Nosowa droga podania leków – przełom w terapii dzięki nanotechnologii

Czy nosowa droga podania to przyszłość terapii?

Dostarczanie leków przez jamę nosową zyskuje coraz większe znaczenie w badaniach naukowych ze względu na liczne korzyści tej drogi podania. Duża i bogato unaczyniona błona śluzowa nosa zapewnia doskonałą przepuszczalność dla naczyń krwionośnych, umożliwiając efektywne wchłanianie systemowe substancji leczniczych. Oprócz tej drogi, możliwe jest również bezpośrednie dostarczanie leków z nosa do mózgu poprzez gęste unerwienie jamy nosowej przez nerwy trójdzielny i węchowy. Nerwy te umożliwiają bezpośredni transport aksonalny dla wielu leków i nanonośników, omijając barierę krew-mózg, która stanowi kluczową przeszkodę dla wielu substancji aktywnych.

Pomimo licznych zalet, droga nosowa ma również swoje ograniczenia. Objętość podania wynosi zwykle między 50 a 150 µL na nozdrze, co ogranicza stężenie podawanego leku. Wymaga to zastosowania technik solubilizacyjnych, umożliwiających uzyskanie wysokiego stężenia substancji aktywnej. Drugim głównym wyzwaniem jest szybka eliminacja leku z powierzchni błony śluzowej nosa z powodu intensywnego oczyszczania śluzowo-rzęskowego. W celu przezwyciężenia tych ograniczeń, połączenie nanocząstek polimerowych z hydrożelami tworzącymi się in situ wydaje się być odpowiednim rozwiązaniem.

Jakie innowacje kryją się w nanotechnologii i hydrożelach?

Micele polimerowe tworzone są przez amfifilowe kopolimery szczepione, zdolne do samoorganizacji powyżej krytycznego stężenia micelizacji i temperatury. Główne zalety tych polimerów obejmują większą stabilność i stopień solubilizacji w porównaniu do klasycznych surfaktantów. Są one zwykle biodegradowalne i biokompatybilne, a zastosowanie polimerów niejonowych zmniejsza ryzyko podrażnień. Ich średnia wielkość cząstek waha się między 10 a 200 nm, co czyni je odpowiednimi kandydatami do zwiększonego uwalniania leków i przenikania przez różne bariery biologiczne. Risperidon, modelowy lek zastosowany w tym badaniu, wykazał wcześniej doskonałą przydatność do aplikacji donosowej w celu dostarczania do mózgu. Badania in vivo wykazały, że enkapsulacja risperidonu w nanocząstkach lipidowych spowodowała 10-krotnie wyższe stężenie w mózgu w porównaniu do formy dożylnej. Spanlastyki również badano in vivo, wykazując wyższą efektywność celowania leku i bezpośredni odsetek transportu w porównaniu do konwencjonalnych odpowiedników. Kinetyka uwalniania i przenikania miceli polimerowych jest silnie uzależniona od różnych czynników, w tym pH, temperatury oraz obecności zewnętrznej matrycy w formulacji modyfikującej profil uwalniania.

Jednym z przedstawicieli środków żelujących in situ jest guma gellan (GG), rozpuszczalny w wodzie anionowy polisacharyd produkowany przez bakterię Sphingomonas elodea. Jest to liniowy polisacharyd, składający się z powtarzających się jednostek tetrasacharydowych o następującej strukturze: (→3)-β-D-glukoza-(1→4)-β-D-kwas glukoronowy-(1→4)-β-D-glukoza-(1→4)-α-L-ramnoza-(1→). Ma zdolność do tworzenia żelu po kontakcie z jonami dwuwartościowymi (Ca²⁺, Mg²⁺) lub jednowartościowymi (Na⁺, K⁺), tworząc hydrożele. W temperaturze otoczenia, bez obecności wspomnianych jonów, znajduje się w stanie zolu, a po podaniu do jamy nosowej może tworzyć hydrożele zdolne do zwiększenia czasu przebywania leku. Właściwości żelowania in situ są uzależnione od stężenia jonów i dodania innych polimerów. Polimery półsyntetyczne są obecnie szeroko stosowane w podawaniu donosowym, w tym wiele pochodnych celulozy, takich jak hydroksyetyloceluloza (HEC), metyloceluloza (MC) i hydroksypropylo-metyloceluloza (HPMC).

