Nanoparticulele în cedarea medicamentelor la nivelul tractului gastrointestinal

Rezumat:

Pe masura ce ritmul de progres al noilor tehnologii din domeniul medical este din ce in ce mai alert, beneficiile scontate nu intarzie sa apara, iar domeniul nanotehnologiilor reprezinta unul dintre segmentele cu cele mai mari asteptari. Fata de formularile clasice, nanomedicamentele au  numeroase avantaje: protectia mai buna la degradarea indusa de mediul biologic, biodisponibilitate crescuta, actiune la nivelul unui anumit tesut, penetrare intracelulara. Astfel, prin aplicarea nanotehnologiei farmaceutice creste eficacitatea, specificitatea, tolerabilitatea si indicele terapeutic al substantelor active.

Abstract:

As the pace of development of new medical technologies is becoming more alert, the expected benefits appear very soon and nanotechnology is one of the segments with the highest expectations. Compared to classical formulations, nanodrugs have many advantages: better protection from degradation induced biological environment, increased bioavailability, a particular action in the tissue, intracellular penetration. Thus, by applying more effective pharmaceutical nanotechnology, increase specificity, tolerability and therapeutic index of active substances.

Introducere

O mare parte din comunitatea stiintifica considera ca nanotehnologia este stiinta cheie a inceputului de mileniu, cea care va putea sa modifice complet secolul XXI, deoarece pare a fi singura care poate sa ofere o calitate ridicata, dar si usor de sustinut a vietii cotidiene. Ea reprezinta stiinta prin care se controleaza si manipuleaza materia la dimensiuni atomice si moleculare (10-100 nm) (fig. 1). Pe acest interval exista o serie de entitati biologice esentiale pentru desfasurarea proceselor din organismele vii, domeniu pe care s-au dezvoltat o serie de aplicatii specifice: nanoparticule, nanomatrici, nanovezicule, dendrimeri, nanotuburi.

Calea de administrare orala ramane cea preferata pentru administrarea medicamentelor, dar, din cauza barierelor enzimatice si fizico-chimice, unele dintre acestea pot fi administrate doar parenteral. Nanoparticulele (NP) ofera avantaje  nete fata de alte modalitati de formulare distribuindu-se mult mai uniform in tractul gastrointestinal, realizand o absorbtie uniforma a medicamentului, o reducere a riscului de iritatie gastrointestinala. In comparatie cu microsferele, dimensiunile mai mici ale nanoparticulelor sunt considerate parametrul cheie (microparticulele mai mari de 10?m nu trec prin stratul de mucus). In plus, NP sunt mai stabile in fluide biologice decat lipozomii, iar endocitoza lipozomilor la nivelul celulelor intestinale este un fenomen rar si dificil. In concluzie, sistemele de transport bazate pe NP reprezinta o perspectiva noua si interesanta pentru substantele active ce ridica in mod obisnuit probleme la administrarea orala, pentru transportul la tinta al medicamentului si dezvoltarea unor terapii noninvazive.

Medicatia la tinta nu este un concept nou, el este introdus inca din anii ’80, cand s-a pus problema gasirii unor strategii si scheme de tratament al bolilor canceroase. Initial s-au studiat transportorii micrometrici, care, pentru a fi dirijati spre tintele terapeutice au fost atasati de diversi anticorpi monoclonali, pentru ca in ultimul timp, prin dezvoltarea tehnologiilor la scara nano si prin avantajele oferite de trecerea la aceasta noua dimensiune, sa se studieze tot mai intens posibilitatea transportului unor medicamente de catre astfel de entitati. NP se adreseaza unor probleme specifice ale administrarii medicamentoase, cum ar fi permeabilitatea redusa a mucoaselor, solubilitatea redusa a medicamentelor si a metabolizarii lor, precum si efectele legate de primul pasaj.

Nanoparticulele polimerice in administrarea orala

In ciuda numeroaselor cercetari vizand accesul medicamentelor in organismul uman, calea de administrare orala este inca preferata.

