Alendronate-Layered Double Hydroxide Hybrid for Bone Anti-resorptive Therapy

Abstract

A novel drug delivery system has prepared by using layered double hydroxide (LDH) based nanohybrid, in which alendronate (AL), one of nitrogen-containing bisphosphonate drugs, has been intercalated into LDH. Our purpose of this study is to improve the drug efficacy of AL with LDH based nanohybrid on the proliferation and osteogenic differentiation of osteoblast-like cell (MG-63) line adipose stem cell (ADSC) line. This novel AL-LDH nanohybrid was synthesized via conventional ion-exchange reaction. According to the powder X-ray diffraction (PXRD) analysis, the basal spacing of AL-LDH nanohybrid is determined to be 11.3 Å, which is the sum of the layer thickness of parallel-arrangement of AL, indicating that the AL is successfully incorporated into LDH layers. From the FT-IR spectra, the peaks corresponding to the stretching vibrations of AL was also observed in the AL-LDH nanohybrid, indicating that deprotonated AL was electrostatically bound to the cationic LDH layers. From the SEM and zeta-size analysis, the AL-LDH nanohybrid possessed plate-like morphology with primary particle size of 100 nm. The content of AL in the AL-LDH nanohybrid was determined to be 36.9% by UV-Vis spectrophotometric analysis. Furthermore, in-vitro release test showed that was very slowly released out of the LDH lattice, and the total amount of AL from the nanohybrid for 100 days is about to 9.5%, which is caused by the very strong electrostatic interaction between bisphosphate groups in AL and LDH lattice. In-vitro cytotoxicity test has been examined by MTT assay with adipose stem cell (ADSC) and MG-63 cells. AL-LDH did not show any significant cytotoxicity in a dosage less than 100 µg/mL on both cell lines. Additionally, the proliferation test of ADSC and MG-63 cells show that AL-LDH nanohybrid-treated group had considerably higher proliferation activity than those treated with intact AL (positive control) at all incubation times and every concentration. Alkaline phosphatase activity in the AL-LDH nanohybrid-treated groups was higher than AL-treated groups after 48 h 72 and 96 h respectively. This result strongly suggests that AL-LDHs are effectively transported into the cell by the clathrin-mediated cellular uptake, so the internalization of conjugated drug molecules with the AL-LDH nanohybrid at low dosage results in highly efficient drug delivery into the cells.;이 논문에서 알렌드로네이트-금속이중층 수산화물 나노하이브리드를 이용하여 뼈 질환의 치료를 극대화 시킬 수 있는 약물전달에 관한 것으로 금속이중층 수산화물이 가지고 있는 표면 전위와 세포 특이성과을 이용하여 약물의 효과적인 전달하는 시스템을 개발 하였다. 뼈 질환 연구에 많이 사용되고 있는ADSC과MG-63 세포에서 합성된 나노하이브리드는 기존의 제형인 알렌드로네이트 보다 높은 세포 증식과 분화 실험을 통하여 확인할 수 있었다. 첫째로, X선 회절분석을 통해 pristine 금속이중층 수산화물 (8.7 Å)와 비교해 보았을 때 알렌드로네이트-금속이중층 수산화물 나노하이브리드의 층간 거리가 11.3 Å로 증가된 것을 확인할 수 있었다. 이는 금속이중층 수산화물의 두께인 4.8 Å과 알렌드로네이트의 길이의 합과 같음을 확인했다. 변환적외분광법을 이용해 탈수소된 알렌드로네이트가 나노하이브리드에서 확인되었으며 주사전자현미경과 동적관상란광도계 분석을 통하여 알렌드로네이트-금속이중층수산화물 나노하이브리드 크기대략 100 nm을 증명할 수 있다. 자외-가시선분광광도계를이 이용하여 36.9% 알렌드로네이트가 알렌드로네이트-금속이중층수산화물 나노하이브리드 안에 담지되었음을 확인했다. 또한, 약물 방출 실험을 pH 7.4 PBS 용액에서 수행하여 100일간 약물의 서방형 방출곡선을 얻었다. 또한 세포실험 독성 결과는 ADSC 과 MG-63 세포에서 각각 순수약물 및 합성한 알렌드로네이트-금속이중층수산화물 나노하이브리드 처리를 하였을 때 100 µg/mL 의 높은 농도에서도 독성이 나타나지 않았다. 세포증식 실험과 세포 분화를 측정하는 실험에서ADSC 과 MG-63 세포주 모두에서 순수 약물을 처리를 하였을 때 보다 알렌드로네이트-금속이중층수산화물 나노하이브리드에서 높은 약효를 확인할 수 있었다. 따라서 알렌드로네이트-금속이중층수산화물 나노하이브리드는 질환의 치료를 극대화 시킬 수 있는 효과적인 약물 전달 시스템이다.