Development and study of lipid nanosystems for the relief of clinical symptoms of dermatological diseases

The use of nanocarriers in drug delivery has provided new opportunities in topical treatment of diseases affecting the skin by improving drug permeation and accumulation in the various skin strata, reducing systemic side effects, and enhancing the solubility of poorly soluble drugs. The present work aimed to develop and investigate drug loaded nanoparticles for improving topical delivery of curcumin. Curcumin (CUR) has a long history of use as an antimicrobial, anti-inflammatory, antioxidant, anticancer and wound healing agent, among others, for the treatment of various skin conditions. Encapsulation in nanocarriers may overcome the administration limitations of CUR, such as lipophilicity and photodegradation. Lipid nanocarriers with different matrix fluidity (Solid Lipid Nanoparticles; SLN, Nanostructured Lipid Carriers; NLC, and Nanoemulsion; NE) were prepared for the topical delivery of curcumin (CUR) in case of acne and/or seborrheic dermatitis (S.D.). An unloaded set, without adding CUR, was also developed for comparison. For easier topical application all nano-formulations were incorporated into Carbopol Ultrez 10 (CRB) based gels. Nano-formulations were prepared by hot homogenization followed by probe sonication technique, while their formation to gels was achieved by neutralization after the addition of triethanolamine till the pH adjustment to approximately 5.5. Then, all samples saved in the refrigerator (4oC) for further characterization. Particle size, polydispersity index (PdI) and zeta potential of all formulations were measured by Dynamic & Electrophoretic Light Scattering technique (DLS & ELS). The surface morphology of nano-dispersions was studied by transmission electron microscopy (TEM). Loading and encapsulation efficiency of nano-formulations were determined by Size Exclusion Chromatography (SEC) and UV-Vis Spectroscopy. The CUR content of gels was determined, respectively. Parameters such as pH and viscosity of gels were also monitored. Moreover, the stability of all formulations was evaluated by centrifugation (5000rpm, 30min). The samples were subjected to accelerated aging (three cycles of heating at 45oC and cooling to 25oC), too. Further stability studies were conducted by storing the samples, protected from light, at 4oC and monitoring these physicochemical parameters at predetermined time intervals (1, 8, 15, 30, 60 and 90 days). The occlusive properties and film forming capacity of the reported formulations, as well as the release profile of incorporated CUR, its protection against photodegradation, the effect of nano-formulations on its antioxidant and wound healing properties, as well as cell viability and gene’s expression were studied in vitro, using empty nanocarriers or free CUR as controls. Moreover, gels were evaluated for their spreadability but also for their antimicrobial efficacy, after being applied the usual Perservative Efficacy Test, (PET). In the meantime, an in vivo skin permeation study of incorporated CUR was conducted by using tape stripping technique or/and Franz cells, while parameters such as transepidermal water loss (TEWL) and skin hydration were evaluated after the application of the samples on healthy human skin. Finally, the in vivo antiacne and anti-seborrheic efficacy of the CUR loaded NLC GEL was assessed by involving patients with mild symptoms. Samples of free CUR GEL or empty CRB GEL were also used for comparison. Empty and CUR-loaded nanocarriers and the