Razvoj in vrednotenje oralnih filmov in liofilizatov iz hitosana

Korelc, Karin (author), Gašperlin, Mirjana (mentor), Tho, Ingunn (co-mentor)

Individualna obravnava pacienta je v zadnjih desetletjih povzročila razvoj novih farmacevtskih oblik– pri tem so se mukoadhezivni dostavni sistemi za ustno sluznico uveljavili kot učinkovita alternativa klasičnim peroralnim farmacevtskim oblikam. Zaradi svoje preproste uporabe in varnosti so široko sprejemljivi za paciente, obenem pa omogočajo vgrajevanje različnih odmerkov zdravilnih učinkovin. S tem pristopom se želimo približati tako pediatrični populaciji, ki se pogosto srečuje z omejeno dostopnostjo ustreznih farmacevtskih oblik in odmerkov na trgu, kakor tudi bolnikom, ki imajo težave s požiranjem klasičnih trdnih oblik, kot so tablete in kapsule. Cilj magistrske naloge je bil razviti in izdelati oralne filme in liofilizate za dostavo prednizolona na bukalno sluznico za zdravljenje različnih protivnetnih stanj. Izdelava dostavnih sistemov je temeljila na uporabi hitosana kot mukoadhezivnega polimera, pri čemer smo razvili več farmacevtskih oblik, ki so se med seboj razlikovale v sestavi. Spremenljivke, ki smo jih primerjali med seboj, so bili različni tipi hitosana, topila (ocetna kislina, mlečna kislina in voda) in metoda izdelave (metoda izparevanja topila za izdelavo filmov ter sušenje z zamrzovanjem za izdelavo liofilizatov). Zanimali so nas štirje tipi hitosana, in sicer nizko-, srednje-, in visokomolekularni ter vodotopni hitosan z nižjo stopnjo deacetilacije. Za izboljšanje mehanskih lastnosti smo vsem farmacevtskim oblikam dodali polietilen oksid in glicerol. Končne farmacevtske oblike so vsebovale 600 µg prednizolona, vgrajenega v inkluzijske komplekse s ciklodekstrini, pri čemer je ena odmerna enota predstavljala oralni film velikosti 2 cm × 2 cm oziroma okrogli liofilizat s polmerom 0,76 cm. Izdelanim farmacevtskim oblikam smo ovrednotili fizikalno-kemijske in biofarmacevtske lastnosti in ocenili pomen posameznih parametrov na njihove končne lastnosti in primernost za nadaljnji razvoj. Vrednotenje farmacevtskih oblik je zajemalo določitev njihove trdnosti in elastičnih lastnosti, enakomernosti mase in vsebnosti, razpadnosti, nabrekanja, površinskega pH, jakosti mukoadhezije in sproščanja prednizolona. Nadalje smo s testi na celični liniji HT29-MTX preverili biokompatibilnost, permeabilnost in potencialno toksičnost izbranih formulacij in njihovih posameznih komponent. Izdelani oralni filmi so bili tanki približno 50 mikrometrov in so tehtali med 25 in 30 miligramov na posamezno enoto. Izkazovali so dobro trdnost, elastičnost in enostavnost za rokovanje. S pristopom tankih in lahkih filmov se lahko približamo ciljni skupini otrok, za katere je še posebej pomembno, da jim aplikacija zdravila ne predstavlja prevelikega nelagodja ali bolečin. Liofilizati so imeli primerljivo maso in večjo debelino (med 0,4 in 0,5 cm) zaradi samega postopka sušenja z zamrzovanjem, a so bili nekoliko manjši in prav tako primerni za rokovanje. Zaradi uporabe hitosana so izdelane farmacevtske oblike izkazovale dobre mukoadhezivne lastnosti; jakost mukoadhezije se je povečevala skladno z nižjo molekulsko maso hitosana. Ugotovili smo tudi, da so farmacevtske oblike z mlečno kislino izkazovale močnejšo vezavo na sluznico kot tiste z ocetno kislino. Vsi liofilizati so izkazovali močnejše interakcije z mucinom kot oralni filmi – te ugotovitve se skladajo s sposobnostjo nabrekanja posameznih polimerov. Iz tega lahko sklepamo, da je za vezavo na sluznico ključnega pomena hidratacija polimera, saj je s tem omogočena največja možna površina za interakcijo. Test razpadnosti je potrdil, da hitosan v fiziološkem okolju ni topen zaradi previsokega pH, kar omogoča razvitim farmacevtskim oblikam, da ob aplikaciji ohranijo svojo osnovno strukturo. Vseeno pa se začetna masa filmov in liofilizatov v prisotnosti vodnega medija precej zmanjša zaradi erozije polimera – ta delež znaša med 20% in 40% po 5 minutah izpostavljenosti vodnemu mediju. Iz tega lahko sklepamo, da bi pacienti ob aplikaciji velik delež zdravilne učinkovine pogoltnili, nakar bi se prednizolon absorbiral iz prebavnega trakta. Tak način absorpcije je sprejemljiv pri sistemski terapiji, saj se zdravilna učinkovina skoraj v celoti absorbira. Za zdravljenje lokalnih stanj ustne sluznice pa se farmacevtske oblike izkažejo kot manj primerne, saj bi se manjši delež učinkovine obdržal na želenem mestu aplikacije. Test sproščanja zdravilne učinkovine iz farmacevtskih oblik je pokazal podoben način sproščanja pri vseh formulacijah v prvih 30 minutah, pri čemer se je iz farmacevtskih oblik sprostilo približno 50% prednizolona. Sproščanje je bilo najhitrejše pri uporabi nizkomolekularnega hitosana in ocetne kisline tako pri oralnih filmih kot pri liofilizatih, čeprav je pri slednjih ta trend manj izrazit. Nadalje smo ugotovili, da različne sestave liofilizatov izkazujejo primerljivo sproščanje. V splošnem se je zdravilna učinkovina iz farmacevtskih oblik sprostila v približno 5 urah. Biokompatibilnostni test na mukus izločujoči celični liniji (HT29-MTX) ni dokazal velikih razlik med posameznimi sestavami na celično viabilnost. Ugotovili smo, da je za celične linije najbolj toksična uporaba obeh kislin, zato se je treba izogibati uporabi visokih koncentracij kislin pri dostavnih sistemih na ustno sluznico. Med posameznimi meritvami je sicer prihajalo do velikih odstopanj, zato bi za jasne zaključke morali posamezne meritve ponoviti. Integriteta celične membrane je bila ocenjena med in po izpostavitvi celic testiranim oralnim filmom z meritvijo transepitelijske električne upornosti in permeabilnosti paracelularnega markerja, pri čemer se je ta ohranila skozi čas izpostavitve izbranim formulacijam. Test permeabilnosti je potrdil dobro prehajanje zdravilne učinkovine skozi celično membrano, kar nakazuje na dobro absorpcijo skozi bukalni epitelij. Na podlagi vseh zbranih rezultatov lahko sklepamo, da izdelani oralni filmi in liofilizati izpolnjujejo zahteve za tovrstne farmacevtske oblike, kot so zadostna trdnost in elastičnost, primerna velikost in preprostost za rokovanje, mukoadhezivnost, biokompatibilnost, in obenem dosegajo prirejeno sproščanje vgrajene slabo topne zdravilne učinkovine. Hkrati pa bi bilo treba postopek izdelave izboljšati in prilagoditi, da bi dosegli ustrezno ponovljivost, saj so bila med posameznimi meritvami prisotna relativno visoka odstopanja. Tovrstno testiranje bi bilo smiselno izvesti tudi na in vivo pogojih in oceniti podobnost s pridobljenimi rezultati v izvedeni raziskavi. Izdelani oralni filmi in liofilizati so se izkazali primerni za nadaljnji razvoj za dostavo zdravilnih učinkovin na ustni sluznici.