Celem obecnych badań było opisanie wpływu wspomnianych pochodnych celulozy na właściwości żelowania in situ gumy gellan, ich wpływu na charakterystykę koloidalną modelowego preparatu mikrosfer polimerowych zawierających risperidon oraz profilu uwalniania i przepuszczalności in vitro. Jako platforma kontrolowanego uwalniania na dwóch poziomach, nie była ona jeszcze szeroko badana, szczególnie w kontekście donosowego podawania leków. Wartość dodana polega na podwójnej barierze dla enkapsulowanego leku, gdzie wewnętrzna micela polimerowa enkapsuluje i chroni lek, podczas gdy zewnętrzna macierz polimerowa z gumy gellan i pochodnych celulozy dostosowuje profil uwalniania i przenikania leku. Ogólnie, micele polimerowe charakteryzują się profilem uwalniania leku typu burst, a hipotezą było, że ten rozległy burst można przekształcić w profil uwalniania przedłużonego. Podstawą tej hipotezy jest to, że po kontakcie z błoną śluzową nosa następuje przejście sol-żel, tworząc cienką warstwę hydrożelu na powierzchni.

W pierwszym etapie badań liofilizowane formulacje rozpuszczono indywidualnie w wodzie oczyszczonej oraz w symulowanym roztworze elektrolitów nosowych (SNES). SNES zapewnił odpowiednie stężenie jonów wapnia do inicjacji żelowania, a próbki obserwowano wizualnie, porównując je między mediami rozpuszczającymi bez jonów i SNES. W większości przypadków uzyskano miękkie, przezroczyste i półprzezroczyste żele, ale przy niższych stężeniach gumy gellan i każdej pochodnej celulozy zaobserwowano jedynie lekko lepkie ciecze. Nadal przylegały one do fiolek, z powolnym ruchem poślizgowym przy ich odwracaniu, działając jak klasyczne śluzy. W wodzie oczyszczonej nie nastąpiło żelowanie. Zazwyczaj guma gellan tworzy twarde żele przy stężeniach powyżej 0,5%, jednak z dodatkiem pochodnych celulozy wartość ta zmniejszyła się, ponieważ utworzone żele były w stanie przylegać do dna fiolek zamiast się ześlizgiwać.

Do opisu formulacji wykorzystano obserwację wizualną, gdzie większość formulacji miała przezroczystą klarowność, z wyjątkiem tych o wysokich stężeniach gumy gellan i HEC, HPMC oraz wszystkich formulacji z MC. Wartość pH formulacji mieściła się w zakresie od 5,2 do 5,8, co odpowiada lekko kwaśnemu pH jamy nosowej, umożliwiając odpowiednie zastosowanie ze zmniejszonym ryzykiem podrażnienia lub nadwrażliwości spowodowanej zmianą pH. Zmierzono również zawartość leku, nie wykazując istotnych różnic, co dowodzi prawidłowej enkapsulacji mikrosfer polimerowych wewnątrz matryc żelowych.

Współczynnik ekspansji (S), znany również jako współczynnik pęcznienia, zmierzono w celu dalszej charakteryzacji formulacji. Istnieje podobna tendencja we wszystkich blokach formulacji, co oznacza, że wraz ze wzrostem stężenia gumy gellan i polimeru pochodnego celulozy, formulacje pęczniały bardziej. Wyższa ekspansja opisuje bardziej porowatą lub luźno usieciowaną sieć, która opiera się na zwiększonej hydrofilowości na jednostkę objętości formulacji. Mocno spęczniałe żele mogą być również mechanicznie słabsze, co jest pożądane w przypadku formulacji donosowych, ponieważ bardzo twarde hydrożele mogą powodować dyskomfort w jamie nosowej. Porowate hydrożele umożliwiają również przepływ oczyszczania śluzowo-rzęskowego przez matryce żelowe, zapewniając jednocześnie dłuższy czas przebywania i zmniejszone utrudnienia dla dyfuzji z matrycy do przestrzeni zewnętrznej. Zdolność zatrzymywania wody jest również niezwykle ważna, ponieważ enkapsulowane nanocząstki są wysoce solubilizowane i mają tendencję do dyfuzji z wodą, zapewniając uwalnianie leku. Im wyższa zdolność zatrzymywania wody, tym bardziej przedłużony oczekiwany profil uwalniania. Tendencja ta jest podobna do wartości współczynnika ekspansji, a najwyższe wartości można znaleźć w przypadku najwyższych stężeń gumy gellan z HPMC.

