Controlled release drug delivery systems for osteoporosis pharmaceuticals based on silica hydrogels

Abstract

Gel systems have found extensive applications in the medicinal/pharmaceutical field because of their ease of preparation, ability for modifications, and responsiveness to external chemical or physical stimuli. Gels usually act as hosts for active pharmaceutical agents for a variety of pathological conditions. They function as controllers of the release of pharmaceuticals that have proven to be “problematic” because they are either unsuitably insoluble to biological fluids, or they are metabolized unacceptably rapidly.Among the known bone diseases (osteoporosis, osteoarthritis, multiple myeloma, Paget’s disease and several others), the most challenging is osteoporosis, which burdens millions of people compromising patients’ quality of life. The recommended pharmaceutical treatment is the use of bis-phosphonates (BPs, a.k.a. “-dronates”). Etidronic acid (ETID) is the first osteoporosis treatment to enter the market (1977), while zoledronic acid is one of the treatments that followed (2007). Studies with N-containing BPs have shown that they are taken up by mature osteoclasts and inhibit farnesyl pyrophosphatase synthase, an enzyme of the mevalonate pathway. Their success in mitigating osteoporosis notwithstanding, these “-dronate” drugs present a number of challenges including limited bioavailability, fast excretion, and numerous side-effects, such as osteonecrosis of the jaw, hypocalcemia, esophageal cancer, ocular inflammation, atrial fibrillation, etc.. It is, therefore, imperative to design and fabricate “smart” systems that allow controlled delivery of the active BP agent, which will depend on the patient’s needs and idiosyncrasies. In this study, we report a detailed study on an easy-to-prepare a silica hydrogel-type DDS that can host and incorporate a variety of BPs. Several factors have been found to influencinge the controlled release of the active BP have been found, such as cations present in the gel, active groups on the BP backbone, gel density, and temperature. These systems are intended for potential biomedical applications.