corresponding gels were successfully developed. All nano-formulations showed encapsulation and loading efficiency in the range of 88-94% and 1.40-1.49%, respectively. The CUR content of the nanoformulated gels was determined at 75%, slightly lower than the initial nano-formulations. The mean size of nanoparticles was ranged between 122.60 nm ± 8.39 nm (for NE, p < 0.05) και 131.43 nm ± 9.94 nm (for SLN, p < 0.05), while PdI and zeta potential of all nano-formulations was found near to 0.2 and -60.00 mV, respectively. On the other hand, gels showed increased size and PdI in the range of 40-45%, while their zeta potential did not differ of the initial nano-formulations. TEM images showed spherical and smooth surfaced particles. The pH of all nano-formulations was slightly acidic (~4.50), while the pH was regulated by triethanolamine near to 5.70 at all gels. Moreover, the gels with incorporated SLN, NLC & NE dispersions exhibited a non-Newtonian, pseudoplastic character with thixotropic behavior. Prepared nanoformulated gels had optimum viscosity and spreadability required for topical administration. CUR encapsulation did not affect their physicochemical characteristics. All nanocarriers and their corresponding gels remained stable after centrifugation, while accelerating aging caused minor decrease of size and pH at the NE.CUR GEL and NLC.CUR GEL, respectively. During the storage at 4oC, nanoparticles and gels remained stable and only NLC.CUR presented a 6.23% decrease of mean size at the last day of the stability test (90d). The CUR content of nanocarriers was stable, while a small decrease was occurred for SLN.CUR and NE.CUR after 15 and 60 days, respectively. In case of gels, the CUR content was not affected for 15 days, while a 24% decrease was occurred after 30 days. Also, no changes occurred at their pH and viscosity values for 90 days. Release profile occurred in a biphasic manner including an initial burst, followed by a sustained release trend for CUR-loaded nanoparticles or gels. However, gels provoked the initial burst phase earlier and the encapsulated CUR retention was similar for all gels, between 20-30%, regardless of the physical lipid status of the incorporated nanocarriers. The encapsulated CUR was released from SLNs by erosion while the NLCs and NEs by diffusion. In contrast, CUR release from gels was exclusively based on diffusion. According to the DPPH assay, the encapsulation of CUR was found to reduce the scavenging activity by half, at low concentration (0.04-0.05 mg/mL), whereas the FRAP assay resulted in reverse effect regarding the iron reduction activity. The incorporation of CUR-loaded nanocarriers into the gels neither produced an inhibitory effect on the Gram (-) and Gram (+) microorganisms tested, nor did it produce an antifungal effect. However, it is of great importance the antibacterial activity produced by the empty nanocarriers against all Gram (-) and Gram (+) bacteria tested. Their activity, which followed the order SLN < NLC < NE, is likely to be related to the liquid triglyceride (TG) and its content. Νanoparticles of low fluidity and their gel-based form provided better surface occlusion, film forming capacity and retention of the incorporated CUR after sunlight exposure. All nanocarriers but especially NLC, achieved faster wound healing at lower concentration of incorporated CUR. The cell viability was up to 80% which indicates that the formulations were non-toxic to cells and safe for external use. According to the results free and nano-formulated CUR transcriptionally modulates