti rantai polimer tunggal) dari misel selama periode waktu yang lama. Fenomena ini menghasilkan ekskresi lengkap blok kopolimer dari ginjal jika rantai polimer dirancang dengan berat molekul lebih rendah daripada nilai kritis untuk filtrasi di ginjal. Hasil tersebut merupakan suatu keuntungan dari misel polimer dibandingan dengan sistem pembawa obat yang konvensional (non-micelle) dan sistem pembawa obat dengan polimer non biodegradable .
Keuntungan keenam adalah fakta bahwa berbagai senyawa kimia dapat dimasukkan ke dalam misel polimer. Seperti telah dijelaskan sebelumnya, senyawa kimia yang paling sering diteliti adalah senyawa obat organik dengan berat molekul rendah dan bersifat hidrofobik. Senyawa - senyawa obat ini dapat dimasukkan ke dalam inti misel baik melalui konjugasi secara kimia dengan blok polimer yang membentuk inti misel. Selain itu, juga bisa dimasukkan melalui physical entrapment berupa interaksi hidrofobik antara molekul obat yang terperangkap dan blok polimer pembentuk inti misel (hidrofobik). Adanya interaksi hidrofobik berperan sebagai faktor pendorong untuk pembentukan misel. Di sisi lain, misel polimer terbentuk melalui interaksi ionik antara rantai – rantai polimer yang bermuatan. Sebagai contoh, misel polimer yang tersusun dari blok kopolimer – kopolimer yaitu (PEG)-b-poli-(lysine) dan homopolimer yaitu poli-(asam aspartat) atau ASP, dimana rantai poli-(lysine) bermuatan positif dan rantai poli-(ASP) bermuatan negatif. Jika polipeptida bermuatan negatif atau asam nukleat digunakan untuk menggantikan poli(ASP), makromolekul aktif secara farmakologis ini dimasukkan ke dalam misel polimer untuk tujuan penghantaran di tingkat protein, gen, dan RNA. Selain itu, ion logam atau kelat ion logam dapat dimasukkan ke dalam polimer inti misel polimer melalui ikatan koordinasi atau interaksi ionik. Sebuah kelat platimum sisplatin, yang merupakan obat antikanker yang digunakan secara luas, telah berhasil dimasukkan ke dalam misel polimer yang dibentuk dari PEG-b poli-(ASP) melalui reaksi pertukaran ligan antara residu asam karboksilat dari rantai poli-(ASP) dan ion klorida dari sisplatin. Ion – ion Gadolinium (Gd), yang dapat bekerja sebagai MRI (agen pencitraan), yang dimasukkan ke dalam misel polimer dengan menggunakan blok kopolimer yang terkonjugasi di bagian kelat. Sebagaimana dinyatakan di atas, berbagai obat-obat farmasi, gen, dan agen pencitraan dapat dimasukkan ke dalam misel polimer dengan pemilihan struktur blok kopolimer yang tepat. Kerugian Misel Polimer sebagai Pembawa Obat
Terdapat keempat kelemahan dari sistem misel polimer, dua di antaranya spesifik terhadap polimer yang-misel, sedangkan dua kelemahan lain bersifat umum untuk sistem pembawa polimer termasuk sistem pembawa non-misel. Kerugian pertama adalah fakta bahwa tingkat ikatan kimia pada polimer yang relatif tinggi dalam misel polimer. Blok kopolimer tipe AB merupakan salah satu struktur yang
paling menguntungkan bagi misel polimer. Struktur blok kopolimer tipe AB sangat sederhana. Namun, proses sintesisnya lebih sulit. Para peneliti mungkin mengalami masalah dalam sintesis blok kopolimer blok pada skala industri besar. Kerugian kedua, khususnya, untuk sistem misel polimer adalah teknologi yang belum matang untuk pemasukkan zat aktif ke dalam inti misel secara fisik. Saat ini tampaknya tidak ada metode penggabungan universal yang berlaku untuk semua polimer. Selain itu, dalam beberapa metode, penggabungan obat mungkin sulit pada skala industri besar, sedangkan penggabungan obat mudah dan efisien dalam skala laboratorium kecil. Kelemahan ketiga adalah risiko toksisitas kronis di hati. Obat yang terkonjugasi atau tergabung dalam sistem pembawa polimer dimetabolisme di hati dengan cara yang lebih lambat dari obat bebas, karena akses enzim metabolisme terhadap obat dihambat karena konjugasi dan penggabungan tersebut. Oleh karena itu, efek samping toksik dari obat terkonjugasi mungkin ditunjukkan untuk jangka waktu lebih lama dari kasus obat bebas yang efek toksik dapat diturunkan melalui metabolisme dalam waktu singkat
Kegunaan Misel