Podobnie jak inne polisacharydy, takie jak alginian i karagen, guma gellan wykazuje żelowanie w obecności kationów. Gdy temperatura spada, łańcuchy gumy gellan tworzą podwójną helisę, co prowadzi do powstania stref połączeń i formowania struktury żelu. Obecność kationu ma silny wpływ na proces żelowania.

Płyn nosowy zawiera zarówno kationy dwuwartościowe, jak i jednowartościowe. W porównaniu z kationami jednowartościowymi, kationy dwuwartościowe znacznie silniej promują żelowanie ze względu na chemiczną interakcję między jonem a grupami karboksylowymi kwasu glukonowego. W badaniu formulacje mieszano z SNES, a końcowe struktury żelu analizowano za pomocą testów reologicznych. Wytrzymałość mechaniczną żeli scharakteryzowano za pomocą badań reologicznych, a uzyskane moduły sprężystości (G′) i moduły stratności (G″) rejestrowano w funkcji częstotliwości kątowej.

Czy właściwości reologiczne mogą zoptymalizować efekt terapeutyczny?

W większości przypadków G′ jest wyższy niż G″, co dowodzi struktury żelowej, ale dla GG0.1_MC0.2 to się zmieniło, a G″ jest wyższy niż G′, odzwierciedlając lepką ciecz lub nadal stan zolu. We wszystkich przypadkach moduły wykazały wysoką zależność od częstotliwości, co wskazuje na słabszą strukturę żelu. Ogólnie, im większe nachylenie krzywej przemiatania częstotliwości, tym słabsza struktura żelu.

W przypadku kompleksu GG-HEC, wyższe stężenia GG zwiększyły moduły sprężystości i wytrzymałość żelu, podczas gdy najsilniejsza interakcja mogła być zaobserwowana w formulacjach GG0.3_HEC1. Ta mieszanka polimerów może skutkować półprzenikającą siecią polimerową (semi-IPN), gdzie przenikanie dwóch polimerów może wzmocnić właściwości żelu (w przypadku próbki GG0.3_HEC1 można zaobserwować najwyższy G′, moduł G′ jest o rząd wielkości większy niż moduł G″, a ta formulacja wykazała mniejszą zależność od częstotliwości). W przypadku kombinacji GG z MC lub HPMC nie ma takiej zmiany; ani ilość GG, ani ilość dodanego polimeru nie powoduje wzrostu w tym samym stopniu, jak w przypadku kombinacji GG-HEC. Próbki zawierające GG-MC wykazały umiarkowany wzrost modułu wraz z dodaniem MC, podczas gdy próbki GG-HPMC wykazały podobną, ale słabszą strukturę żelu. To zachowanie można prawdopodobnie wyjaśnić obserwacją, że MC i HPMC mogą tworzyć słabszą strukturę żelu w obecności jonów, podczas gdy bardziej hydrofilowy HEC może wzmocnić strukturę żelu, tworząc semi-IPN z GG.

Na podstawie danych modułowych i ich wysokiej zależności od częstotliwości, formulacje wykazują słabe elastyczne zachowanie żelu, zależne od stężenia dodanej gumy gellan lub pochodnych celulozy. Podsumowując, pod względem reologicznym, połączenie GG i HEC może być korzystne.

Ogólnie, dodanie innych składników polimerowych do roztworu miceli polimerowych może wpływać na charakterystykę nanocząstek, w tym na rozmiar miceli, rozkład wielkości i stopień solubilizacji, a także na efektywność enkapsulacji. Wyniki pomiarów dynamicznego rozpraszania światła i określenia efektywności enkapsulacji wykazały, że rozmiar miceli, wyrażony jako średnia średnica hydrodynamiczna (D_H), nieznacznie wzrósł w porównaniu z roztworem miceli polimerowych bez żelu (RIS-PM), ale nie było tendencji wśród wartości. Średni rozmiar miceli polimerowych mieści się w zakresie od 10 do 200 nm, a wszystkie wartości można znaleźć w tym zakresie, co oznacza, że cząstki pozostały koloidalnie stabilne po żelowaniu. To samo można powiedzieć o rozkładzie wielkości miceli, który jest wyrażony jako indeks polidyspersyjności. Wszystkie wartości nieznacznie wzrosły, ale pozostały poniżej 0,300, co oznacza, że mają monodyspersyjny rozkład wielkości, zapewniający możliwość jednolitego profilu uwalniania i przenikania leku. Efektywność enkapsulacji nieznacznie zmniejszyła się w sposób odpowiadający zwiększeniu rozmiaru i rozkładu wielkości, oznaczając niewielki wyciek leku z rdzenia micelarnego do matryc żelowych. Jednak różnice nie są istotne; wartości są nadal znacznie wysokie, zapewniając doskonałą zdolność solubilizacji.