genes involved in antioxidant pathway. Interestingly, all the samples exhibited an individual antioxidant protection under or no oxidative stress. In vivo permeation study showed high level of CUR permeation through skin by all nanocarriers, while in gels the penetration rate was characterized as slower. The in vivo study on healthy human volunteers showed significant results, more specifically in terms of TEWL and skin hydration level. No effect or even positive effect on TEWL, while in parallel a slight decrease of skin hydration was observed after the application of nanoparticles, especially by the empty NE or the SLN.CUR. In contrast, NE GEL was the only one which disturbed the skin barrier after 120min, by causing a 19% increase of TEWL value. Increase in hydration content by all gels was found approximately at 17%, however, CUR seemed to regulate the temporal manifestation of this effect. Incorporation of CUR-loaded NLCs in gel resulted in enhanced in vivo potency against acne or S.D. symptoms as compared to the free drug gel or the empty gel. Overall, this thesis supports that nanotechnology may enhance the action of CUR against skin conditions. Important characteristics of the nanocarrier such as matrix fluidity should be taken into consideration in the design of CUR nanosystems of optimal efficiency. CUR loaded NLCs incorporated in gel may have promising potential as drug delivery system for topical treatment of acne or/and S.D. However, further investigation or validation of the pharmacological potential of this formulation is still needed.Η χρήση των νανοφορέων στην μεταφορά φαρμάκων έχει προσφέρει νέες δυνατότητες στην τοπική θεραπεία δερματικών ασθενειών βελτιώνοντας τη διέλευση και τη συσσώρευση φαρμάκων στις διάφορες στοιβάδες του δέρματος, μειώνοντας τις συστηματικές ανεπιθύμητες ενέργειες και ενισχύοντας τη διαλυτότητα υδρόφοβων φαρμάκων. Η παρούσα εργασία αποσκοπούσε στην ανάπτυξη και διερεύνηση νανοσωματιδίων για τη βελτίωση της τοπικής χορήγησης του βιομορίου της κουρκουμίνης. Η κουρκουμίνη (CUR) έχει μακρά ιστορία χρήσης ως αντιμικροβιακός, αντιφλεγμονώδης, αντιοξειδωτικός, αντικαρκινικός και επουλωτικός παράγοντας, μεταξύ άλλων, για τη θεραπεία πολλών δερματικών παθήσεων. Η ενκαψακίωση σε νανοφορείς μπορεί να ξεπεράσει τους περιορισμούς χορήγησης της CUR, όπως η λιποφιλικότητα και η φωτοαποικοδόμηση. Λιπιδικοί νανοφορείς με διαφορετική ρευστότητα μήτρας (Solid Lipid Nanoparticles; SLN, Nanostructured Lipid Carriers; NLC, and Nanoemulsion; NE) παρασκευάστηκαν για την τοπική χορήγηση της CUR σε περίπτωση ακμής και/ή σμηγματορροϊκής δερματίτιδας (Seborrheic Dermatitis, S.D.). Επίσης, μια ομάδα κενών νανοφορέων, χωρίς CUR, αναπτύχθηκε για σύγκριση. Για την επίτευξη ευκολότερης τοπικής εφαρμογής, όλοι οι νανοφορείς που παρασκευάστηκαν ενσωματώθηκαν σε πηκτώματα με βάση το Carbopol Ultrez 10 (CRB). Η προετοιμασία των νανοφορέων βασίστηκε στην διαδικασία της θερμής ομογενοποίησης σε συνδυασμό με υπερήχους, ενώ η μορφοποίηση τους σε πηκτώματα επιτεύχθηκε με εξουδετέρωση ύστερα από την προσθήκη τριαιθανολαμίνης μέχρι το pΗ να ρυθμιστεί περίπου στο 5.5. Έπειτα, τα δείγματα αποθηκεύτηκαν στο ψυγείο (4οC) για περαιτέρω φυσικοχημικό χαρακτηρισμό. Το μέγεθος των σωματιδίων, ο δείκτης πολυδιασποράς (Polydispersity Index, PdI) και το ζ-δυναμικό όλων των δειγμάτων μετρήθηκαν με την τεχνική της Δυναμικής & Ηλεκτροφορητικής Σκέδασης Φωτός (Dynamic & Electrophoretic Light Scattering, DLS & ELS). Η επιφανειακή μορφολογία των νανοσωματιδίων μελετήθηκε με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Διέλευσης (Τransmission