Desarrollo y caracterización de sistemas transportadores de ingredientes farmacéuticos activos poco solubles en agua : aplicación de diseños experimentales

Presentación del problema: Los IFAs que se administran por vía oral en formas farmacéuticas sólidas, deben disolverse en los fluidos biológicos para poder atravesar las membranas celulares del tracto gastrointestinal, y así acceder al torrente sanguíneo y llegar al sitio de acción para ejercer su actividad farmacológica. De modo que la solubilidad acuosa del IFA afecta de manera directa, su absorción y por ende su actividad terapéutica. La mayoría de los IFAs que se han descubierto durante la última década han exhibido una escasa solubilidad en agua. Este mismo problema también se presenta, en fármacos que se emplean para el tratamiento de enfermedades para las cuales no existe una investigación activa en la generación de nuevos compuestos. Es por esto que además de la búsqueda de nuevos IFAs, es imprescindible la investigación en el campo de estrategias para mejorar las propiedades biofarmacéuticas de los IFAs poco solubles en agua. Un área muy importante dentro de este campo de investigación, se encuentra representada por el estudio de polímeros y macromoléculas, que actúan como transportadores de IFAs. Adicionalmente, estos materiales pueden modificarse químicamente para otorgarles nuevas propiedades o potenciar las características ya presentes. Enfoque y planificación del problema: En este trabajo de Tesis se seleccionó al albendazol como modelo de IFA poco soluble en agua, debido a su relevancia en el tratamiento de las parasitosis endémicas en nuestro país y por estar incluido en el listado de medicamentos esenciales de la Organización Mundial de la Salud. Este IFA es un agente antihelmíntico de amplio espectro, que muchas veces encuentra limitada su actividad terapéutica debido a su absorción errática como consecuencia de su escasa solubilidad. Si bien existen numerosas estrategias tecnológicas que permiten mejorar las propiedades biofarmacéuticas de los IFAs poco solubles en agua, en este trabajo de Tesis se recurrió en la formulación de micropartículas poliméricas y complejos con ciclodextrinas. Formulación de micropartículas poliméricas: Para ello, se planificó la formulación de micropartículas de albendazol basadas en complejos polielectrolíticos (compuestos por quitosano, pectina y carboximetilcelulosa sódica), empleando el secado por aspersión como método de obtención. Se proyectó además, la optimización de las condiciones de elaboración de las micropartículas para obtener valores máximos de rendimiento, eficiencia de encapsulación y parámetros de disolución del albendazol, mediante el empleo de diseños experimentales utilizando el programa Design-Expert ®. Adicionalmente, se planteó realizar estudios de estado sólido, morfológicos y de estabilidad sobre las micropartículas formuladas. Formulación de complejos con ciclodextrinas: Las ciclodextrinas son oligosacáridos cíclicos que poseen una cavidad hidrofóbica a la cual deben su habilidad para formar complejos de inclusión con varios compuestos de baja polaridad, aumentando así su solubilidad aparente. Particularmente, la β-ciclodextrina está constituida por siete unidades de glucopiranosa, y es poco soluble en agua debido a su estructura cristalina. La sustitución de los grupos hidroxilos correspondientes a los carbonos 2, 3 y 6 de las unidades de glucopiranosa de la β-ciclodextrina incrementa la solubilidad de la misma, mejorando sus propiedades como sistema transportador de IFAs. Adicionalmente, el sustituyente empleado puede modificar la afinidad de la β-ciclodextrina por la molécula a incluir. De modo que proyectó: o Introducir grupos funcionales ácidos en la estructura de la β-ciclodestrina para evaluar si podrían incrementar su afinidad por el albendazol, ya que el mismo presenta características débilmente básicas. o Estudiar la influencia de los grupos funcionales introducidos en la estructura de la β-ciclodextrina, en la formación de complejos con albendazol y comparar los resultados con los obtenidos para ciclodextrinas modificadas mediante eterificación (como la 2-hidroxipropil-β-ciclodextrina y la metil-β-ciclodextrina). o Evaluar la afinidad del albendazol por las ciclodextrinas estudiadas mediante análisis de solubilidad de fases, espectroscopía de RMN y espectrometría de masas. o Estudiar la formación del complejos en estado sólido en sistemas albendazol:ciclodextrinas obtenidos empleando las técnicas de mezcla física y secado por aspersión. Finalmente, caracterizar fisicoquímicamente los sistemas mediante estudios de solubilidad aparente, velocidad de disolución, calorimetría diferencial de barrido, difracción de rayos X y espectroscopía de infrarrojo. Ensayos biológicos: Se planificó realizar estudios de biodisponibilidad y de