• Language: Slovenian
• Keywords: oralni filmi, liofilizati, hitosan, mukoadhezija, vrednotenje
• Work type: Master's thesis/paper
• Organization: FFA - Faculty of Pharmacy
• Year: 2021
• PID: 20.500.12556/RUL-125017
• Publication date in RUL: 02.03.2021

Secondary language

• Language: English
• Title: Development and characterization of chitosan-based oral films and lyophilisates

Abstract

Novel dosage forms were widely investigated in the last decades due to an increased need for personalized patient treatment – in this context, oromucosal drug delivery systems offer an attractive alternative to the classic oral drug delivery enabling easy administration and precise amount of delivered drug. This approach is of particular interest for the pediatric population which is subjected to several challenges related to drug delivery including difficulties with the swallowing of the solid dosage forms and the lack of appropriate medicines on the market. The thesis aimed to develop the buccal films and lyophilisates (wafers) based on chitosan as a mucoadhesive polymer. Different types of chitosan, solvents (acetic acid, lactic acid, and water), and methods of preparation were used (solvent casting and freeze-drying to produce films and wafers, respectively) to produce several formulations. Prednisolone was incorporated as a model drug in the form of inclusion complexes with hydroxypropyl-beta-cyclodextrins. The developed formulations were subsequently characterized and compared relative to each other for their physical, chemical, and biopharmaceutical properties. All the cast films possessed suitable mechanical and elastic properties despite being very thin (ca. 50 µm). Their mucoadhesive abilities correlated with the swelling behavior and were highest in films containing low molecular weight chitosan, which also was the type with the highest degree of deacetylation. Similarly, those films achieved the fastest drug dissolution rate with a complete drug release after about 5 hours. The increasing molecular weight of the chitosan and changing the solvent (lactic acid to acetic acid) reduced the drug release rate from the formulations. Using a mucus-producing HT29-MTX cell line, a good permeability of prednisolone through the cell monolayer was proved to indicate a relatively high absorption when administered to the mucosal surface. The wafers possessed a highly porous structure and were thicker (ca. 0.4 cm) because of the lyophilisation process. Their swelling and mucoadhesive abilities were higher compared to films, probably due to the increased hydration upon the contact with an aqueous surface. The drug release profile from the wafers was comparable between the formulations and was less influenced by the composition compared to cast films. Overall, the developed formulations possessed good properties and indicate an encouraging strategy for controlled drug delivery of the prednisolone to the buccal mucosa.

• Keywords: oral films, lyophilisates, chitosan, mucoadhesion, characterization