ساخت و بررسی مقایسه‌ای دو نوع نانوکپسول کیتوزان- دکستران سولفات حامل آنزیم آلفا آمیلاز

نویسندگان

1 دانشکده علوم پایه، دانشگاه مازندران، بابلسر، ایران

2 دانشکده پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی بابل، بابل، ایران

چکیده

مقدمه و هدف: آلفا آمیلاز از آنزیم‌های هیدرولازی در تجزیه نشاسته است و کاربردهای وسیعی در زیست‌فناوری و صنایع مختلف دارد اما همانند سایر آنزیم‌ها حساسیت و پایداری پایین، باعث محدودیت استفاده از آن می‌شود. تثبیت آنزیم، بهترین روش برای افزایش پایداری آن‌ها است.
مواد و روش ها: در این پژوهش برای اولین بار، تثبیت آلفا آمیلاز درون نانوکپسول‌های ساخته شده از پلیمرهای کیتوزان و دکستران سولفات انجام شد. نانوکپسول دیگری نیز پس از عامل دار کردن کیتوزان با گروه کربوکسیل ساخته شد و بازده تثبیت و حساسیت به pH آنها در نانوکپسول‌های سنتز شده با نسبت‌های مختلف دکستران سولفات مورد ارزیابی قرار گرفت.
نتایج: بازده تثبیت آلفا آمیلاز در نانوکپسول معمولی و نانوکپسول با کیتوزان عامل دار به ترتیب برابر با 70 و 80 درصد بود. میزان کپسوله شدن در نانوکپسول‌های کربوکسیل‌دار همواره بیشتر از نانوکپسول‌های معمولی بوده و این روند در مورد تمام نسبت‌های مختلف دکستران سولفات مشاهده شد. به علاوه این نانوکپسول رفتار حساس به pH‌ را به خوبی از خود نشان داد. از سوی دیگر میزان تورم و سرعت رهاسازی آنزیم در pH‌های 1.2، 5 و 7.4 در نانوکپسول کربوکسیله کاهش یافت و در نتیجه نانوکپسولی پایدارتر و با سرعت رهایش آهسته‌تر به دست آمد (001/0 p < /span><). به علاوه این نانو کپسول در محافظت از فعالیت آنزیم در برابر شرایط محیطی نیز موفق بود.
نتیجه‌گیری: با کربوکسیله کردن، خواص سطحی کیتوزان بهبود یافت و نانوذره پایدارتری نسبت به کیتوزان معمولی حاصل شد؛ بنابراین از این نوع نانوکپسول می‌توان برای تحویل خوراکی بسیاری از داروها به خصوص مولکول‌های پروتئینی استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Synthesis and comparative study of two types of chitosan-dextran sulfate nanocapsules loaded with alpha-amylase

نویسندگان [English]

  • Kadijeh Moradi 1
  • Ali Taravati 1
  • Fatemeh Tohidi 2
چکیده [English]

