Riassunto analitico
La sarcopenia è una patologia progressiva e generalizzata del muscolo scheletrico che colpisce la popolazione anziana. Essendo una malattia multifattoriale, è principalmente causata da cambiamenti del muscolo scheletrico legati all'invecchiamento, infiammazione e disfunzione mitocondriale. Ad oggi, la gestione della sarcopenia si basa principalmente su interventi nutrizionali, esercizio fisico e modifiche dello stile di vita. Quando esercizio e alimentazione non sono efficaci, si può considerare un trattamento farmacologico, anche se finora nessun farmaco specifico per la sarcopenia è stato approvato da FDA o da EMA.
Un modulatore metabolico muscolare come la Trimetazidina (TMZ) potrebbe essere proposto per il trattamento della sarcopenia. La TMZ è un derivato della piperazina utilizzata da anni come farmaco antianginoso. Agisce come modulatore metabolico inibendo un enzima chiave nell'ossidazione degli acidi grassi, riducendo così il consumo di ossigeno e promuovendo l'ossidazione del glucosio. La capacità della TMZ di spostare l'ossidazione dagli acidi grassi al glucosio apporta benefici non solo al muscolo cardiaco ma anche a quello scheletrico, migliorandone le prestazioni. È stato dimostrato che la TMZ può migliorare la forza muscolare nei topi anziani, rendendola una molecola interessante per il trattamento della sarcopenia, in quanto la riduzione della forza muscolare è uno dei principali criteri per la diagnosi di questa malattia legata all'età.
Inoltre, poiché l'infiammazione sistemica cronica è una delle principali cause della sarcopenia, la Palmitoiletanolammide (PEA), un lipide endogeno simile agli endocannabinoidi con una forte attività antinfiammatoria, rappresenta un promettente candidato farmaco contro la sarcopenia.
L'obiettivo di questo lavoro di tesi è stato progettare e ottimizzare vettori lipidici nanostrutturati (NLCs) per la co-somministrazione di TMZ e PEA al muscolo scheletrico. I due composti attivi sono stati co-incapsulati per ottenere un effetto terapeutico sinergico. A differenza delle SLNs, le NLCs sono costituite da una combinazione di lipidi solidi e liquidi, insieme al farmaco e ai tensioattivi.
In questo progetto, le NLCs sono state preparate utilizzando la tecnica della doppia emulsione (A/O/A). Inizialmente, il gelucire è stato utilizzato come tensioattivo in concentrazioni variabili nella fase lipidica. Si è osservato che un aumento della quantità di gelucire porta a particelle di dimensioni più piccole, ma anche ad una maggiore instabilità della sospensione. Per risolvere questo problema, il gelucire è stato sostituito con SPAN, ottenendo sistemi nanoparticellari più stabili, anche se di dimensioni maggiori. Per ridurre le dimensioni delle nanoparticelle, è stata aumentata la concentrazione del tensioattivo non ionico nella fase acquosa esterna.
Le dimensioni e la carica superficiale delle NLCs sono state misurate tramite la Spettroscopia a Correlazione di Fotoni (PCS). Inoltre, l'interazione tra la TMZ e i componenti della formulazione è stata studiata mediante la calorimetria a scansione differenziale (DSC). Sono stati determinati l'efficienza di incapsulamento (EE%) e il caricamento del farmaco (DL%) sia di PEA (analizzata tramite HPLC) che di TMZ (analizzata spettrofotometricamente). Infine, sono stati eseguiti studi di rilascio in vitro mediante dialisi in tampone fosfato. È stato inoltre condotto uno studio preliminare su cellule C2C12 ottenendo risultati promettenti.
In studi futuri, queste nanoparticelle verranno funzionalizzate per ottenere un rilascio selettivo alle cellule muscolari e la loro efficacia nel contrastare la perdita muscolare verrà valutata in vivo su modelli di topi anziani.
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Abstract
Sarcopenia is a progressive and generalized disorder of skeletal muscle affecting the elderly population. Being a multifactorial disease, it is primarily caused by age-related skeletal muscle changes, inflammation and mitochondrial dysfunction. Currently, sarcopenia is mainly managed through nutritional interventions, physical exercise and lifestyle modifications. When exercise and diet are not effective, pharmacological treatment may be considered, even if to date, no specific drug for sarcopenia have been approved by FDA or EMA.
A muscle metabolic modulator as Trimetazidine (TMZ) can ben proposed for sarcopenia treatment. TMZ is a piperazine derivative that has been used as an antianginal drug for years. TMZ is a metabolic modulator and works by inhibiting a key enzyme in fatty acid oxidation, thereby reducing oxygen consumption, and promoting glucose oxidation. The ability of TMZ to shift oxidation from fatty acids to glucose benefits not only cardiac muscle but also skeletal muscle, thus improving muscle performance. It has been shown that TMZ can improve muscle strength in elderly mice, making it an interesting molecule for the treatment of sarcopenia, as reduced muscle strength is one of the main criteria for diagnosing this age-related disorder.
On the other hand, since a significant role among the causes of sarcopenia is played by the chronic systemic inflammation, Palmitoylethanolamide (PEA), an endogenous lipid analogous to endocannabinoids with a strong anti-inflammatory activity, represents a promising drug candidate against sarcopenia.
The aim of this thesis work was to design and optimize nanostructured lipid carriers (NLCs) for the co-delivery of TMZ and PEA to skeletal muscle. The two active compounds were co-encapsulated to achieve a synergistic therapeutic effect. Unlike SLNs, NLCs consist of a combination of solid and liquid lipids, along with the drug and surfactants.
In this project, NLCs were prepared using the double emulsion technique (w/o/w). Initially, gelucire was evaluated as a surfactant in varying concentrations in the lipid phase. It was observed that the increase of the amount of gelucire leads to smaller particle sizes, but also to greater instability of the suspension. To overcome this issue, gelucire was replaced with SPAN, leading to more stable nanoparticles systems, though with larger particle size. To reduce the size of the nanoparticles, the concentration of the non-ionic surfactant in the external aqueous phase was increased.
The size and surface charge of the NLCs were measured using Photon Correlation Spectroscopy (PCS). Additionally, the interaction between TMZ and the formulation components was investigated through differential scanning calorimetry (DSC). The encapsulation efficiency (EE%) and drug loading (DL%) of both PEA (analyzed by HPLC) and TMZ (analyzed spectrophotometrically) were determined. Finally, in vitro release studies were conducted by dialysis in phosphate buffer. Preliminary study on C2C12 cells has been also performed obtaining promising results.
In future studies, these nanoparticles will be functionalized to selectively target muscle cells, and their effectiveness in preventing muscle loss will be evaluated in vivo using aged mice models.
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