Έρευνα και ανάπτυξη αποτελεσματικού και ασφαλούς για τον οργανισμό συστήματος μεταφοράς φαρμακευτικών δραστικών ουσιών, συνδυάζοντας την τεχνολογία των νιοσωμάτων και των πολυμερών με σκοπό την παραγωγή μια καινοτόμας και χαμηλού κόστους νανο-πλατφόρμας μεταφοράς αντικαρκινικών παραγόντων

Abstract

During the last years, a steady increase of the pharmaceutical compounds that receive authorization and enter the market that exhibit low bioavailability, due to characteristics such as low solubility and high hydrophobicity is recorded. Up to 90% of new pharmaceutical active molecules/ingredients that exhibit a biological interest belong to BCS class II or IV, most of which exhibit at the same time low cellular absorbance. Among these compounds are products that show antitumor activity, by reducing cancer cell proliferation, the administration of which is classified as risk in today’s clinical practice. Additionally, other limitations that many conventional drug compounds exhibit are the inability to successfully deliver a high amount of active ingredient molecules in the pathogenic cite of interest, while at the same time providing a steady, prolonged release rate. The specific characteristics and properties that material at the nanoscale offer, provides us the potential for the creation of smart nanosystems for the encapsulation and controlled and/or targeted delivery of active pharmaceutical ingredients, capable to achieve the selective delivery of therapeutic molecules to target cells, with the ultimate goal of improving the final clinical picture. The aim of the present research was to prepare a novel, hybrid copolymer-surfactant nanosystem using the block-copolymer Pluronic 188, combined with the use of amphiphilic surfactants of lower molecular weight (particular emphasis will be given to the HLB ratio - which indicates the degree to which a surfactant is comprised of more hydrophilic or hydrophobic counterparts) and thermotropic behavior. The surfactants used were non-ionic in nature, of which Tween 80® and Brij 58® were more hydrophilic, while Span 40® and Span 60® were more hydrophobic. Each surfactant has unique intrinsic thermal properties and molecular interactions with respect to the molecules of Pluronic 188. The nanosystems were formed by mixing the block-copolymer with the surfactants in three different (w/w) ratios, namely 90:10, 80:20 and 50:50, using the thin film hydration technique and keeping the concentration of Pluronic 188 constant. The physicochemical characteristics of the prepared nanosystems were evaluated by various light scattering techniques, while their thermotropic behavior was characterized by microDSC and high-resolution acoustic spectroscopy (HR-US). Using fluorescence spectroscopy, additional information regarding characteristics such as microfluidity and microviscosity of the nanosystems were obtained, while the cytotoxicity of the nanocarriers was studied comparatively, both using carriers with encapsulated amounts of the anti-cancer molecule methotrexate (MTX), as well as using empty nanosystems, in vitro and in vivo. Pharmacokinetic characteristics that give these anti-cancer drug delivery systems a significant advantage over more conventional therapeutic approaches, such as the gradual release of encapsulated active substances, as well as the ability to encapsulate and deliver large amounts of active substances were studied using UV-Vis, and dialysis bag (use of a membrane with pores of a specific diameter). It is worth noting that this effort is the first time that such a system is studied in extent holistically, from the early stages of formulation (physicochemical characterization) to in vivo experimentation, and is presented in a single manuscript, illustrating how multiple parameters can affect the final nanomedicine.