Potentialele avantaje ale NP ca si vectori medicamentosi sunt: imbunatatirea biodisponibilitatii, transportul proteinelor antigen din intestin la tesuturile limfatice, eliberarea controlata si reducerea iritatiei gastrointestinale produsa de unele dintre medicamentele din formularile clasice, posibilitatea cedarii unor antigene la nivelul tesutului limfoid asociat intestinului (GALT). In plus, dimensiunea lor submicronica si suprafata specifica mare favorizeaza absorbtia comparativ cu transportorii mai mari. Utilizarea NP in administrarea orala se datoreaza posibilitatii de asimilare a lor prin mecanisme existente la nivelul tractului gastro intestinal (GIT), in special prin absorbtie transcelulara, implicand transportul prin celulele M ale placii Peyer (PP). De la suprafata acestora, NP sunt luate si transportate la limfocite sub forma de vezicule. Absorbtia limfatica a medicamentelor pe calea GALT previne metabolismul presistemic in ficat, pentru ca sunteaza circulatia sanguina portala. Dupa administrare orala, vectorii medicamentosi coloidali au abilitatea de a creste biodisponibilitatea, protejand medicamentul de denaturare in lumenul gastrointestinal, crescandu-se astfel concentratia acestuia.

Formularea nanoparticulelor

Pentru dezvoltarea NP au fost evaluati o serie de polimeri naturali (amidon, alginati, gelatina) sau sintetici: PLGA, PLA, PMA, polianhidride, ftalati.

Deoarece toxicitatea, iritatia si caracterul alergizant sunt factori importanti, de care trebuie sa se tina cont, este necesara gasirea unor solutii care sa utilizeze straturi biodegradabile sau solubile. Avantajul utilizarii polimerilor naturali include costul lor mic, biocompatibilitatea si solubilitatea apoasa convenabila. Utilizarea lor este limitata datorita impuritatilor pe care le prezinta, variabilitatii de la lot la lot si hidrofobicitatii reduse. Polimerii sintetici sunt mult mai reproductibili si pot fi obtinuti cu un grad de degradare dorit, cu lungimea si compozitia dorita a copolimerului. Dezavantajul acestora se datoreaza solubilitatii limitate (solubili in solventi organici si, in consecinta, nu pot elibera medicamentul sau il pot denatura).

Stabilizarea nanoparticulelor

Stabilizatorii sunt utilizati pentru a preveni agregarea particulelor, conferind o sarcina electrica de suprafata. In mod normal, cu cat este mai mare sarcina electrica cu atat stabilitatea este mai mare deoarece particulele vor suferi repulsii electrostatice. Pe de alta parte, acoperirea NP cu surfactanti, duce la o crestere medie a dimensiunilor particulelor cu influente atat asupra procesului de captare a acestora, cat si asupra celui de eliberare a substantei active din matrita polimerica.

Eliberarea medicamentului

Eliberarea medicamentului din majoritatea NP este descrisa ca un proces bifazic, cu o faza initiala rapida, urmata de una lenta si controlata a vitezei de eliberare a medicamentului. Acest mecanism de cedare a fost identificat pentru o serie de NP. S-a constatat ca, in prima faza a eliberarii, medicamentul pleaca de la suprafata in urma unui proces de microeroziune a peretilor polimerici, pentru ca apoi acesta sa fie eliberat sub influenta difuziunii si degradarii polimerice.

Doza incorporata in nanoparticule

Doza incorporata intr-un sistem de NP depinde de gradul de preluare al acestora de catre tesuturile biologice, ceea ce este influentat de marimea particulelor (particulele cu dimensiuni mai mici sunt absorbite mai rapid si in cantitate mai mare decat cele cu dimensiuni mai mari ), balanta hidrofil-lipofila (este necesara o balanta optima, desi hidrofobicitatea are o influenta mai mare), potentialul zeta, prezenta altor excipienti (care pot modula asimilarea particulelor) si bioadezivitatea sistemului. In plus, masa moleculara a medicamentului, interactiunea acestuia cu NP si metoda de incorporare va decide capacitatea maxima de incarcare. Pe de alta parte o proportie majora de NP administrate oral poate fi eliminata fara absorbtie, depinzand tot de marimea particulelor si suprafata caracteristica.

