Lipid nanoparticles as a versatile system for drug administration

Dissertação de mestrado em Tecnologias do Medicamento, apresentada à Faculdade de Farmácia da Universidade de CoimbraA nanotecnologia é uma ciência emergente com aplicação em diferentes áreas, com especial ênfase nas ciências da saúde. As nanopartículas de lipídicas (NL) são um nanosistema promissor para a entrega de fármacos, que suscita interesse particular em comparação com os sistemas coloidais convencionais. A sua natureza biocompatível e biodegradável, a estabilidade físico-química, o controle sobre a libertação do fármaco, relação custo-eficácia e fácil transposição de escala são algumas das suas vantagens. As NL tem sido avaliadas para administração por várias vias, superando, assim, algumas limitações associadas às formas farmacêuticas de dosagem convencionais. Neste trabalho, o objetivo principal foi o desenvolvimento e caracterização de formulações orais e transdérmica baseadas em nanopartículas lipídicas para co-encapsulação de olanzapina (OL) e de sinvastatina (SV). A aplicação particular das NL para administração oral, é vantajosa, devido ao efeito potenciador dos lípidos na absorção do fármaco e a na sua absorção preferencial pelo sistema linfático, evitando o efeito de primeira passagem hepática e assim, aumentar a biodisponibilidade oral. Por sua vez, a sua utilização na administração transdérmica pode aumentar a penetração dos fármacos, como resultado do efeito oclusivo promovido pelo pequeno tamanho das partículas e a pela sua adesividade. Na administração oral, foi realizada uma dupla abordagem de desenvolvimento. Em primeiro lugar, pretendeu-se avaliar a exequibilidade de transposição de escala das nanopartículas lipídicas e, subsequentemente, da conversão de NLC numa forma de dosagem sólida e flexível, em termos de modulação de libertação dos fármacos. Para isso, as dispersões de Combo-NLC foram produzidas por homogeneização a alta pressão, e avaliada em termos de estabilidade, processo de secagem, desempenho dos comprimidos na libertação in vitro e na permeabilidade intestinal. As NLC revestidas com polímeros permitiram obtenção de mecanismos de liberação distintos, incluindo libertação imediata, retardada e prolongada. Os estudos de citotoxicidade e de permeabilidade foram realizados para todas as formulações. A melhor formulação foi associada à baixa toxicidade e alta permeabilidade intestinal, o que pode ainda resultar num melhoramento permeabilidade oral. Tais resultados poderiam ser atribuídos à proteção dos fármacos e controle sobre liberação promovido pela NLC. Na administração transdérmica, como segunda abordagem, um sistema monolítico de fármaco-nas-NLC-no-adesivo foi desenvolvido, formulado e caracterizado por metodologias 10 in vitro, in silico e viabilidade celular. Foram aplicadas estratégias passivas para aumentar a permeação dos fármacos, como as nanopartículas lipídicas juntamente com promotores químicos de permeação, e microagulhas usadas como método activo. Em primeiro lugar, foi avaliada a combinação de NL com diferentes promotores em termos de comportamento de permeação. O propileno glicol revelou o maior valor de permeação para os dois fármacos. Estes resultados foram complementados por estudos de dinâmica molecular. Depois, diferentes adesivos foram formulados e convenientemente avaliados. Entre todos os adesivos testados, a combinação entre PVP K30 e PEG 400 resultou na permeação do fármaco mais elevada através da pele, simultaneamente revelou as melhores propriedades adesivas in vitro-in vivo. A influência do promotor químico de permeação e o adesivo sobre o desempenho formulação foi racionalizada usando um planeamento factorial. Os resultados mostraram que a presença do adesivo é importante para promover a permeação através da pele, enquanto que a permeação de SV é influenciado principalmente pela presença do promotor químico. Finalmente, avaliou-se a influência das micro-agulha. Esta abordagem combinada não demonstrou uma melhoria significativa sobre a permeação dos fármacos, o que pode indicar que a própria formulação proporciona a principal força motriz para a permeação dos fármacos na pele. Os estudos de citotoxicidade revelaram que as nanopartículas de lipídicas são capazes de reduzir a citotoxicidade associada à SV em solução a concentrações inferiores a 90 μM e que o efeito isolado de adesivo em termos de citotoxicidade foi mais elevado do que o induzido pelo promotor químico. Utilizando esta abordagem combinatória, o projecto demonstrou a versatilidade das nanopartículas de lípidos como sistemas para administração de fármacos coloidais.Nanotechnology is an emerging science with application in different areas, with special emphasis on health sciences. Lipid nanoparticles (LN) are a promising nanosystem for drug delivery, which has raised particular interest in comparison to conventional colloidal systems. Their biocompatible and biodegradable nature, physicochemical stability, control over drug release, cost-effectiveness and easy scaling-up are some of their advantages. LN have been assessed for administration by several routes, thereby overcoming some limitations associated to conventional dosage forms. In this work, the main aim was the development and characterization of oral and transdermal formulations based on lipid nanoparticles for co-delivery of olanzapine (OL) and simvastatin (SV). The particular application of LN for oral administration is advantageous, due to the enhancer effect of lipids on drug absorption and their preferential uptake by the lymphatic system, thus avoiding liver first pass and increasing bioavailability. In turn, their use in the transdermal administration can increase drug penetration, as a result of the occlusive effect promoted by the small particle size and adhesiveness. In oral administration, a dual step development approach was carried out, firstly, focused on the assessment of the NLC scale-up feasibility, and subsequently, on the conversion of NLC into a solid and flexible dosage form, in terms of drug release modulation. For that, Combo-NLC dispersions were produced by high pressure homogenization, and evaluated in terms of scalability, drying procedure, tableting and performance from an in vitro release and permeability perspective. Modified NLC formulations with the polymers allowed to obtain distinct release mechanisms, including immediate, delayed and prolonged release. Cytotoxicity and permeability studies were performed in order to assess all formulations. The better formulation was associated to low cytotoxicity and high intestinal permeability, which can further result in enhanced oral permeability. Such findings could be ascribed to drug protection and control over release promoted by the NLC. In transdermal administration, as second approach, a transdermal drug delivery system based on an innovative drug-in-LN-in-adhesive design and adhesive composition was formulated and characterized by in vitro, in silico and cellular viability methodologies. As enhancement permeation strategies, passive, including LN coupled with chemical penetration enhancers, CPEs, and microneedles as active method were investigated. Firstly, it was assessed the combination of LN with different enhancers in terms of permeation behaviour. 12 Propylene glycol revealed the higher permeation of both drugs. These results were supported by molecular dynamics studies. After that, different adhesives were formulated and suitably evaluated. Among all adhesives tested, the combination between PVP k30 and PEG 400 resulted in the higher drug permeation across the skin, along with the best in vitroin vivo adhesive properties. The influence of the enhancer and the adhesive on the formulation performance was rationalized using a factorial design. Results showed that the presence of adhesive is crucial to promote of permeation through the skin, while permeation of SV is mainly influenced by the presence of enhancer. Finally, the pre-application of a microneedle device followed by the optimal patch was evaluated. This combined approach did not a show a significant improvement over the drug permeation, which may indicate that the formulation itself provides the main driving force for skin permeation. Cytotoxicity studies revealed that lipid nanoparticles are able to reduce cytotoxicity associated to the SV in solution at concentrations lower than 90 !M!! and it can be visualized that the isolated effect of adhesive in terms of cytotoxicity was higher than the one induced by the enhancer. Using this combinational approach, the project demonstrated the versatility of the lipid nanoparticles as colloidal systems for drug administration