Εlectron Μicroscopy, TEM). Η φόρτωση και η αποτελεσματικότητα της ενκαψακίωσης της CUR στα νανοσωματίδια προσδιορίστηκε με την χρήση της χρωματογραφίας μοριακού αποκλεισμού (Size exclusion Chromatography, SEC) σε συνδυασμό με τη Φασματοφωτομετρία υπεριώδους-ορατού (Spectroscopy Ultraviolet-Visible, UV-Vis). Η περιεκτικότητα της CUR στα πηκτώματα προσδιορίστηκε, αντίστοιχα. Παράμετροι όπως το pΗ και το ιξώδες των πηκτωμάτων ελέγχθηκαν επίσης. Επιπλέον, η σταθερότητα όλων των σκευασμάτων αξιολογήθηκε μετά από φυγοκέντρηση (5000rpm, 30min). Σε επόμενο στάδιο, τα δείγματα υποβλήθηκαν και σε επιταχυνόμενη γήρανση (τρεις κύκλοι θέρμανσης στους 45oC και ψύξης στους 25oC). Περαιτέρω μελέτες σταθερότητας διεξήχθησαν μετά την αποθήκευση των δειγμάτων απουσία φωτός, στους 4oC κατά τις οποίες μετρήθηκαν οι προηγούμενες φυσικοχημικές παράμετροι σε προκαθορισμένα χρονικά διαστήματα (1, 8, 15, 30, 60 και 90 ημέρες (d)). Η δερματική απόφραξη και η ικανότητα σχηματισμού λιπιδικού υμενίου των σκευασμάτων, καθώς και τα χαρακτηριστικά της απελευθέρωσης του ενσωματωμένου βιομορίου της CUR, η προστασία του από τη φωτοαποικοδόμηση, η επίδραση των νανοφορέων στις αντιοξειδωτικές και επουλωτικές του ιδιότητες , αλλά και στη βιωσιμότητα των κυττάρων και τη γονιδιακή έκφραση μελετήθηκαν in vitro, χρησιμοποιώντας κενούς νανοφορείς ή ελεύθερη CUR ως μάρτυρες. Επιπλέον, τα πηκτώματα αξιολογήθηκαν ως προς την επαλειψιμότητά τους αλλά και την αντιμικροβιακή τους αποτελεσματικότητα, για την οποία εφαρμόστηκε η δοκιμή αποτελεσματικότητας συντήρησης, (Perservative Efficacy Test, ΡΕΤ). Στη συνέχεια, μία in vivo μελέτη διεξήχθη για τον έλεγχο της διαπερατότητας του δέρματος από την ενσωματωμένη CUR με τη χρήση της τεχνικής αποκόλλησης αυτοκόλλητης ταινία ή / και κελίων στατικής διάχυσης (Franz cells), ενώ παράμετροι όπως η διαδερμική απώλεια νερού (Transepidermal Water Loss, TEWL) και η ενυδάτωση του δέρματος αξιολογήθηκαν μετά την εφαρμογή των δειγμάτων σε υγιές ανθρώπινο δέρμα. Τέλος, αξιολογήθηκε in vivo σε ασθενείς με ήπια συμπτώματα, η αποτελεσματικότητα του πηκτώματος NLC.CUR GEL στην ανακούφιση συμπτωμάτων ακμή και/ή S.D., ενώ πηκτώματα όπως αυτό της ελεύθερης CUR (CUR GEL) ή το κενό πήκτωμα (CRB GEL) χρησιμοποιήθηκαν για σύγκριση. Όλοι οι κενοί και φορτωμένοι νανοφορείς καθώς και τα αντίστοιχα πηκτώματα αναπτύχθηκαν επιτυχώς. Όλα τα νανοσωματίδια έδειξαν αποτελεσματικότητα ενκαψακίωσης και φόρτωσης της CUR στην περιοχή 88-94% και 1.40-1.49%, αντίστοιχα. Η περιεκτικότητα της CUR στα πηκτώματα κυμάνθηκε περίπου στο 75%, ελαφρώς χαμηλότερη από αυτή των αρχικών διασπορών νανοσωματιδίων. Το μέσο μέγεθος των νανοσωματιδίων κυμάνθηκε μεταξύ 122.60 nm ± 8.39 nm (NE, p < 0.05) και 131.43 nm ± 9.94 nm (SLN, p < 0.05), ενώ ο PdI και το ζ-δυναμικό όλων των νανοφορέων βρέθηκαν κοντά στο 0.2 και -60.00 mV, αντίστοιχα. Από την άλλη πλευρά, τα πηκτώματα επέδειξαν αυξημένο μέγεθος και PdI στην περιοχή 40-45%, ενώ το ζ-δυναμικό δεν διέφερε από των αρχικών διασπορών. Οι εικόνες TEM έδειξαν σφαιρικά και λεία επιφανειακά σωματίδια. Το pH όλων των νανοσωματιδίων ήταν ελαφρώς όξινο (~4.50), ενώ το pΗ των πηκτωμάτων ρυθμίστηκε κοντά στο 5.70 με τριαιθανολαμίνη. Επιπλέον, τα πηκτώματα με τις ενσωματωμένες διασπορές των SLNs, NLCs και ΝΕs παρουσίασαν έναν μη νευτώνειο, ψευδοπλαστικό χαρακτήρα με θιξοτροπική συμπεριφορά. Τα παρασκευασμένα νανο-μορφοποιημένα πηκτώματα είχαν βέλτιστο ιξώδες και επάλειψη που απαιτείται για τοπική χορήγηση. Η ενκαψακίωση της CUR στα νανοσωματίδια ή τα πηκτώματα δεν επηρέασε τα φυσικοχημικά τους χαρακτηριστικά. Όλοι οι νανοφορείς και τα αντίστοιχα