In ceea ce priveste forma de dozare, majoritatea aplicatiilor folosesc administrarea orala a NP in suspensie.

Transportul nanoparticulelor la nivelul mucoasei intestinale

Absorbtia nanoparticulelor prin mucoasa intestinala a constituit obiectul de studiu a numeroase cercetari. Datorita avantajelor pe care le prezinta calea de administrare orala se fac eforturi uriase pentru a dezvolta astfel de formulari si pentru a le imbunatati absorbtia intestinala. O macromolecula sau o particula poate traversa epiteliul intestinal pe calea paracelulara (printre celule adiacente) si pe calea transcelulara – aceasta din urma fiind cea mai explorata (fig. 2).

Figura 2: Transportul particulelor la nivelul celulelor epiteliale: (1) particulele pot trece la nivelul enterocitelor; (2) difuzie pasiva; (3) transport paracelular; (4) transport la nivelul celulelor M. (adaptare dupa F.Mathot)

Transportul paracelular. In conditii fiziologice acesta este limitat pe de o parte de suprafata foarte mica a spatiilor intercelulare si, pe de alta parte, de dimensiunea redusa a porilor – intre 3 si 10 Å. Pentru a facilita acest tip de transport au fost folositi surfactanti, insa modul lor de actiune se baza pe lezarea mucoasei GIT. Polimeri hidrosolubili precum chitosanul, amidonul si polimerii tiolati au avut mai mult succes. A fost studiata si imbunatatirea transportului paracelular al medicamentelor cu ajutorul NP bazate pe acid poliacrilic. Sistemul leaga ionii de calciu, largind jonctiunile inguste, facilitand astfel transportul paracelular.

Transportul transcelular se realizeaza prin transcitoza, un proces particular prin care particulele sunt captate de celule. Procesul incepe la nivelul membranei apicale a celulei, apoi particulele sunt transportate prin celule si eliberate la polul basolateral. Intereseaza doua tipuri de celule intestinale: enterocitele si celulele M – localizate in special in placile Peyer si care reprezinta un procent foarte mic din epiteliul intestinal (5% din FAE – foliculi asociati epiteliului, aprox 1% din suprafata totala a intestinului). Activitatea endocitozica a enterocitelor este foarte scazuta, iar cantitatea cea mai mare de particule este transferata la nivelul FAE. Transportul NP prin calea transcelulara depinde de cativa factori: proprietatile fizico-chimice ale particulei precum potentialul zeta, dimensiunea, hidrofobicitatea suprafetei sau prezenta unui ligand pe suprafata particulei; fiziologia GIT.

Transportul non-specific al NP a initiat dezvoltarea a doua strategii principale: adaptarea proprietatilor polimerului in scopul optimizarii transportului NP de catre celulele M sau enterocite; atasarea unor liganzi lanturilor de polimer pentru a accentua endocitoza si/sau crearea unor celule tinta. Pentru a imbunatati transportul NP medicamentoase au fost dezvoltate o serie de strategii bazate pe mucoadeziune, endocitoza particulelor, cresterea permeabilitatii. Acestea pot creste timpul de stationare al particulelor in GIT, permitand acestora sa fie prezente la suprafata celulelor absorbtive pe o durata mai mare de timp ceea ce conduce la cresterea concentratiei si existenta unui gradient local pe partea absorbtiva.

La nivelul celulelor epiteliale intestinale, transportul NP incepe cu unul dintre mecanismele de endocitoza: pinocitoza, macropinocitoza sau endocitoza clatrin – mediata.

Potentialele aplicatii ale transportului oral al nanoparticulelor

Analiza literaturii de specialitate arata ca NP pot fi transportori eficienti pentru peptidele administrate oral. Datorita mecanismului lor special de captare, NP pot fi privite ca un element important pentru cresterea biodisponibilitatii orale (BD) a biofarmaceuticelor. Chiar daca nu este posibila o crestere la 100%, aceasta formulare este utila, pentru ca poate duce la atingerea nivelului terapeutic pentru unele medicamente care sunt considerate neabsorbabile sau cu BD mica la administrare orala. Astfel studiile realizate au aratat o reducere cu 50-60% a glicemiei atunci cand insulina a fost administrata oral prin incapsularea acesteia in nanocapsule polimerice din PBCA. Pe de alta parte administrarea orala a insulinei libere nu are niciun efect, ea fiind degradata de enzimele din GIT.