Natura mukoadhezyjna roztworu miceli polimerowych (RIS-PM) została najpierw zbadana, co wykazało niską wartość, zdolną tylko do słabej adhezji do błony śluzowej nosa. Z drugiej strony, wszystkie formulacje mają zwiększony profil mukoadhezyjny, z tendencją zależną od stężenia. Wraz ze wzrostem stężenia gumy gellan, mukoadhezyjność wzrosła. Polimery gumy gellan mogą splatać się z glikoproteinami mucyny znajdującymi się w błonie śluzowej nosa; w ten sposób to fizyczne splątanie również przedłuża czas przebywania. Polarne grupy hydroksylowe mogą również brać udział w wiązaniach wodorowych i oddziaływaniach elektrostatycznych ze względu na anionowy charakter gumy gellan. Zastosowane pochodne celulozy mogą również hydratować i pęcznieć w błonie śluzowej nosa, tworząc struktury podobne do żelu i cienką warstwę filmu na powierzchni. Wiązania wodorowe również odgrywają kluczową rolę w procesie mukoadhezji, dodatkowo zwiększając synergię między gumą gellan a pochodnymi celulozy.

Badania in vitro uwalniania leku są potwierdzone przez wyniki badań reologicznych. Ograniczeniem tego badania jest konfiguracja, ponieważ w przypadku pomiaru reologicznym hydrożele są jak najbardziej płaskie, podobnie jak warunki na błonie śluzowej nosa, podczas gdy w przypadku badania uwalniania leku tworzą one blok po żelowaniu w worku dializacyjnym. Im większa wytrzymałość żelu, tym bardziej przedłużony profil uwalniania leku. W porównaniu z RIS-PM, najmniejszą różnicę można znaleźć w przypadku formulacji GG0.1_HPMC0.5/0.75/1, podczas gdy największą różnicę wykazuje formulacja GG0.3_HPMC1. Ogólnie, zwiększenie pochodnych celulozy przedłużało uwalnianie leku we wszystkich przypadkach. Micele polimerowe są opisywane z kontrolowanym dyfuzyjnie uwalnianiem ze względu na ich wysoką rozpuszczalność w wodzie, co jest utrudnione przez gumę gellan. Guma gellan tworzy ścisłe trójwymiarowe sieci i fizycznie pułapkuje cząsteczki leku, utrudniając im szybką dyfuzję. Wzrost lepkości również pułapkuje micele; w ten sposób ich tendencja do szybkiego uwalniania jest również utrudniona, ponieważ nie są one podatne na rozcieńczanie w matrycach wodnych. Mobilność jest również kluczowym elementem, ponieważ splątanie polimerów również ogranicza mobilność miceli ze względu na oddziaływania elektrostatyczne lub wiązania wodorowe pomiędzy matrycą gumy gellan-pochodnej celulozy a hydrofilową koroną miceli. Im wyższa zdolność zatrzymywania wody, tym bardziej przedłużony obserwowany profil. Również wyższa zawartość gumy gellan skutkuje gęstszymi żelami, odpowiedzialnymi za wolniejsze uwalnianie. Po rozcieńczeniu i pod stałym przepływem, matryce gumy gellan powoli erodują, uwalniając lek w czasie.

Jak wyniki badań przekładają się na praktykę kliniczną?