Background and Objective: Alpha-amylase is a hydrolytic enzyme in starch degradation and has many applications in biotechnology and various industries but, like other enzymes, sensitivity and low stability limit its use. Enzyme immobilization is the best way to increase their stability.
Materials and Methods: In this study, for the first time, the immobilization of alpha-amylase was done in nanocapsules synthesized by chitosan and dextran sulfate polymers. Another nanocapsule was made after functionalization of chitosan with carboxyl group. The immobilization efficiency and pH-sensitivity of nanocapsules synthesized with different ratio of dextran sulfate and of the nanocapsules were also investigated.
Results: The immobilization efficiency of conventional nanocapsules and functionalized chitosan nanocapsules were 70% and 80%, respectively. The encapsulation efficiency in carboxylated chitosan was always higher than that of conventional chitosan, and this trend were seen for all different ratios of dextran sulfate. Also this nanocapsule exhibited good pH-sensitive behavior. The rate of swelling and release of the enzyme were decreased at pH 1.2, 5 and 7.4 in functionalized nanocapsules, and therefore nanocapsule with higher immobilization efficiency and sustained release was obtained. Also, this nanocapsule was also successful in protecting the enzyme from environmental conditions.
Conclusion: The surface properties of chitosan improved by carboxylating and the more stable nanoparticles were produced compared with conventional chitosan. Therefore, this nanocapsule can be used for oral delivery of many drugs, especially protein molecules.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Alpha Amylase
  • Dextran Sulfate
  • Encapsulation
  • Chitosan
1. Cowan DA, Fernandez-Lafuente R. Enhancing the functional properties of thermophilic enzymes by chemical modification and immobilization. Enzyme and Microbial Technology 2011; 49(4):326-46. 2. Jadhav SB, Singhal RS. Conjugation of α-amylase with dextran for enhanced stability: process details, kinetics and structural analysis. Carbohydrate Polymers 2012; 90(4):1811-7. 3. Janeček Š, Svensson B, MacGregor EA. α-Amylase: an enzyme specificity found in various families of glycoside hydrolases. Cellular and Molecular Life Sciences 2014; 71(7):1149-70. 4. Svensson B, Tovborg Jensen M, Mori H, Bak-Jensen KS, Bonsager B, Nielsen PK, Kramhoft B, Prætorius-Ibba M, Nohr J, Juge N, Greffe L. Fascinating facets of function and structure of amylolytic enzymes of glycoside hydrolase family 13. Biologia-Bratislava 2002; 57(SUP/2):5-20. 5. Konsoula Z, Liakopoulou-Kyriakides M. Co-production of α-amylase and β-galactosidase by Bacillus subtilis in complex organic substrates. Bioresource Technology 2007;98(1):150-7. 6. Karigar CS, Rao SS. Role of microbial enzymes in the bioremediation of pollutants: a review. Enzyme Research 2011. 7. Wu CH, Mulchandani A, Chen W. Versatile microbial surface-display for environmental remediation and biofuels production. Trends in Microbiology 2008; 16(4):181-8. 8. Amirbandeh M, Taheri-Kafrani A, Soozanipour A, Gaillard C. Triazine-functionalized chitosan-encapsulated superparamagnetic nanoparticles as reusable and robust nanocarrier for glucoamylase immobilization. Biochemical Engineering Journal 2017; 127:119-27. 9. Wang P, Wang P, Tian J, Yu X, Chang M, Chu X, Wu N. A new strategy to express the extracellular α-amylase from Pyrococcus furiosus in Bacillus amyloliquefaciens. Scientific Reports 2016; 6: 22229. 10. DiCosimo R, McAuliffe J, Poulose AJ, Bohlmann G. Industrial use of immobilized enzymes. Chemical Society Reviews 2013; 42(15):6437-74. 11. Nisha S, Karthick SA, Gobi N. A review on methods, application and properties of immobilized enzyme. Chemical Science Review and Letters 2012; 1(3):148-55. 12. Zhang Y, Ge J, Liu Z. Enhanced activity of immobilized or chemically modified enzymes. Acs Catalysis 2015; 5(8):4503-13. 13. Bommarius AS, Paye MF. Stabilizing biocatalysts. Chemical Society Reviews 2013; 42(15):6534-65. 14. Mahmoud DA, Helmy WA. Potential application of immobilization technology in enzyme and biomass production. Journal of Applied Sciences Research 2009; 5(12):2466-76. 15. Cipolatti EP, Valerio A, Henriques RO, Moritz DE, Ninow JL, Freire DM, Manoel EA, Fernandez-Lafuente R, de Oliveira D. Nanomaterials for biocatalyst immobilization–state of the art and future trends. RSC Advances 2016; 6(106):104675-92. 16. Kulbokaite R, Ciuta G, Netopilik M, Makuska R. N-PEGylation of chitosan via “click chemistry” reactions. Reactive and Functional Polymers 2009; 69(10):771-8. 17. Elgadir MA, Uddin MS, Ferdosh S, Adam A, Chowdhury AJ, Sarker MZ. Impact of chitosan composites and chitosan nanoparticle composites on various drug delivery systems: A review. Journal of Food and Drug Analysis 2015; 23(4):619-29. 18. Bhavani AL, Nisha J. Dextran—the polysaccharide with versatile uses. International Journal of Pharmacy and Biological Sciences 2010;1(4):569-73. 19. Pacelli S, Paolicelli P, Casadei MA. New biodegradable dextran-based hydrogels for protein delivery: Synthesis and characterization. Carbohydrate Polymers 2015; 126:208-14. 20. Chen F, Huang G. Preparation and application of dextran and its derivatives as carriers. International Journal of Biological Macromolecules 2019. 21. Sun Y, Wan A. Preparation of nanoparticles composed of chitosan and its derivatives as delivery systems for macromolecules. Journal of Applied Polymer Science 2007; 105(2):552-61. 22. Reis CP, Ribeiro AJ, Houng S, Veiga F, Neufeld RJ. Nanoparticulate delivery system for insulin: design, characterization and in vitro/in vivo bioactivity. European Journal of Pharmaceutical Sciences 2007; 30(5):392-7. 23. Reis CP, Ribeiro AJ, Veiga F, Neufeld RJ, Damgé C. Polyelectrolyte biomaterial interactions provide nanoparticulate carrier for oral insulin delivery. Drug Delivery 2008; 15(2):127-39. 24. Anitha A, Deepagan VG, Rani VD, Menon D, Nair SV, Jayakumar R. Preparation, characterization, in vitro drug release and biological studies of curcumin loaded dextran sulphate–chitosan nanoparticles. Carbohydrate Polymers 2011; 84(3):1158-64. 25. Gombotz WR, Wee SF. Protein release from alginate matrices. Advanced Drug Delivery Reviews 2012; 64:194-205. 26. Schmaljohann D. Thermo-and pH-responsive polymers in drug delivery. Advanced Drug Delivery Reviews 2006; 58(15):1655-70. 27. Van der Merwe SM, Verhoef JC, Verheijden JH, Kotzé AF, Junginger HE. Trimethylated chitosan as polymeric absorption enhancer for improved peroral delivery of peptide drugs. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 2004;58(2):225-35. 28. Zhang Y, Ge J, Liu Z. Enhanced activity of immobilized or chemically modified enzymes. ACS Catalysis 2015;5(8):4503-13.