Produzione di nanoparticelle lipidiche solide con indagine sulla diffusione di princìpi attivi attraverso lo strato acquoso non mescolato (UWL) tramite spettroscopia UV-visibile localizzata

Abstract Solid lipid nanoparticles (SLNs) are rapidly emerging as a new drug delivery system, especially for the encapsulation of lipophilic chemicals which are extremely akin to the nature of SLNs. Numerous reasons justify the employment of such formulation, like protection from degradation, drug controlled release, targeted drug delivery, versatility in administration and in drug loading: hydrophilic active principle ingredients (API) can actually be loaded into SLNs, even though with more evident difficulties compared to their opposite lipid-like compounds. In present work caffeine and hydrocortisone (HC) were the elected APIs to be analyzed once loaded in lipid nanoparticles for their wide applicability in disease treatment. SLNs were prepared according to injection method observed in scientific literature for characterization as to their main experimental parameters (size, PdI and ZP) by means of dynamic and electrophoretic light scattering techniques (DLS and ELS), which are normally indicative of homogeneity and stability. Another important peculiarity of SLNs and of nanocarriers in general is their ability in encapsulating drugs or entrapment efficiency (EE), which is defined as the ratio of the difference between [Drug]total (total concentration of API in SLN suspension) and [Drug]free (non-entrapped API concentration) on [Drug]total. EE was therefore assessed through Franz cell method. Provided this, a diversity of SLNs suspensions were prepared and characterized starting from differently concentrated stock solutions of API (5 mM, 3 mM, 1 mM) according to the drug used and the final desired suspension. Although caffeine is not properly hydrophilic it is water-soluble and, for this reason, considered as more hydrophilic than HC: this is proved by lower EE obtained for caffeine-loaded SLNs compared to HC-loaded SLNs, where EE was consistently high (> 70%). Second part of the study of SLNs regards their diffusion in mucous layer. This layer is widely present in human body since it covers most absorption sites, aspect which is often poorly analyzed but is fundamental when it comes to drug administration, since diffusion through this unstirred water layer (UWL) is of utmost importance for the obtaining of a good drug bioavailability. Hence a diffusion test by UV-visible localized spectroscopy was necessary in order to gain information on drug diffusivity (diffusion coefficients, D) through this aqueous environment, whose role for our trials is acted by highly purified water (Milli Q). What stands out when achieving this test is the difference in diffusion coefficients for Caff. SLNs and for HC SLNs due to respective drug molar volumes, which allow caffeine to diffuse faster than the larger HC. Moreover, drug concentration profiles over time show an excellent correspondence of experimental data to their fitted model for most of the dispersions. Profiles within same type suspension (caffeine-loaded or HC-loaded) show similarity, confirming the reliability of the method.

Sommario Le nanoparticelle lipidiche solide (SLNs) stanno rapidamente emergendo come nuovo sistema di veicolazione del farmaco, specialmente per l’incapsulamento di sostanze lipofile che sono estremamente affini alla natura delle SLNs. Molteplici sono le ragioni che giustificano l’impiego di questa formulazione, come la protezione dal deterioramento, il rilascio controllato del farmaco, la veicolazione mirata del farmaco, la versatilità nella somministrazione e nel caricamento del farmaco: in realtà i princìpi attivi (API) idrofili possono essere caricati nelle SLNs, sebbene con più evidenti difficoltà rispetto ai contrapposti composti lipofili. Nel presente lavoro di tesi la caffeina e l’idrocortisone (HC) sono stati gli API scelti al fine di essere analizzati una volta caricati nelle nanoparticelle lipidiche, per via della loro vasta applicabilità nel trattamento delle malattie. SLNs sono state preparate secondo il metodo di iniezione presente in letteratura scientifica con l’intento di caratterizzare i loro principali parametri sperimentali (dimensione, PdI e ZP) per mezzo delle tecniche di diffusione dinamica (DLS) ed elettroforetica (ELS) della luce le quali, solitamente, sono indicatori di omogeneità e stabilità. Un’altra caratteristica importante delle SLNs e dei nano-trasportatori in generale è la loro capacità di incapsulare gli API nota come efficienza di incapsulamento (EE), che è definita come il rapporto della differenza tra [API]totale (quantità totale di principio attivo nella sospensione di SLNs) e [API]libero (concentrazione di principio attivo non intrappolato) su [API]totale. La valutazione di EE è stata pertanto effettuata tramite il metodo della cella di Franz. Premesso ciò, è stata preparata e caratterizzata una certa varietà di sospensioni di SLNs a partire da soluzioni madri di princìpi attivi a diversa concentrazione (5 mM, 3 mM, 1 mM) a seconda del farmaco utilizzato e della dispersione finale desiderata. Sebbene la caffeina non sia esattamente idrofila risulta idrosolubile e, per questo motivo, considerata più idrofila di HC: prova ne è il valore di EE ottenuto per le SLNs caricate con caffeina rispetto alle SLNs caricate con HC, per le quali EE è risultato stabilmente alto (> 70%). La seconda parte dello studio delle SLNs riguarda la loro diffusione attraverso lo strato mucoso. Questo strato è largamente presente nell’organismo umano dal momento che ricopre la maggior parte dei siti d’assorbimento, un aspetto che viene spesso scarsamente analizzato ma è fondamentale quando ci si occupa di somministrazione del farmaco, poiché la diffusione attraverso questo strato acquoso non mescolato (UWL) è di estrema importanza per l’ottenimento di una buona disponibilità farmaceutica. Perciò un test di diffusione tramite spettroscopia UV-visibile localizzata è stato necessario per raccogliere informazioni riguardo la diffusività del principio attivo (coefficiente di diffusione, D) in questo ambiente acquoso, il cui ruolo per i nostri esperimenti viene rivestito da acqua altamente purificata (Milli Q). Ciò che emerge quando si realizza questo test è la differenza tra i coefficienti di diffusione delle SLNs caricate di caffeina e delle SLNs caricate di HC dovuta ai rispettivi volumi molari dei due API, che consentono alla caffeina di diffondere più velocemente rispetto al più voluminoso HC. Inoltre, i profili di concentrazione del farmaco nel tempo mostrano un’eccellente corrispondenza dei dati sperimentali con i rispettivi modelli fittati per la maggior parte delle dispersioni. I profili appartenenti allo stesso tipo di sospensione (ovvero caricata con caffeina o con HC) mostrano una certa rassomiglianza, confermando l’affidabilità del metodo.