Development of nanocarriers for the encapsulation of cannabinoids and other bioactive compounds

Abstract

The main goal of the present thesis was the development of novel biocompatible nanodispersions to be used as carriers for diverse lipophilic bioactive compounds. Τhe purpose of these systems was the effective delivery of the encapsulated substances while providing alternative routes of administration, other than the oral which is the most commonly used. Two different nanodispersions were developed namely, oil-in-water nanoemulsions and nanoemulsion-filled hydrogels. These systems were used as carriers for the encapsulation and delivery of various lipophilic substances with pharmacological interest.Initially, the structure of the developed systems was elucidated in order to reveal possible differences and determine the localization of the encapsulated compounds. It was also essential to investigate whether the nanoemulsions’ structure was affected after its incorporation into the hydrogel matrix. In order to obtain the structural characterization of the formulated nanocarriers Dynamic Light Scattering (DLS), Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy (EPR), Confocal Fluorescence Microscopy (CFM), Cryo-Electron Microscopy (Cryo-EM) and Small-angle X-ray Scattering (SAXS) were performed. The investigation was carried out for both systems in the absence and presence of bioactive compounds. Regarding the nanoemulsions, the structural study revealed that the localization of the encapsulated compounds was dependent on their structure and had an effect on the size of the nanodroplets and the surfactant monolayer. Nevertheless, no significant changes in the structure of the nanoemulsion were observed after its incorporation into the hydrogel.In order to evaluate the suitability of the formulated nanodispersions to act as delivery vehicles of bioactive compounds different in vitro methods were implemented for their biological evaluation. The cytotoxic effect of both nanocarriers in the absence and presence of the encapsulated molecules was assessed through a cell viability assay using the cell lines RPMI 2650 and WS1 as models of the human nasal epithelium and skin, respectively. Subsequently, in vitro permeation study through Franz difussions cells and tape stripping experiments were conducted indicating that the nanoemulsion-filled hydrogels could be more effective for the delivery of bioactives through the skin since it demonstrated increased penetration and improved release profiles compared to the bioactive released from the nanoemulsions.Consequently, the proposed nanodispersions could be promising candidates as carriers for the effective delivery of various substances of pharmacological interest through the skin providing increased efficacy as well as the possibility of alternative delivery routes.

Βασικός στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η ανάπτυξη βιοσυμβατών νανοδιασπορών ως φορέων χορήγησης λιπόφιλων βιοδραστικών ενώσεων. Συγκεκριμένα αναπτύχθηκαν νανογαλακτώματα ελαίου-σε-νερό και υδρογέλες με ενσωματωμένο νανογαλάκτωμα με στόχο την αποτελεσματική χορήγηση των ενθυλακωμένων ουσιών με φαρμακολογικό ενδιαφέρον. Αρχικά, διευκρινίστηκε η δομή των συστημάτων που αναπτύχθηκαν ώστε να εντοπιστούν πιθανές διαφορές μεταξύ τους και να προσδιοριστεί η θέση των βιοδραστικών ουσιών. Βασική ήταν επίσης η μελέτη της δομής των νανογαλακτωμάτων μετά την ενσωμάτωσή τους στην υδρογέλη. Για τον δομικό χαρακτηρισμό χρησιμοποιήθηκαν Δυναμική Σκέδαση Φωτός (DLS), Φασματοσκοπία Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού Συντονισμού (EPR), Συνεστιακή Μικροσκοπία Φθορισμού (CFM), Κρυογονική Ηλεκτρονική Μικροσκοπία (Cryo-EM) και Σκέδαση Ακτίνων Χ σε μικρές γωνίες (SAXS). Η έρευνα διεξήχθη και για τα δύο συστήματα απουσία και παρουσία βιοδραστικών ενώσεων. Η δομική μελέτη των νανογαλακτωμάτων αποκάλυψε ότι η δομή των ενθυλακωμένων ουσιών επηρέαζε τον προσανατολισμό τους μέσα στα νανοσταγονίδια, είχε επίδραση στο μέγεθος των νανοσταγονιδίων και στη μονοστιβάδα των επιφανειοενεργών. Ωστόσο, δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές αλλαγές στη δομή του νανογαλακτώματος μετά την ενσωμάτωσή του στην υδρογέλη.Για την αξιολόγηση της καταλληλότητας των προτεινόμενων νανοδιασπορών να δρουν ως φορείς για τη χορήγηση βιοδραστικών ουσιών, εφαρμόστηκαν διαφορετικές μέθοδοι in vitro για τη βιολογική τους αποτίμηση. Η κυτταροτοξικότητα και των δύο νανοφορέων απουσία και παρουσία των ενθυλακωμένων μορίων αξιολογήθηκε μέσω μελέτης αναστολής της κυτταρικής βιωσιμότητας με χρήση των κυτταρικών σειρών RPMI 2650 και WS1 ως μοντέλα του ανθρώπινου ρινικού και δερματικού επιθηλίου αντίστοιχα. Μέσω πειραμάτων in vitro μελετήθηκε η διαπερατότητα της βιοδραστικής στο δέρμα με χρήση της κυψελίδων διάχυσης Franz και με την τεχνική tape stripping. Βρέθηκε ότι οι υδρογέλες γεμάτες με νανογαλάκτωμα θα μπορούσαν να είναι πιο αποτελεσματικές για την χορήγηση βιοδραστικών μέσω του δέρματος, καθώς τους παρείχε αυξημένη διαπερατότητα και βελτιωμένα προφίλ απελευθέρωσης σε σύγκριση με τα νανογαλακτώματα. Συνεπώς, οι προτεινόμενες νανοδιασπορές είναι κατάλληλες για την αποτελεσματική χορήγηση διάφορων ουσιών μέσω του δέρματος παρέχοντας αυξημένη αποτελεσματικότητα καθώς και δυνατότητα εναλλακτικών οδών χορήγησης.