Diseño, desarrollo y caracterización de nanopartículas basadas en interacciones Π-Π fármaco-polímero para la formulación de nanomedicamentos

Abstract

La administración de fármacos hidrofílicos de bajo peso molecular constituye un gran desafío en drug delivery, sobre todo para la terapia de enfermedades crónicas. La biodistribución parcial y rápida eliminación de estas moléculas activas limitan su eficacia terapéutica y aumentan significativamente sus efectos secundarios. La inclusión de estos fármacos en sistemas nanoestructurados constituye una posibilidad atractiva al ofrecer propiedades farmacéuticas controlables, mayor biocompatibilidad y, en algunos casos, bajo costo. Sin embargo, la fuerte interacción entre estos fármacos y el medio acuoso compromete el éxito de su encapsulamiento. En la presente investigación, se ha propuesto una estrategia sencilla, mediante la simple mezcla de dos soluciones acuosas, para el desarrollo de nanomedicamentos que contengan fármacos hidrofílicos y aromáticos de bajo peso molecular (cloroquina, amitriptilina y prometazina) con el polímero aromático poli(4-estirensulfonato de sodio) (PSS). Las nanopartículas obtenidas presentaron tamaños en un rango entre 120-180 nm, bajo índice de polidispersión (0.2-0.3) y potencial zeta negativo (-60 a -80 mV). Interesantemente, las nanopartículas presentaron alta estabilidad frente a diferentes estímulos como variación de concentración de sales, pH, temperatura y tiempo. Además, son capaces de transformarse en un polvo reconstituible manteniendo sus características iniciales (diámetro hidrodinámico y potencial zeta). En cuanto a la eficacia del proceso, las nanopartículas evidenciaron eficiencias de asociación >90 % y carga de fármaco de hasta el 67 %. Adicionalmente, las interacciones presentes entre los fármacos seleccionados y el PSS fueron identificadas. Los estudios de RMN-H1 y NOESY demostraron la presencia de interacciones íntimas “aromático-aromático” que influyen en la formación y estabilización de los nanosistemas. Por su parte, la diafiltración determinó que el atrapamiento de estos fármacos es en su mayoría cinéticamente controlado (% KB), con constantes de disociación (Kdis) bajas, y con perfiles de liberación prolongados determinados por los estudios de liberación in vitro (diálisis convencional y aparato USP 4). Además, se encontró un buen ajuste a la ecuación de Korsmeyer-Peppas para los perfiles de liberación, y el análisis correspondiente indica la contribución de una combinación de fenómenos dinámicos tales como difusión, hidratación molecular, cambios conformacionales en la matriz polimérica, cambios en la movilidad molecular de las macromoléculas y un cambio en la naturaleza de la unión del fármaco al polímero. Finalmente, la inclusión de una cuarta molécula con menor capacidad de autoasociación (concentración de agregación crítica, cac) que las previamente estudiadas, clorfenamina maleato, comprobó que tanto el proceso de formación de las NPs como la liberación del fármaco desde la matriz, están directamente relacionados con la cac. Considerando la gran cantidad de fármacos hidrofílicos y aromáticos de bajo peso molecular con importancia terapéutica, y la simplicidad de la estrategia presentada, consideramos que estos resultados (formación, estabilidad, liberación y efecto de la cac) pueden ser la base para elaborar una serie de sistemas de administración prolongada de fármacos con aplicaciones en diferentes patologías

The administration of hydrophilic and low molecular-weight drugs constitutes a great challenge in drug delivery, especially for the therapy of chronic diseases. The partial biodistribution and rapid elimination of these active molecules limit their therapeutic efficacy and significantly increase their side effects. The inclusion of these drugs in nanostructured systems constitutes an attractive possibility by offering controllable pharmaceutical properties, greater biocompatibility and, in some cases, low cost. However, the strong interaction between these drugs and the aqueous medium compromises the success of their encapsulation. In the present investigation, a simple strategy has been proposed, by simply mixing two aqueous solutions, for the development of nanomedicines containing hydrophilic, aromatic and low molecular-weight drugs (chloroquine, amitriptyline, promethazine) with the aromatic polymer poly (4-styrene sulfonate) (PSS). The nanoparticles obtained presented sizes in a range between 120-180 nm, low polydispersity index (0.2-0.3) and negative zeta potential (-60 to -80 mV). Interestingly, the nanoparticles presented high stability against different stimulates such as variation in ionic strength, pH, temperature, and time. Furthermore, they can be easily converted to a reconstitutable powder maintaining their initial characteristics (hydrodynamic diameter and zeta potential). Regarding the efficacy of the process, the nanoparticles showed association efficiencies >90% and drug load of up to 67 %. Additionally, the interactions present between the selected drugs and the PSS were identified. The RMN-H1 and NOESY studies demonstrated the presence of intimate "aromatic-aromatic" interactions that influence the formation and stabilization of nanosystems. On the other hand, diafiltration determined that the entrapment of these drugs is mostly kinetically controlled (% KB), with low dissociation constants (Kdis), and with prolonged release profiles determined by in vitro release studies (conventional dialysis and USP apparatus 4). In addition, a good fit to the Korsmeyer-Peppas equation for the release profiles was found, and the corresponding analysis indicates the contribution of a combination of dynamic phenomena such as diffusion, molecular hydration, conformational changes in the polymer matrix, changes in the molecular mobility of macromolecules and a change in the nature of the binding of the drug to the polymer. Finally, the inclusion of a fourth molecule with a lower self-association capacity (critical aggregation concentration, cac) than those previously studied, chlorphenamine maleate, verified that the process of formation of the NPs and the release of the drug from the matrix are directly related to cac. Considering the large number of hydrophilic, aromatic and low molecular-weight drugs with therapeutic importance, and the simplicity of the presented strategy, we consider that these results (formation, stability, release and effect of cac) may be the basis for developing a series of prolonged drug delivery systems with applications in different pathologies