actividad antiparasitaria sobre los sistemas formulados con albendazol que presenten las mejores propiedades físicoquímicas. Datos significativos y hallazgos más importantes .Formulación de micropartículas poliméricas ternarias mediante secado por aspersión: El empleo de diseños experimentales nos permitió obtener una gran cantidad de información respecto de los complejos polielectrolíticos estudiados. El programa Design-Expert® predijo (según algoritmos matemáticos a partir de los datos experimentales) como “Sistema Optimo” para obtener los máximos valores de todas las respuestas estudiadas, al obtenido mediante la combinación de una solución de quitosano al 1 % (conteniendo 1 mg/mL de albendazol), pectina al 0,1 % y carboximetilcelulosa sódica 0,2 %. Al caracterizar el “Sistema Optimo” mediante estudios de difracción de rayos X, se observó la ausencia de los picos de cristalinidad característicos del albendazol, permitiéndonos postular que el mismo se hallaría incluido en el complejo polielectrolítico en estado amorfo. Se realizaron además estudios de calorimetría diferencial de barrido al “Sistema Optimo”, donde no se observó el pico endotérmico de fusión característico del albendazol, aportando evidencia adicional del estado amorfo del IFA incluido en el complejo polielectrolítico. El estado amorfo del IFA en el complejo polilectrolítico podría explicar los elevados valores de los porcentajes de liberación obtenidos en los estudios de disolución (Q30= 44 % y Q60= 68 %), debido a que los materiales amorfos presentan mayores solubilidades que los arreglos cristalinos.178,193 Contrariamente, el fármaco sin transportador presentó un valor de Q30 de 3,8 % y un valor de Q60 de 6,1 %. Adicionalmente, se analizó la morfología de las partículas obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido, las mismas presentaron forma esférica, superficie lisa y tamaño uniforme (1-10 μm) y no se observó formación de cristales en la superficie de las partículas. La aplicación de diseños experimentales al desarrollo de sistemas terapéuticos resultó una herramienta muy útil permitiendo obtener formulaciones que cumplen con los requisitos buscados de manera rápida y eficaz. β-Ciclodextrinas: Síntesis y caracterización de derivados de β-Ciclodextrina Durante este trabajo de Tesis se han sintetizado tres ésteres de β-ciclodextrina con ácidos poli-carboxílicos (citrato-β-ciclodextrina, succinil-β-ciclodextrina e itaconil-β-ciclodextrina) mediante métodos de síntesis sustentables. Además, se sintetizó un hexil derivado de β-ciclodextrina, que presentó propiedades anfifilicas, mediante una reacción de eterificación. Los espectros de RMN que se realizaron permitieron determinar el patrón de sustitución de los derivados de β-ciclodextrina estudiados. En el caso del citrato de β-ciclodextrina se presentaron sustituciones parciales en los hidroxilos 2 y 6 de la unidad de glucopiranosa, mientras que el succinato de β-ciclodextrina y el itaconato de β-ciclodextrina, exhibieron sustituciones parciales sólo en la posición 6 del anillo de glucopiranosa. Los derivados de β-ciclodextrina sintetizados se presentaron en estado amorfo, esto se verificó en los estudios de difracción de rayos X, donde se observaron bandas anchas congruentes con los materiales amorfos, a diferencia de los picos agudos e intensos, característicos de las estructuras cristalinas, que se presentaron en el difractograma de la β-ciclodextrina. Estos datos, justifican el notorio incremento de la solubilidad acuosa de los derivados obtenidos respecto de la β-ciclodextrina sin sustituir. Evaluación de la afinidad de β-ciclodextrinas por el albendazol Se estudió la afinidad de β-ciclodextrina, 2-hidroxipropil-β-ciclodextrina, metil-β-ciclodextrina, citrato-β-ciclodextrina, succinil-β-ciclodextrina e itaconil-β-ciclodextrina con respecto al albendazol, mediante la realización de diagramas de solubilidad de fase.74 A partir de los mismos se observó un comportamiento lineal entre la concentración de β-ciclodextrina, 2-hidroxipropil-β-ciclodextrina, metil-β-ciclodextrina, citrato-β-ciclodextrina, succinil-β-ciclodextrina e itaconil-β-ciclodextrina, y la concentración del albendazol. De modo que las isotermas obtenidas fueron de tipo AL de acuerdo al modelo propuesto por Higuchi y Connors,73 indicando que estos complejos se formaron con una estequiometría 1:1. Es necesario destacar, que el valor de la Kf obtenido para el citrato-β-ciclodextrina fue al menos tres veces superior que los obtenidos para las demás ciclodextrinas estudiadas. Formulación y caracterización de los sistemas albendazol:β-ciclodextrinas Se elaboraron sistemas albendazol:β-ciclodextrinas en una relación equimolar, empleando β-ciclodextrina, 2-hidroxipropil-β-ciclodextrina, metil-β-ciclodextrina, citrato-β-ciclodextrina, succinil-β-ciclodextrina e itaconil-β-ciclodextrina