Ovrednotenje nanokompozitnih gelov s flurbiprofenom in ocena njegove permeabilnosti skozi različne tipe kože ex vivo

Goršek, Lara (author), Žakelj, Simon (mentor), Calpena Campmany, Ana Cristina (comentor)

Razvili smo nanokompozitne gele za dermalno dostavo nesteroidnega antirevmatika (NSAR) flurbiprofena. Flurbiprofen, derivat propionske kisline, se uporablja za lajšanje bolečin in vnetij, povezanih s stanji, kot so osteoartritis, revmatoidni artrits in druge oblike mišično-skeletnih bolečin, lokalno zdravljenje vnetega grla, ter v oftalmologiji za preprečevanje mioze med operacijo in za pooperativno zmanjšanje vnetja. Uporaba flurbiprofena pri živalih je trenutno omejena predvsem na zdravljenje vnetij in bolečin povezanih z očesnimi boleznimi, medtem ko je za druge indikacije na voljo le malo raziskav. Dermalna uporaba NSAR predstavlja varnejšo alternativo peroralni uporabi, saj omogoča lokalno zdravljenje vnetja (npr. z zaviranjem encimov ciklooksigenaze-2 v sinuvialni tekočini sklepov) ter zmanjšuje sistemsko izpostavljenost, s čimer znižuje tveganje za prebavne težave, kardiovaskularne zaplete in ledvične okvare, ki so pogosto povezane s peroralno uporabo NSAR. Čeprav je običajno prisotna določena stopnja sistemske absorpcije, so plazemske koncentracije nižje, kar omogoča varnejšo uporabo z manj stranskimi učinki. Prav tako se izognemo neposrednim toksičnim učinkom NSAR na gastrointestinalni trakt, kot so dispepsija, slabost in druge prebavne motnje. Nizka vodotopnost flurbiprofena, ki spada v razred II po BCS (biofarmacevtski klasifikacijski sistem), predstavlja izziv pri dermalni dostavi flurbiprofena. Zdravilo je lipofilno in slabo vodotopno, kar omejuje njegovo sposobnost učinkovite absorbcije v kožo. Za optimalno absorbcijo v kožo mora zdravilo izkazovati uravnoteženo vodotopnost in lipofilnost, saj obe lastnosti prispevata k uspešnemu prehajanju skozi kožno bariero. Za premagovanje izzivov povezanih z nizko vodotopnostjo se lahko uporabijo napredni sistemi za dostavo zdravil kot so polimerni nanodelci, v katere je mogoče inkapsulirati flurbiprofen. Zmanjšanje velikosti nosilcev zdravilnih učinkovin, kot so nanodelci, poveča njihovo skupno površino, kar pospeši raztapljanje in poveča nasičeno topnost zdravilne učinkovine. To vodi do večjega koncentracijskega gradienta in boljše absorpcije zdravila v kožo, s čimer se izboljša biološka uporabnost slabo vodotopnih lipofilnih zdravil, kot je flurbiprofen. Dermalni geli so koristno sredstvo za dostavo zdravil v kožo, saj ponujajo dobro biokompatibilnost in oprijem na koži, običajno ne povzročajo draženja kože in sluznic ter izboljšujejo komplianco pacientov. Nanokompozitne gelske formulacije, ki jih sestavljajo nanodelci vgrajeni v gelski matriks, so v zadnjem času pridobile veliko pozornosti na področju dermalne aplikacije saj združujejo prednosti nanonosilcev in gelov. Vodne disperzije polimernih nanodelcev, v katerih smo flurbiprofen inkapsulirali v biokompatibilen polimer polikaprolakton, smo izdelali z metodo difuzije topila. Za slednjo je značilno, da omogoča izdelavo delcev pri pogojih, ki omogočajo nadzor velikosti in stabilnosti izdelanih nanodelcev. Določili smo velikost delcev (hidrodinamski premer) in porazdelitev njihove velikosti (polidisperzni indeks). Vodne disperzije nanodelcev smo nato liofilizirali v prisotnosti dveh različnih krioprotektantov, D-(+)-trehaloze (TRE) in polietilen glikola 3350 (PEG). Slednja nudita zaščito med procesom liofilizacije in omogočata ohranitev strukturne formulacije, kar je nujen predpogoj za ohranitev bioaktivnosti. Liofilizirane nanodelce smo sterilizirali z metodo ionizirajočega sevanja (z Y žarki), da bi bili slednji primerni za uporabo tudi na poškodovani koži. Nanokompozitne gele smo pripravili tako, da smo vodno rekonstituirali liofilizirane nanodelce (NPs) in jih nato zgostili s Sepigel® 305-om. Tako smo dobili 2 različna nanokompozitna gela s flurbiprofenom (FB) – FB-NPs-TRE gel in FB-NPs-PEG gel. Sepigel® 305 je večnamenski polimer, ki je v formualcijah prisoten kot zgoščevalo in stabilizator. Običajno se uporablja v koncentracijah 2-5 % in je učinkovit v širokem pH območju. Fizikalno-kemijsko vrednotenje gelov je vključevalo organoleptično vrednotenje (izgled), merjenje pH (za nanos na kožo je zaželen rahlo kisel pH), in morfoloških lastnosti (z uporabo vrstične elektronske mikroskopije). Sledile so študije poroznosti, nabrekanja in erozije gela; to so lastnosti, z nadzorovanjem katerih lahko vplivamo na učinkovitost vgradnje in profil sproščanja aktivnih učinkovin iz formulacije. Študije nabrekanja in erozije gela smo izvedli pri različnih pH vrednostih, da bi ocenili pH občutljivost teh procesov. Sledili so testi raztegljivosti ali razmaznosti, ki je pomembna za enostaven nanos formulacije na kožo. V nadaljevanju smo izvedli in vitro meritve sproščanja FB ter njegove absorbcije skozi človeško, prašičjo in govejo kožo ex vivo, da bi ocenili sposobnost absorbcije FB iz izdelanih gelov skozi različne vrste kože. Obe študiji sta bili izvedeni z uporabo Franzovih difuzijskih celic. Sledilo je in vivo testiranje na zdravih prostovoljcih, in sicer smo spremljali morebitne spremembe v hidrataciji kože (z uporabo korneometrije) in transepidermalni izgubi vode pred in po nanosu izdelanih formulacij. Na ta način smo pridobili oceno o vplivu formulacij brez flurbiprofena (tj. vključujoč samo pomožne snovi) na barierno funkcijo kože. Namen naloge je bil tudi oceniti, kako različna krioprotektanta vplivata na lastnosti nanokompozitnih gelov, ter ali vplivata na dostavo zdravilne učinkovine skozi različne vrste kože. Ugotovili smo, da sta oba nanokompozitna gela izkazovala podobno poroznost in profil erozije, njuna profila nabrekanja pa sta bila različna. Formulacija gela s TRE (FB-NPs-TRE gel) je dosegla maksimalno nabrekanje pri fiziološkem pH, medtem ko je formulacija s PEG (FB-NPs-PEG gel) dosegla največje nabrekanje pri pH 8.0. Ugotovili smo, da je imel gel s PEG boljšo razmaznost kot gel s TRE, ki je bolj viskoznen. Študija sproščanja ni pokazala pomembnih razlik med formulacijama gelov. Pri obeh formulacijah se je FB sprostil iz matriksa v skladu z eno-faznim eksponentnim acociacijskim modelom. Obe formulaciji sta v ex vivo permeabilnostnih poskusih izkazali učinkovito absorbcijo skozi kožo. Glede na vrsto kože so bile opažene statistično značilne razlike v absorbciji FB iz posamezne formulacije. Nanokompozitni gel s krioprotektantom TRE se je izkazal kot primernejši za uporabo na koži govedi, nanokompozitni gel s PEG pa za uporabo na prašičji in človeški koži. PEG je znan pospeševalec absorcije, ki poruši strukturno urejenost lipidnih dvoslojev v roženi plasti kože in tako olajša penetracijo učinkovin v globje plasti kože. Pri in vivo vrednotenju formulacij brez FB smo ugotovili, da sta obe formulaciji sprva znižali hidratiranost kože, ki pa se je po nanosu formulacije s TRE kot krioprotektantom hitreje povrnila na bazalni nivo. Pri nobenem od gelov nismo opazili znakov draženja ali statističnih odsopanj v transepidermalni izgubi vode od začetnih vrednosti, kar potrjuje ohranitev barierne funkcije kože in dobro kompatibilnost testiranih formulacij s kožo. Izdelani nanokompozitni geli odpirajo nova vrata za dermalno dostavo FB in potencialno drugih terapevtskih učinkovin za uporabo v humani in veterinarski medicini z izboljšano učinkovitostjo in dobro komplianco pacientov. Prihodnje raziskave bi se lahko osredotočile na optimizacijo teh formulacij za specifična klinična stanja, izvedbo študij in vivo na večjem številu prostovoljcev ter raziskovanje drugih krioprotektantov za nadaljnje izboljšanje učinkovitosti gelov.