Incapsularea in NP a calcitoninei i-a imbunatatit semnificativ BD orala si concomitent a scazut concentratia calciului din sange la soareci, comparativ cu lotul la care s-a administrat oral calcitonina in solutie.

NP de chitosan au fost folosite pentru cresterea absorbtiei sistemice a peptidelor hidrofobe precum ciclosporina A, obtinandu-se valori superioare comparativ cu microemulsia disponibila pe piata (Neoral®). Tot chitosanul a fost folosit pentru incapsularea si protejarea cu succes a genei mEpo (codeaza eritropoietina).

Incorporarea danazolului in NP cu diametrul de 170nm a evidentiat o BD mai mare decat cea a microparticulelor (diametru de 10µm) dintr-o suspensie apoasa.

Administrarea orala a vaccinurilor ar putea duce la o imbunatatire a eficacitatii, deoarece imunizarea orala ar stimula imunitatea mucoasei la locul unde initial multi patogeni ar putea infecta gazda. Multe grupuri de cercetatori au obtinut rezultate interesante, incurajati fiind si de numarul redus de sisteme care au intrat in trialuri clinice si de absenta pe piata a vaccinurilor bazate pe NP.

Cea mai mare provocare in chemoterapia antineoplazica este de a realiza localizarea selectiva a medicamentului la locul tinta al tumorii pe perioada dorita, fara a produce efecte citotoxice asupra altor organe. Vascularizatia tumorala este hiperpermeabila si retine selectiv macromoleculele si vectorii coloidali cu diametru mai mare de 600nm. Teste cu medicamentul anticanceros rapamycin au aratat ca formularea ce are la baza NP a imbunatatit proprietatile farmacocinetice in testele pe animale.

Aglutinina din germenii de grau (WGA) are afinitate pentru receptorul EGF foarte des exprimat in tumori localizate in ficat, plamani si vezica urinara. Astfel, NP continand WGA s-au dovedit a fi adecvate ca medicamente anticanceroase.

Concluzii

NP se obtin din polimeri biodegradabili ai caror produsi de degradare sunt netoxici si usor de resorbit. Avantajul acestor particule il constituie tintirea specifica si eliberarea controlata a medicamentelor incorporate. NP preparate sunt interesante ca transportori pentru distributia orala a medicamentelor conventionale, antigeni vaccinuri sau enzime, dar in general pentru acele medicamente care nu sunt stabile in stomac, pentru vaccinari orale si pentru formulari unde este dorita biadeziunea.

Cu toate acestea, strategiile de administrare orala studiate au nevoie de investigari aprofundate in scopul obtinerii unei eficiente si sigurante similare cailor de administrare parenterale.

Pentru ABONAMENTE și CREDITE DE SPECIALITATE click AICI!

Bibliografie:

1. Dey S, Miltra A.K., Transporters and receptors in drug delivery: opportunities and challenges. Exp. Opin. Drug Deliv. 2005, 2, 201–204
2. Aurelia Meghea, Ioana Lacatusu, Nicoleta Badea, Sinteza dirijata de nanostructuri pentru materiale cu proprietati multifunctionale, vol.I, Ed. Politehnica Press, Bucuresti 2009, 70-77
3. Kokate A., Li X., Williams P. J., Singh P., Jasti B.R., Physiological and biochemical barriers to drug delivery. In Design of Controlled Release Drug Delivery Systems (Li X,, Jasti B.R., eds), 2006, 41– 73.
4. Brigger I, Dubernet C, Couvreur P., Nanoparticles in cancer therapy and diagnosis. Adv. Drug Deliv. Rev. 2002, 54, 631–651

D. Lupuleasa

Facultatea de Farmacie, Universitatea de Medicină și Farmacie "Carol Davila" – București

Cristina Dinu-Pîrvu

Facultatea de Farmacie, Universitatea de Medicină și Farmacie "Carol Davila" – București