mediante los métodos de mezcla física y secado por aspersión. Estos sistemas, produjeron un incremento considerable en la eficiencia de disolución del albendazol respecto del mismo sin transportador. Los sistemas formulados con derivados de β-ciclodextrina facilitaron en mayor medida la solubilización del albendazol en comparación con los formulados con β-ciclodextrina. Es preciso destacar que con el sistema albendazol:citrato-β-ciclodextrina obtenido mediante secado por aspersión, se consiguió una completa disolución (100 %) del fármaco transcurridos 20 min del inicio del ensayo de disolución. Por otro lado, los estudios de difracción de rayos X y calorimetría diferencial de barrido indicarían que los sistemas albendazol:hidroxipropil-β-ciclodextrina y albendazol:metil-β-ciclodextrina obtenidos por secado por aspersión, se encontraron en estado amorfo y formando complejos de inclusión en estado sólido. Estos resultados concuerdan, con la mayor eficiencia de disolución del albendazol incluido en los sistemas obtenidos mediante secado por aspersión, respecto de aquellos que se obtuvieron por mezcla física. Ensayos biológicos: El albendazol incluido en el complejo polielectrolítico optimizado, presentó un incremento de diez veces en la biodisponibilidad de su metabolito activo en un modelo animal en ratas Wistar. Este mismo sistema, presentó una menor variabilidad en la respuesta antiparasitaria que el albendazol sin transportador, en el tratamiento durante la fase aguda de la infección por Triquinella spiralis en un modelo animal en ratones. Se obtuvieron resultados similares en cuanto a la actividad antiparasitaria para el complejo albendazol:metil-β-ciclodextrina, siendo la variabilidad en cuanto a la respuesta terapéutica todavía menor que para el albendazol incluido en las micropartículas poliméricas. La actividad antiparasitaria del complejo albendazol:citrato-β-ciclodextrina, fue evaluada en animales infectados con Trichinella spiralis durante fase crónica de la infección. En este estudio, la muerte larval fue estadísticamente superior en los animales tratados con el complejo respecto de los animales control (72-88 % versus 11 %, P=0,0032); mientras que los animales tratados con albendazol sin transportador no presentaron diferencias significativas en la muerte larval respecto del grupo control. Se realizaron además estudios de irritación gástrica en el mismo modelo animal, en los cuales el complejo produjo una menor irritación que el albendazol administrado sin transportador, siendo que éste último produjo incluso necrosis sobre la mucosa gastrointestinal. Conclusiones: El proceso de secado por aspersión permitió formular un sistema transportador formado por un complejo polielectrolítico microparticulado que permitió incrementar significativamente la eficiencia de disolución del albendazol incluido en el mismo, presentándose el fármaco en estado amorfo. Adicionalmente, las micropartículas diseñadas fueron estables en el tiempo en cuanto al título del fármaco por un período de al menos catorce meses. La metodología de elaboración resultó reproducible en cuanto al rendimiento, la eficiencia de encapsulación y la liberación del albendazol a partir de la matriz. Estas microparticulas incrementaron notoriamente la biodisponibilidad del metabolito activo del albendazol (albendazol sulfóxido) en un modelo animal en ratas Wistar. Se sintetizaron tres derivados de β-ciclodextrina que presentaron grupos carboxílicos en su estructura (citrato-β-ciclodextrina, succinil-β-ciclodextrina e itaconil-β-ciclodextrina), mediante reacciones que fueron llevadas a cabo en medio acuoso empleando reactivos atóxicos, de fácil adquisición, económicos y que no son perjudiciales para el medio ambiente. Los derivados de β-ciclodextrina sintetizados, presentaron una mayor solubilidad acuosa que la β-ciclodextrina, y además una mayor afinidad por el albendazol que esta última y que los éteres de β-ciclodextrina estudiados (2-hidroxipropil-β-CD y la metil-β-ciclodextrina). Adicionalmente, todos los sistemas albendazol:ciclodextrinas obtenidos mediante secado por aspersión, presentaron una mayor eficiencia de disolución que los mismos sistemas preparados por mezcla física. Los complejos albendazol:metil-β-ciclodextrina y albendazol:citrato-β-ciclodextrina, presentaron una mayor eficacia en su actividad antiparasitaria que el albendazol sin transportador en un modelo en ratones infectados con Triquinella spiralis. Además, es preciso destacar que los animales tratados con el complejo albendazol:citrato-β-ciclodextrina presentaron una menor irritación y efectos lesivos sobre los tejidos del tracto gastrointestinal que los tratados con albendazol sin transportador.Fil: García, Agustina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química de Rosario (IQUIER-CONICET); Argentina