• Language: Slovenian
• Keywords: nanokompozitni geli, flurbiprofen, D-(+)-trehaloza, polietilen glikol 3350, ex vivo permeabilnost
• Work type: Master's thesis/paper
• Organization: FFA - Faculty of Pharmacy
• Year: 2024
• PID: 20.500.12556/RUL-163026
• Publication date in RUL: 01.10.2024

Secondary language

• Language: English
• Title: Evaluation of flurbiprofen-loaded nanocomposite gels and ex vivo evaluation of its permeability through several skin types

Abstract

We developed nanocomposite gels for dermal delivery of the non-steroidal anti-inflammatory drug (NSAID) flurbiprofen for human and veterinary medicine applications. Flurbiprofen, a propionic acid derivate, is used to treat pain and inflammation associated with conditions such as osteoarthritis, rheumatoid arthritis, and other musculoskeletal disorders. Dermal NSAID delivery offers a safer alternative to oral delivery by targeting the site of inflammation, reducing the extent of systemic exposure, and thereby lowering the risk of gastrointestinal, cardiovascular, and renal complications. However, Flurbiprofen’s low aqueous solubility (classified as Biopharmaceutics Classification System II), presents a challenge in dermal delivery. To overcome this challenge, we encapsulated flurbiprofen into polymeric nanoparticles using polycaprolactone as the polymer, prepared via solvent displacement. The resulting nanoparticle dispersions were lyophilized with the cryoprotectants D-(+)-trehalose (TRE) and polyethylene glycol 3350 (PEG), reconstituted in aqueous media, and then incorporated into SEPIGEL® 305, a high-performance gelling agent, to create nanocomposite gels. These gels enhance skin penetration and serve as a non-irritating vehicle for dermal drug delivery. The nanocomposite gels underwent physicochemical evaluation, including measurements of pH, appearance, morphology (using scanning electron microscopy), porosity, swelling, erosion, and extensibility studies, to confirm their suitability for dermal application. Using Franz diffusion chambers, we evaluated in vitro release profiles of flurbiprofen and examined its ex vivo permeability through human, porcine, and bovine skin. This was followed by in vivo testing in healthy volunteers, where we monitored potential changes in skin hydration (using corneometry) and transepidermal water loss before and after the application of the prepared formulations. This allowed us to assess the impact of the formulations without flurbiprofen (i.e., containing only excipients) on the skin's barrier function. Our experiments demonstrated that the nanocomposite gels, prepared with different cryoprotectants, were suitable for dermal delivery, and exhibited effective ex vivo skin permeation of flurbiprofen. The results showed, with statistically significant differences, that the nanocomposite gel with TRE as a cryoprotectant was better suited for bovine skin, while the nanocomposite gel with PEG, which is known for its penetration-enhancing properties, was more effective in human and porcine skin. These findings highlight the potential of nanocomposite gels for dermal delivery of flurbiprofen in human and veterinary medicine. Future research could focus on optimizing these formulations for specific clinical conditions, conducting larger-scale in vivo studies, and exploring alternative cryoprotectants to enhance the performance of nanocomposite gels further.

• Keywords: nanocomposite gels, flurbiprofen, D-(+)-trehalose, polyethylene glycol 3350, ex vivo permeability