Ασθένειες που προσβάλλουν τα ανθρώπινα οστά (Οστεοπόρωση, νόσος Paget, πολλαπλό μυέλωμα, καρκίνος των οστών κτλ.) θεωρούνται από τις σοβαρότερες και συνοδεύονται με μείωση του βιοτικού επιπέδου του ασθενούς, ιδιαίτερο πόνο και υψηλή θνησιμότητα[1].Τις τελευταίες δεκαετίες η χρήση των Διφωσφονικών Οξέων (Bisphosphonates) πρωτοστατεί στα ιατρικά πρωτόκολλα πρόληψης και καταπολέμησης των παραπάνω ασθενειών. Γνωστά ως “Dronates” στο ευρύ κοινό, τα φαρμακευτικά σκευάσματα που κυρίως αποτελούνται από διφωσφονικές ενώσεις και παράγωγά τους βρίσκονται αισίως στην 4η γενιά τους. Η χρόνια χορήγησή τους όμως στους ασθενείς γνωρίζουμε πως επισείει μια σειρά παρενεργειών και προβλημάτων όπως, νέκρωση του οστού της κάτω γνάθου, καρκίνο του Οισοφάγου, Κολπική Μαρμαρυγή κτλ. Η πλειονότητα των επιπτώσεων κατά τη χρήση προκύπτει από την ανάγκη χορήγησης υψηλών, σε συγκέντρωσηΔιφωσφονικού, δόσεων στους ασθενείς καθώς οι εν λόγω ενώσεις παρουσιάζουν γρήγορη απέκκριση μέσω του ανθρώπινου μεταβολισμού. Προσεγγίζοντας τα προβλήματα υπό το πρίσμα της Ελεγχόμενης Αποδέσμευσης Φαρμάκων (ControlDrugRelease), η επιστημονική κοινότητα επιχειρεί να δώσει λύσεις και απαντήσεις σε αυτά. Πληθώρα Συστημάτων Μεταφοράς Φαρμάκου (D.D.S. – DrugDeliverySystems) αναπτύχθηκαν και εφαρμόζονται σε θεραπευτικά πρωτόκολλα για Φυτά και Ζώα. Αξίζει να αναφερθούμε στις Πολυμερικές Μήτρες (PolymerMatrices) που συμβάλλουν ώστε το φάρμακο να απελευθερωθεί στις κατάλληλες περιοχές (π.χ. υπερκεκάζοντας τις όξινες συνθήκες του στομάχου με σκοπό την απελευθέρωσή του στο έντερο). Άλλα παραδείγματα αποτελούν οι νανοδομές και μικροσυσκευές που φιλοξενούν (hosting) φαρμακευτικές ενώσεις με στόχο την αποδέσμευσή τους με συγκεκριμένους ρυθμούς και σε ορισμένα σημεία του σώματος. Βασική προϋπόθεση για τη σχεδίαση και ανάπτυξη παρόμοιων συστημάτων είναι η χρήση μη κυτταροτοξικών και βιοαποικοδομήσιμων πρώτων υλών. Στη παρούσα διατριβή σχεδιάστηκε και επετεύχθη η σύνθεση μιας μήτρας(matrix) με βάση τα άμορφα άλατα του Πυριτικού Οξέος (Silicates) σε μορφή υδρογέλης (Hydrogel). Κατά την σύνθεση των υδρογελών προστέθηκαν εφτά διαφορετικά Διφωσφονικά Οξέα, εντός των οποίων υπήρξαν και σκευάσματα/ενώσεις των τεσσάρων διαφορετικών γενεών φαρμάκων αλλά και νέων/πειραματικών. Με τη χρήση αναλυτικών τεχνικών (NMRsolution/solidstate, FT-IR, X-rayDiffraction , SEM, EDS κτλ) μελετήθηκαν τα δομικά χαρακτηριστικά του συστήματος της υδρογέλης/μήτρας, οι αλληλεπιδράσεις της με το εκάστοτε φάρμακο, καθώς επίσης και το φαινόμενο της διάχυσης/αποδέσμευσης των φαρμακευτικών ενώσεων από τη μήτρα και σε περιβάλλον όξινο, το οποίο προσομοιάζει τις συνθήκες του ανθρώπινου στομάχου. Η δυνατότητα σύνθεσης των φαρμακευτικών ενώσεων (bisphosphonates), λόγω της εν γένει εξειδίκευσης της ερευνητικής ομάδας στην οικογένεια των φωσφονικών οξέων, προσέφερε το συστηματικό σχεδιασμό και τη μελέτη της αποδέσμευσής τους. Εφαρμόζοντας συστηματικές αλλαγές (ελεγχόμενη αύξηση της ανθρακικής αλυσίδα, παρουσία ή απουσία ομάδων αμίνης) στους σκελετούς των μορίων/φαρμάκων απεδείχθη η σχέση δομής και λειτουργίας τουσυστήματος μήτρα-φωσφονικό.Κλείνοντας το βασικό κύκλο ερευνών επιλέχθηκε η τροποποίηση μέσω εξωτερικών και εσωτερικών ερεθισμάτων (stimuli) του συστήματος. Είτε με την προσθήκη διαφορετικών κατιόντων της ομάδας των αλογόνων (Νάτριο, Κάλιο κτλ), είτε με την διαφοροποίηση της τιμής του pH σύνθεσης της υδρογέλης, μελετήθηκε και επετεύχθη ο έλεγχος της αποδέσμευσης των φαρμακευτικών ενώσεων. Τα συστήματα της εργασίας αυτήςεκτέθηκαν σε θερμοκρασία δωματίου καθώς και στους 37οC, θερμοκρασία παρόμοια του ανθρώπινου σώματος. Μελετήθηκε και εξηγήθηκε η διαφοροποίηση που εμφάνιζαν τα σκευάσματα αυτά και οι καμπύλες αποδέσμευσής τους. Νέες ιδιότητες των υλικών αυτών αναδείχθηκαν και τεκμηριώθηκαν κατά την έρευνα. Αποδείξαμε τη δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης των συστημάτων (reusability), της επαναφόρτωσήςτους (reloadability) καθώς επίσης και βασικά ζητήματα μηχανικών εφαρμογών τους, π.χ. η έκχυση τους με τη χρήση σύριγγάς(Injectability).Εν κατακλείδι, η παρούσα εργασία αποτελεί τη βάση μιας νέας πρότασης για την περαιτέρω μελέτη και εφαρμογή νέων υδρογελικών συστημάτων ελεγχόμενης αποδέσμευσης με βάση το Πυριτικό Οξύ. Τα αποτελέσματα υπακούουν στις σύχγρονες επιστημονικές και οικονομικές απαιτήσεις. Προέρχονται από οικονομικές πρώτες ύλες (το πυριτικό οξύ, το διοξείδιο του Πυριτίου, κοινώς γυαλί διατίθεται σε αφθονία), δεν εμφανίζουν κυτταροτοξικότητα και αποβάλλονται από τον ανθρώπινο οργανισμό. Η ενδελεχής μελέτη των συστημάτων αυτών συνδυαστικά με τα διφοσφονικά οξέα, που αποτελούν την κύρια θεραπεία στις ασθένειες των Οστών, όπως η Οστεοπόρωση, είναι η πρώτη στο χώρο της, και δίνει χρήσιμες πληροφορίες για μια ενδεχόμενη invivo έρευνα και εφαρμογή των νέων αυτών συστημάτων. Η πλειοψηφία των αποτελεσμάτων αυτών, έγιναν δεκτά προς δημοσίευση στο NatureScientificReports με τίτλο, Smart, programmableandresponsiveinjectablehydrogelsforcontrolledreleaseofcargoosteoporosisdrugs. Papathanasiou, K.E.; Turhanen, P.; Bruchner, S.; Brunner, E.; Demadis, K.D. Nature Scientific Reports 2017, in press (manuscript number: SREP-17-07438-T).