Riassunto analitico
La veicolazione di farmaci attraverso sistemi innovativi è diventata un argomento di prima linea nella ricerca in campo biomedico a causa della necessità di migliorare l’esito delle terapie farmacologiche tradizionali, che spesso presentano limiti quali scarsa biodisponibilità, tossicità e degradazione del principio attivo. Uno degli obiettivi più nobili della ricerca in questo campo è quello di avere un rilascio del farmaco controllato e modulato nel tempo. Ciò potrebbe essere necessario nel trattamento di patologie croniche, quali malattie infiammatorie localizzate, dove la somministrazione continuativa per via orale di farmaci antinfiammatori non steroidei (FANS) potrebbe provocare lesioni gastriche e sintomatologia associata. Per risolvere questi problemi, si potrebbero formulare nanoparticelle per caricare FANS con l’obiettivo di controllarne e prolungarne il rilascio nel tempo a livello locale.
Lo scopo di questa tesi è stato: 1) ottimizzare il caricamento di Ibuprofene (Ibu) all’interno di nanoparticelle (NP) di PLGA (acido poli(lattico-co-glicolico)) testando diverse quantità di farmaco e diverse temperature di lavoro; 2) caratterizzare la formulazione ottenuta in termini di proprietà chimico-fisiche (dimensione particellare, omogeneità dimensionale, stabilità fisica allo stoccaggio) e tecnologico-formulative (efficienza di incapsulazione e contenuto di farmaco); 3) studiare il profilo di rilascio di Ibu dalle NP.
I risultati ottenuti hanno mostrato la formazione di NP di PLGA caricate con Ibu aventi una dimensione intorno ai 200 nm e distribuite uniformemente in termini di dimensioni (indice di polidispersione <0,3), indipendentemente dalla quantità di farmaco aggiunta (da 5 a 20 mg per formulazione). Inoltre, le sospensioni di NP sono risultate fisicamente stabili quando conservate a 4°C per 14 giorni e quando sottoposte a cicli multipli di congelamento/scongelamento per 14 giorni, poiché hanno mantenuto le loro dimensioni e la loro omogeneità, così come la totale quantità di farmaco incapsulato. Si è notato che il caricamento di Ibu nelle NP è dipendente dalla temperatura di lavoro: infatti, sia l’efficienza di incapsulazione sia il contenuto di Ibu sono risultati significativamente più elevati quando la temperatura in fase di formulazione era di circa 20°C rispetto a quando era di circa 30°C. Infine, il profilo di rilascio del farmaco dalle NP è stato studiato in condizioni fisiologiche di temperatura e pH ed è emerso che l'intera quantità di Ibu incapsulata veniva rilasciata dalle NP entro 4 ore.
Con l’obiettivo di ridurre il rilascio repentino di Ibu dalle NP, si è deciso di sviluppare, in collaborazione con un gruppo di ricerca dell’Università di Bologna, un sistema ibrido costituito da NP di PLGA intrappolate all’interno di uno scaffold 3D impiantabile, formato da nanofibre (NF) di acido polilattico (PLA). NP fluorescenti di PLGA sono state formulate con l’obiettivo di tracciare la loro presenza all’interno dello scaffold tramite microscopia confocale. Successivamente è stato ottimizzato un metodo di estrazione delle NP fluorescenti dallo scaffold in modo da quantificare l’effettivo quantitativo di NP intrappolate nello scaffold e condurre uno studio di rilascio preliminare delle NP dallo scaffold 3D.
I risultati di questa tesi costituiscono il punto di partenza per esperimenti futuri in cui le NP contenenti Ibu verranno introdotte nello scaffold 3D per cercare di ottenere un rilascio più controllato e prolungato nel tempo del farmaco antinfiammatorio.
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Abstract
In the last few decades, drug delivery via novel systems has moved to the forefront of the biomedical research field because of the need to improve the outcome of classical pharmacological treatments, which often display several limitations linked to poor bioavailability, off-target toxicity, and degradation of active ingredients. One of the most valuable aims of the research about drug delivery systems is to modulate and control the release of the active compound over time. This could be necessary in the case of many chronic diseases, such as localized inflammatory disorders, where continuous oral administration of non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) may provoke gastric lesions and associated symptoms. To address these issues, nanoparticles (NPs) could be formulated to load NSAIDs and release them locally in a controlled and prolonged way.
The aim of this thesis work was to: 1) optimize the encapsulation of Ibuprofen (Ibu) within polymeric NPs of poly(lactic-co-glycolic) acid (PLGA) by testing different amounts of drug added to the formulation and different working temperatures; 2) characterize PLGA-Ibu NPs in terms of physico-chemical and technological properties, such as particle size and size distribution, physical storage stability, drug encapsulation efficiency, drug loading content, and drug retention capability; 3) investigate the release profile of Ibu from NPs.
The obtained results showed the formation of Ibu-loaded PLGA NPs with particle size around 200 nm and with narrow size distribution (polydispersity index <0.3), independent from the amount of drug added (from 5 to 20 mg per formulation). Moreover, NP suspensions were found to be physically stable when stored at 4°C for 14 days and when submitted to multiple freeze-thawing cycles for 14 days, as they maintained their size and distribution, as well as the drug content remained stable throughout these tests. Interestingly, the encapsulation of Ibu was demonstrated to be dependent on the working temperature; in particular, both the encapsulation efficiency and the loading content were significantly higher when the formulation temperature was around 20°C compared to when it was around 30°C. Finally, the release profile of the drug from NPs was investigated at physiological conditions of temperature and pH, and it was found that the entire amount of encapsulated Ibu was released from NPs within 4 hours.
With the aim of reducing the burst release of Ibu from the NPs, a hybrid system consisting of PLGA-Ibu NPs entrapped in poly(lactic)acid (PLA) nanofibers (NFs) to create a 3D scaffold was designed in partnership with a research group of the University of Bologna. As a preliminary investigation, fluorescent PLGA NPs were formulated in order to observe their entrapment inside the NFs through confocal microscopy. Then, an extraction method of fluorescent NPs from NFs was optimized to quantify via fluorimetric analysis the entrapment efficiency of NPs and to perform a preliminary release study of NPs from the 3D scaffold.
The results of this thesis are the starting point for future experiments where Ibu-loaded NPs will be entrapped into the 3D scaffold with the aim of obtaining a more controlled and prolonged release of the anti-inflammatory drug over time.
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