Ανάπτυξη στερεών φαρμακομορφών για την από του στόματος χορήγηση μακρομορίων με την τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης

Abstract

Oral drug administration is the most preferred method of drug delivery among patients, especially in cases of chronic therapies. Macromolecules offer selective targeting with fewer toxic effects, but their primary parenteral delivery, despite high specificity, causes discomfort and systemic side effects, limiting patient adherence. Less invasive alternatives are needed. Therefore, developing suitable formulations of macromolecules for oral administration is considered essential to improve their efficacy and customize therapeutic strategies to meet the individual needs of each patient. Emerging technologies are driving pharmaceutical innovation, with Additive Manufacturing enabling macromolecule encapsulation, gastrointestinal (GI) protection, and enhanced bioavailability through rapid ink-based 3D prototyping. Three-dimensional semi-solid extrusion (SSE) printing is based on the extrusion of materials, paste or hydrogel through a syringe, depositing them in successive layers to create 3D objects. SSE enables extrusion at room temperature, providing a significant advantage for incorporating macromolecules into pharmaceutical forms that are prone to chemical and thermal degradation. This research focuses on utilizing rapid prototyping through three-dimensional printing (3D printing) for the development of solid dosage forms for macromolecule delivery. The proposed methodology is a solvent-free approach that avoids harsh conditions, such as high temperatures during printing, which could adversely affect the stability of the encapsulated macromolecule.

Η από του στόματος χορήγηση είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος λήψης φαρμάκων, ιδιαίτερα σε χρόνιες θεραπείες. Τα μακρομόρια προσφέρουν επιλεκτική δράση με λιγότερες τοξικές επιδράσεις, αλλά η κύρια οδός χορήγησής τους παραμένει η παρεντερική, η οποία συχνά προκαλεί δυσφορία και μειώνει τη συμμόρφωση των ασθενών. Η ανάπτυξη κατάλληλων μορφοποιήσεων για από του στόματος χορήγηση κρίνεται απαραίτητη, ώστε να βελτιωθεί η αποτελεσματικότητά τους και να προσαρμοστεί η θεραπεία στις ανάγκες κάθε ασθενή. Η τρισδιάστατη εκτύπωση επιτρέπει την ενθυλάκωση μακρομορίων σε φαρμακομορφές, προστατεύοντάς τα από το γαστρεντερικό περιβάλλον και ενισχύοντας τη βιοδιαθεσιμότητά τους. Η μέθοδος εξώθησης ημιστερεού υλικού (Semi-solid extrusion, SSE) χρησιμοποιεί εξώθηση ημιστερεών υλικών, όπως πάστες ή υδρογέλες, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, διευκολύνοντας την κατασκευή σύνθετων δομών και την προστασία ευαίσθητων δραστικών ουσιών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως αντικείμενο την αξιοποίηση της τρισδιάστατης εκτύπωσης για την ανάπτυξη στερεών φαρμακομορφών για τη χορήγηση μακρομορίων. Η προτεινόμενη μεθοδολογία αποτελεί μια προσέγγιση που δεν περιλαμβάνει τη χρήση οργανικών διαλυτών και αποφεύγει την εφαρμογή σκληρών συνθηκών, όπως υψηλές θερμοκρασίες κατά τη διαδικασία εκτύπωσης, οι οποίες θα μπορούσαν να επηρεάσουν καταστροφικά τη σταθερότητα του ενθυλακωμένου μακρομορίου. Για την ανάπτυξή τους αξιοποιήθηκε η εκτύπωση SSE και η διαδικασία έγινε σε θερμοκρασία περιβάλλοντος κι απουσία διαλυτών που θα ήταν επιβλαβείς για τη δομική ακεραιότητα των μακρομορίων. Στόχος των συστημάτων που σχεδιάστηκαν ήταν να προστατεύουν τα μακρομόρια από την αποικοδόμηση που προκαλείται από τις όξινες συνθήκες και τα ένζυμα που υπάρχουν στο γαστρεντερικό σύστημα (ΓΕΣ), να βελτιώνουν την εντερική διαπερατότητα, να παρέχουν με ελεγχόμενο τρόπο τη δραστική σε συγκεκριμένη περιοχή, να διατηρούν την ακεραιότητά τους στο σκεύασμα και τέλος, να μην είναι τοξικά για τον εντερικό ιστό. Στην πρώτη μελέτη, η οξική οκτρεοτίδη (OCT) ενθυλακώθηκε σε τρισδιάστατα εκτυπωμένες φαρμακομορφές. Η εκτύπωση του πολυμερικού φορέα διεξήχθη σε συνθήκες περιβάλλοντος και με διαδικασία δύο σταδίων. Στη δεύτερη μελέτη, τα πολυμερή Carbopol και Eudragit χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη μελανιού, το οποίο περιείχε ενθυλακωμένα τόσο την ενοξαπαρίνη (Enox) όσο και το ενισχυτικό διαπερατότητας SNAC. Η εκτύπωση τους έγινε σε ένα ενιαίο στάδιο απουσία επιβλαβών συνθήκων, όπως θερμοκρασία και διαλύτες και χωρίς επακόλουθη επεξεργασία των τρισδιάστατα εκτυπωμένων δισκίων. Στο πλαίσιο εκπόνησης της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής, πραγματοποιήθηκε πληθώρα χαρακτηρισμών τόσο στα μελάνια όσο και στις τελικές φαρμακομορφές. Οι μελέτες περιλάμβαναν ανάλυση ρεολογίας, φασματοσκοπία υπέρυθρου μετασχηματισμού Fourier (FTIR), πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό (NMR) και κυκλικό διχρωϊσμό (CD). Ακόμη, οι φαρμακομορφές χαρακτηρίστηκαν in vitro ως προς το προφίλ απελευθέρωσης των μακρομορίων καθώς και ex vivo ως προς τη διαπερατότητα των δραστικών ουσιών και τη βλεννοπροσκολλητικότητα των συστημάτων χορήγησης στο εντερικό επιθήλιο. Τέλος, αξιολογήθηκε in vitro η κυτταροτοξικότητα στην καρκινική κυτταρική σειρά του εντέρου Caco-2 και προσδιορίστηκε η διεπιθηλιακή αντίσταση (TEER) καθώς και η διαπερατότητα διαμέσου στοιβάδων Caco-2.