To badanie opisowe przedstawia szczegółowe informacje o interakcjach gumy gellan z różnymi pochodnymi celulozy podczas podawania donosowego. Badanie zbadało połączone właściwości fizyczne i funkcje kooperacyjne tych polimerów podczas opracowywania formulacji, co przynosi korzyści w tworzeniu zaawansowanych systemów dostarczania leków. Jako anionowy polisacharyd, guma gellan wykazuje obiecujące właściwości dla mukoadhezyjnego dostarczania leków, ponieważ tworzy żele wrażliwe na jony, gdy spotyka powierzchnie błony śluzowej nosa. Systemy żelowe zawierające gumę gellan z hydroksypropylo-metylocelulozą (HPMC), hydroksyetylocelulozą (HEC) i metylocelulozą (MC) wykazały zwiększoną integralność strukturalną i zdolności kontroli uwalniania leku.

To badanie ujawniło, jak dodane pochodne celulozy reagowały na zmiany stężenia w ich mieszaninach. Symulacje środowiska nosowego ujawniły, że wyższe stężenia polimerów prowadziły do tworzenia bardziej wytrzymałych żeli. Zwiększona wytrzymałość żelu wydłuża czas przebywania formulacji w jamie nosowej, zwiększając tym samym biodostępność leków specyficznych dla danej drogi podania. Pomiary reologiczne ujawniły, że roztwór przekształcił się ze stanu płynnego w stan żelu półstałego, umożliwiając w ten sposób przedłużone zatrzymanie i absorpcję leku w miejscu absorpcji. Dotyczy to szczególnie przypadku wysokiego stężenia GG wynoszącego 0,3% w/v dla wszystkich pochodnych celulozy, gdzie zatrzymana ilość leku akumulowała się w przedłużonym profilu uwalniania i przenikania leku. Jest to również potwierdzone przez wysokie wartości zdolności zatrzymywania wody powyżej 80%.

To badanie zbadało powszechny problem uwalniania leku z miceli polimerowych, który powoduje natychmiastowe uwalnianie leku. Micele polimerowe wykazują doskonałe zdolności rozpuszczania słabo rozpuszczalnych leków, chroniąc je jednocześnie przed rozpadem, ale ich szybkie uwalnianie na początku zmniejsza ich efekt terapeutyczny. Połączenie gumy gellan z pochodnymi celulozy skutkowało matrycami hydrożelowymi, które wykazały doskonały potencjał do rozwiązania problemu szybkiego uwalniania leku. Połączone materiały hydrożelowe funkcjonowały jako bariery przenikania, które zmniejszały szybkość dyfuzji leku z systemu, kontrolując tym samym jego profil uwalniania. Wynikiem jest bardziej kontrolowany i przedłużony profil uwalniania leku, co jest wysoce pożądane w donosowym podawaniu leków, aby zapewnić stałe poziomy terapeutyczne i zminimalizować częstotliwość dawkowania.

To badanie potwierdziło, że połączenie gumy gellan z pochodnymi celulozy wykazuje obiecujące właściwości dla podawania donosowego, dostarczając jednocześnie szczegółowych informacji na temat optymalizacji formulacji opartej na stężeniu. Dostosowywalne właściwości wytrzymałości żelu i profile uwalniania leku poprzez modyfikacje składu polimerowego ustanawiają systemy hydrożelowe jako elastyczne rozwiązania dla bieżących problemów technologii donosowego podawania leków.

Podsumowanie

Donosowe podawanie leków zyskuje na znaczeniu ze względu na skuteczne wchłanianie przez bogatą w naczynia krwionośne błonę śluzową nosa oraz możliwość bezpośredniego transportu substancji do mózgu z pominięciem bariery krew-mózg. Badania koncentrują się na wykorzystaniu miceli polimerowych i hydrożeli tworzących się in situ, w tym gumy gellan (GG) i pochodnych celulozy. Połączenie tych substancji pozwala na kontrolowane uwalnianie leków i przedłużenie ich działania. Badania wykazały, że odpowiednie stężenie GG i pochodnych celulozy tworzy stabilne żele o pożądanych właściwościach mukoadhezyjnych. Szczególnie obiecujące wyniki uzyskano dla kombinacji GG z hydroksyetylocelulozą (HEC). System ten skutecznie rozwiązuje problem szybkiego uwalniania leków z miceli polimerowych, zapewniając bardziej kontrolowany i przedłużony profil uwalniania, co przekłada się na lepszą skuteczność terapeutyczną i rzadsze dawkowanie.