Zat yang sukar larut dalam air, agen hidrofobik yang diketahui terkait dengan masalah dalam aplikasi terapi seperti penyerapan yang sulit dan kurangnya bioavailabilitas, serta agregasi terkait obat komplikasi seperti emboli. Di sisi lain, kelarutan air yang buruk dikaitkan dengan banyak obat, khususnya obat antikanker. Misel polimer dapat meningkatkan kelarutan air obat sebanyak 50x. Namun, obat harus memiliki hidrofobisitas yang cukup untuk menembus sel membran dan diharuskan larut terlebih dahulu. Untuk mengatasi masalah ini, digunakan kopolimer amfifilik untuk mengatasinya. Misel polimer memiliki inti yang terdiri dari blok kopolimer hidrofobik di mana obat terperangkap, dan kulit terluar terdiri dari blok kopolimer hidrofilik yang mengurangi interaksi obat dengan lingkungan air di luar, menjaganya agar tetap stabil. Menariknya, misel hidrofilik stabil dalam plasma untuk durasi yang lebih lama dan juga mencegah opsonisasi mereka. Misel polimer memiliki beberapa keuntungan yang kuat, seperti sifat fisikokimia yang dimiliki untuk penargetan tumor dengan mekanisme penargetan pasif disebut enhanced permeability and retention (EPR) effect . Untuk penargetan tumor di situs yang tidak dapat diakses oleh obat konvensional harus diberikan melalui rute parenteral, dan
dengan pembawa obat memiliki sifat seperti biodegradabilitas, ukuran partikel kecil, kapasitas loading yang tinggi, sirkulasi berkepanjangan, dan dapat akumulasi di situs patologis yang diperlukan. Semua sifat ini terdapat pada misel polimer. Misel polimer juga dapat direkayasa dengan cara menyambungkan ligan atau penambahan gugus yang sensitif pH sesuai dengan karakteristik biologi dari situs patologis sasaran untuk penargetan aktif. Berbagai ligan yang berbeda seperti gula, transferin, residu folat, dan peptida telah melekat pada misel polimer untuk penargetan aktif. Dengan demikian, misel polimer bertindak sebagai pembawa obat yang ideal untuk menargetkan sel-sel kanker. Dengan demikian, misel digunakan sebagai sistem penghantaran obat ke sel, jaringan atau organ tertentu. Pentargetan ini terutama ditujukan untuk obat – obat kanker seperti doxorubisin, tamoxifen atau obat – obat yang memiliki banyak efek samping, sehingga dapat mengurangi efek samping obat karena sediaan dengan sistem pembawa misel ini dirancang untuk pelepasan obat di hanya situs tertentu saja sehingga kemungkinan berikatan dengan situs lain dapat dihilangkan. Pemakaian misel bergantung pada tujuan penghantaran obat. Selain berisi obat – obat farmasi, misel sebagai pembawa dapat dimasukkan gen, dan agen untuk pencitraan seperti ion Gadolinium dengan pemilihan struktur blok kopolimer yang tepat.
Gambar 5. kegunaan misel polimer
Polimer yang Digunakan
Polimer yang biasa digunakan dalam persiapan misel polimer adalah diblock kopolimer amfifilik. Masing-masing memiliki kelebihan yang unik untuk penghantaran obat, sehingga polimer yang tepat dapat dipilih untuk mencapai tujuan penting sehingga untuk memodifikasi profil pelepasan obat, untuk memperpanjang waktu sirkulasi, atau untuk memperkenalkan target. Bagian luar hidrofilik dapat terdiri dari polieter seperti PEGdan poli (etilen oksida) (PEO). Kerangka hidrofilik lainnya terdiri dari polimer seperti poli (acryloylmorpholine), poli (trimetilen karbonat), dan poli (vinylpyrrolidone). Kadangkadang bagian hidrofilik terdiri dari campuran polimer seperti PEO dan polyelectrolyte. Polimer hidrofilik ini memberikan sifat unik untuk misel polimer, yang memungkinkan mereka untuk menghindari penyerapan oleh reticuloendothelial system (RES), yang sangat penting untuk mencapai waktu sirkulasi yang lama dalam darah. Rantai PEG kebanyakan memiliki panjang rantai dari 1-15 kDa, namun rantai PEG akan memberikan kepadatan yang lebih pada korona hidrofilik, sehingga meningkatkan sifat unik dan waktu sirkulasi in vivo. Blok kopolimer seperti PEO-poli (l-asam amino) yang digunakan yang menyediakan kelompok fungsional yang dapat diderivatisasi untuk meningkatkan sifat inti pembentuk blok sesuai kebutuhan pengiriman obat. Misalnya, di P EO-poli (l-aspartat) fungsi karboksil dari poli (l-aspartat) blok berguna untuk berkonjungasi dengan zat aktif. Inti hidrofobik terdiri dari poli (l-amino acid), poliester, dan Pluronics (BASF Corp). Poli umum digunakan (l-asam amino) adalah poli (l-aspartat) dan poli (l-glutamat), yang dapat diderivatisasi pada kelompok fungsional mereka. Untuk tujuan pemberian obat, beberapa Poliester yang paling sering digunakan adalah poli (asam glikolat), poli (d-asam laktat), poli (d, l-asam laktat), kopolimer dari laktida atau glikosida, dan poli (ɛkaprolakton) . Pluronics adalah triblock kopolimer yang juga dikenal sebagai Polaksamer poloksamer, ini adalah poli (etilen oksida)-b-poli (propilena oksida)-b-poli (etilena oksida). Jenis kopolimer blok umumnya dinyatakan sebagai PEOm/2-b-PPOn-b -PEOm/2, di mana m dan n menunjuk jumlah total rata-rata dari PEO dan unit ulangi PPO dan b singkatan dari "blok". Ukuran blok PPO mempengaruhi CMC dan partisi dari gugus hidrofobik dalam misel. Selain itu, ada juga yang menghambat aksi penghabisan P-glikoprotein, yang terkait dengan multidrug resistance. Pluronics dapat menyebabkan perubahan pada tingkat ATP intraseluler dan fluidisasi membran di monolayer sel endotel, yang mengakibatkan