Τα τελευταία χρόνια, παρατηρείται μια σταθερή άνοδος των σκευασμάτων που εισέρχονται στην αγορά, που συνδυάζουν χαμηλότερη της επιθυμητής βιοδιαθεσιμότητα, λόγω χαρακτηριστικών όπως η χαμηλή διαλυτότητα, αλλά και η υψηλή λιποφιλία, ενώ εκτιμάται ότι έως και το 90% των νέων χημικών οντοτήτων βιολογικού ενδιαφέροντος ανήκουν στις κατηγορίες BCS II ή IV, με σημαντικό ποσοστό αυτών να εμφανίζει ταυτοχρόνως και υποβέλτιστη διαπερατότητα. Στην παραπάνω κατηγορία, συγκαταλέγονται – ανάμεσα σε άλλες – και δραστικές ουσίες με αντικαρκινική δράση, η χορήγηση των οποίων θεωρείται υψηλού ρίσκου στην σήμερον κλινική πρακτική. Ακόμα, πρόσθετα μειονεκτήματα αρκετών σύγχρονων αλλά και παλαιότερων παραδοσιακών φαρμακευτικών σκευασμάτων που περιέχουν δραστικές ουσίες αντικαρκινικής δράσης (χημειοθεραπευτικά) είναι η αδυναμία εγκλωβισμού και μεταφοράς επαρκούς ποσότητας της δραστικής ουσίας, προσφέροντας ελεγχόμενες φαρμακοκινητικές ιδιότητες (ρυθμός και χρόνος αποδέσμευσης) έπειτα της αρχικής χορήγησης. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες των υλικών στην νανοκλίμακα, προσφέρουν την δυνατότητα για την δημιουργία έξυπνων νανοσυστημάτων ενθυλάκωσης και ελεγχόμενης ή/και στοχευμένης μεταφοράς φαρμακευτικών δραστικών ουσιών, ικανά να επιτρέψουν την επιλεκτική μεταφορά των θεραπευτικών μορίων στα κύτταρα στόχους, με απώτερο στόχο την βελτίωση της τελικής κλινικής εικόνας. Σκοπός της παρούσας έρευνας ήταν η παρασκευή καινοτόμων, υβριδικών νανοσυστημάτων συμπολυμερών-επιφανειοδραστικών ουσιών με τη χρήση του συμπολυμερούς Pluronic 188, συνδυαστικά με την χρήση αμφίφιλων επιφανειοδραστικών ουσιών χαμηλότερου μοριακού βάρους (ιδιαίτερο βάρος θα δοθεί στον λόγο HLB - ο οποίος υποδηλώνει το βαθμό στον οποίο μια επιφανειοδραστική ουσία είναι υδρόφιλη ή υδρόφοβη) και θερμοτροπική συμπεριφορά. Οι επιφανειοδραστικές ουσίες που χρησιμοποιήθηκαν ήταν μη ιοντικής φύσης, εκ των οποίων οι Tween 80® και Brij 58® ήταν περισσότερο υδρόφιλες, ενώ οι Span 40® και Span 60® ήταν περισσότερο υδρόφοβες. Κάθε επιφανειοδραστική ουσία έχει μοναδικές εγγενείς θερμικές ιδιότητες και μοριακές αλληλεπιδράσεις ως προς τα μόρια του πολυμερούς Pluronic 188. Τα νανοσυστήματα διαμορφώθηκαν μέσω ανάμιξης του συμπολυμερούς με τα επιφανειοδραστικά σε τρεις διαφορετικές αναλογίες, δηλαδή 90:10, 80:20 και 50:50, χρησιμοποιώντας την τεχνική ενυδάτωσης λεπτού υμένα και διατηρώντας σταθερή τη συγκέντρωση του Pluronic 188. Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των παρασκευασμένων νανοσυστημάτων αξιολογήθηκαν με διάφορες τεχνικές σκέδασης φωτός, ενώ η θερμοτροπική τους συμπεριφορά χαρακτηρίστηκε μέσω microDSC και φασματοσκοπίας υπερήχων υψηλής ανάλυσης (acoustic spectroscopy). Με τη χρήση φασματοσκοπίας φθορισμού, αποκτήθηκαν επιπλέον πληροφορίες αναφορικά με το μικροπεριβάλλον της μεμβράνης των νανοσυστημάτων, ενώ η κυτταροτοξικότητα των νανοφορέων μελετήθηκε τόσο αυτούσια, όσο και με ενθυλακωμένη ποσότητα του αντικαρκινικού μορίου της μεθοτρεξάτης (MTX) in vitro και in vivo. Φαρμακοκινητικά χαρακτηριστικά που προσδίδουν στα εν λόγω συστήματα μεταφοράς αντικαρκινικών δραστικών ουσιών σημαντικό πλεονέκτημα έναντι των πιο συμβατικών θεραπευτικών προσεγγίσεων, όπως η σταδιακή αποδέσμευση των ενθυλακωμένων δραστικών ουσιών, καθώς και η ικανότητα μεταφοράς μεγάλης ποσότητας δραστικών ουσιών μελετήθηκαν μέσω της χρήσης UV-Vis, και dialysis bag (χρήση μεμβράνης με πόρους συγκεκριμένης διαμέτρου). Αξίζει να σημειωθεί, ότι η συγκεκριμένη προσπάθεια αποτελεί την πρώτη φορά που ένα τέτοιο σύστημα εξετάζεται ολιστικά, από τα πρώτα στάδια διαμόρφωσης (φυσικοχημικός χαρακτηρισμός) έως τον in vivo πειραματισμό και παρουσιάζεται σε ένα πλήρες χειρόγραφο, παρουσιάζοντας τον τρόπο με τον οποίο πολλαπλές παράμετροι μπορούν να επηρεάσουν το τελικό νάνο-φάρμακο.