penghambatan dari sistem drug-efflux P-glycoprotein. Ditemukan bahwa polimer blok Pluronic menyebabkan penurunan yang signifikan dalam kadar ATP dalam sel mitokondria (MDR), karena drug-efflux P-glikoprotein membutuhkan konsumsi energi ATP, ini bisa menjadi salah satu alasan untuk menghambat fungsi P-glikoprotein. Dengan demikian, misel polimer memiliki potensi tambahan penekanan MDR, yang dimediasi terutama oleh monomer. Dengan rekayasa kopolimer blok tersebut, temporal dan kontrol distribusi dapat dicapai. Kontrol Temporal mencakup kemampuan untuk menyesuaikan periode waktu yang lebih dari pelepasan obat yang seharusnya terjadi atau kemampuan untuk memicu pelepasan obat pada waktu tertentu selama pengobatan. Preparasi Pembuatan
Setelah sintesis polimer, polimer yang diizinkan untuk dibuat misel harus dimurnikan dahulu, dan berbagai teknik dapat digunakan. Pemasukan atau enkapsulasi obat dapat dilakukan dengan konjugasi kimia (misalnya melalui ikatan amida) atau entrapment physics. Afinitas obat terhadap misel polimer atau pemuatan dalam inti misel dapat ditingkatkan dengan pilihan yang tepat dari blok hidrofobik kopolimer. Dalam satu studi, Yokoyama et al menggunakan baik konjugasi kimia dan entrapment physics doxorubicin dalam misel blok kopolimer PEO-poli (l-aspartat). Ketika blok kopolimer AB yang digunakan, suatu bentuk struktur misel salah satu segmen dari blok kopolimer dapat memberikan interaksi yang cukup kohesif merantaikan dalam pelarut. Obat yang berinti enkapsulasi melibatkan interaksi kohesif seperti hidrofobik, elektrostatik, π-π interaksi, dan ikatan hidrogen, tetapi menjadi buruk larut dalam air. Misel polimer dengan cross-linking di inti dihasilkan setelah pemanasan larutan berair dari blok kopolimer di atas nilai CMC mereka, diikuti oleh pencahayaan di hadapan sebuah photoinitiator. Ini menstabilkan morfologi misel. Metode yang biasa digunakan untuk enkapsulasi adalah metode dialisis, metode penguapan pelarut emulsi minyak dalam air, dan metode dispersi padat. Satu lagi yang inovatif, satu-langkah metode penyusunan misel polimer terdiri dari liofilisasi dari campuran larutan obat dan polimer dalam sistem air-tert-butanol. a. Metode Dialisis
Metode dialisis melibatkan penambahan sejumlah kecil air untuk melarutkan polimer dan obat dan dicampur dengan pelarut organik seperti dimetil formamida dengan pengadukan serta diikuti oleh dialisis terhadap kelebihan air yang ada selama beberapa jam menggunakan kantong dialisis untuk menghilangkan pelarut organik. b. Metode penguapan pelarut emulsi minyak dalam air Obat bersama dengan polimer dilarutkan dalam pelarut air bercampur pelarut organik seperti tetrahidrofuran, kloroform, aseton, atau campuran pelarut seperti kloroform dan etanol, dan larutan ini perlahan-lahan ditambahkan ke air suling dengan pengadukan yang kuat untuk membentuk emulsi dengan fasa organik internal dan fasa berair terus menerus. Terkadang surfaktan seperti alkohol polivinil digunakan dalam larutan berair. Emulsi ini kemudian disimpan di udara terbuka dengan pengadukan sehingga semua pelarut organik menguap. c. Metode Dispersi Padat Metode ini, obat bersama dengan polimer dilarutkan dalam pelarut organik, dan matriks polimer padat diperoleh setelah penguapan pelarut pada tekanan rendah. Misel polimer diperoleh setelah penambahan air dan dipanaskan secara perlahan. d. Metode Pemisahan Mikrofase Dalam
metode
ini
obat
dan
polimer
dilarutkan
dalam
pelarut
organik
(tetrahidrofuran), dan larutan tersebut diteteskan dalam air dengan pengadukan magnetik. Misel polimer yang terbentuk secara spontan, dan zat aktif obat terperangkap di bagian dalam misel. Pelarut organik dihilangkan pengurangan tekanan.
Tabel . contoh polimer sintesis yang sering digunakan dan aplikasinya