πηκτώματα παρέμειναν σταθεροί μετά τις δοκιμασίες της φυγοκέντρησης, ενώ κατά τη δοκιμασία της επιταχυνόμενης γήρανσης προκλήθηκε πολύ μικρή μείωση στο μέγεθος και το pH των ΝΕ.CUR GEL και NLC.CUR GEL, αντίστοιχα. Κατά την περίοδο αποθήκευσης των δειγμάτων στους 4oC, μόνο ο νανοφορέας NLC.CUR παρουσίασε μείωση του μέσου μεγέθους κατά 6.23% την τελευταία ημέρα της δοκιμής σταθερότητας (90d). Η περιεκτικότητα της CUR στους νανοφορείς ήταν σταθερή, ενώ σημειώθηκε μικρή μείωση για το SLN.CUR και NE.CUR μετά από 15 και 60 ημέρες, αντίστοιχα. Στην περίπτωση των πηκτωμάτων, η περιεκτικότητα σε CUR δεν επηρεάστηκε για 15 ημέρες, ενώ παρατηρήθηκε μείωση κατά 24% μετά από 30 ημέρες. Επίσης, δεν σημειώθηκαν αλλαγές στις τιμές pH και ιξώδους των πηκτωμάτων για 90 ημέρες. Η απελευθέρωση της CUR από τους νανοφορείς ή τα πηκτώματα εξελίχθηκε με διφασικό τρόπο συμπεριλαμβανομένης μιας αρχικής φάσης «έκρηξης», ακολουθούμενη από μια τάση παρατεταμένης απελευθέρωσης. Ωστόσο, τα πηκτώματα προκάλεσαν την αρχική φάση «έκρηξης» νωρίτερα, και η συγκράτηση της ενκαψακιωμένης CUR ήταν παρόμοια για όλα τα πηκτώματα, μεταξύ 20-30%, ανεξάρτητα από τη φυσική λιπιδική κατάσταση των ενσωματωμένων νανοφορέων. Η ενκαψακιωμένη CUR απελευθερώθηκε από τα SLNs μέσω διάβρωσης ενώ από τα NLCs και NEs μέσω διάχυσης. Αντίθετα, η απελευθέρωση της CUR από τα πηκτώματα βασίστηκε αποκλειστικά στη διάχυση. Σύμφωνα με τη δοκιμασία DPPH, η ενκαψακίωση της CUR βρέθηκε ότι μειώνει τη δραστικότητα δέσμευσης της ελεύθερης ρίζας κατά το ήμισυ, σε χαμηλή συγκέντρωση (0.04-0.05 mg/mL), ενώ η δοκιμασία FRAP έδωσε αντίστροφα αποτελέσματα ως προς τη δραστικότητα αναγωγής του σιδήρου. Η ενσωμάτωση των φορτωμένων νανοφορέων στα πηκτώματα δεν προκάλεσε ανασταλτικό αποτέλεσμα στους εξεταζόμενους Gram (-) και Gram (+) μικροοργανισμούς ούτε παρήγαγε αντιμυκητιασικό αποτέλεσμα. Ωστόσο, έχει μεγάλη σημασία η αντιβακτηριακή δράση που παράγεται από τους άδειους νανοφορείς έναντι όλων των Gram (-) και Gram (+) βακτηρίων της δοκιμασίας. Η δραστηριότητά τους, η οποία ακολούθησε τη σειρά SLN < NLC < NE, είναι πιθανό να σχετίζεται με το υγρό τριγλυκερίδιο (TG) και την εκάστοτε περιεκτικότητά του. Τα νανοσωματίδια χαμηλής ρευστότητας και τα πηκτώματά τους παρείχαν καλύτερη απόφραξη της επιφάνειας του δέρματος, ικανότητα σχηματισμού συμπαγούς / πυκνού λιπιδικού υμενίου και μεγαλύτερη συγκράτηση του ενσωματωμένου βιομορίου μετά την έκθεση σε ηλιακό φως. Όλοι οι νανοφορείς αλλά ειδικά το NLC, πέτυχαν ταχύτερη μείωση της επιφάνειας των αμυχών με την χαμηλότερη συγκέντρωση ενσωματωμένης CUR. Η βιωσιμότητα των κυττάρων προσδιορίστηκε περίπου 80%, γεγονός που υποδηλώνει ότι τα δείγματα ήταν μη τοξικά για τα κύτταρα και ασφαλή για εξωτερική χρήση. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η ελεύθερη και νανο-ενκαψακιωμένη CUR ρυθμίζει μεταγραφικά τα γονίδια που εμπλέκονται στην κυτταρική αντιοξειδωτική οδό. Είναι ενδιαφέρον ότι όλα τα δείγματα παρουσίασαν ατομική αντιοξειδωτική προστασία υπό ή χωρίς συνθήκες οξειδωτικού στρες. Η in vivo μελέτη του βάθους διέλευσης της SC έδειξε αυξημένη διείσδυση της CUR από τους νανοφορείς, ενώ στα πηκτώματα ο ρυθμός διεύσδυσης χαρακτηρίστηκε πιο αργός. Η in vivo μελέτη σε υγιείς εθελοντές έδειξε σημαντικά αποτελέσματα, πιο συγκεκριμένα όσον αφορά την TEWL και την ενυδάτωση του δέρματος. Ο δερματικός φραγμός δεν επηρεάστηκε καθόλου ή βελτιώθηκε, ενώ παράλληλα παρατηρήθηκε μικρή μείωση της ενυδάτωσης του δέρματος μετά την εφαρμογή νανοσωματιδίων, ειδικά από το κενό NE ή το SLN.CUR. Αντίθετα, το NΕ GEL ήταν το μόνο που διατάραξε το δερματικό φραγμό μετά από 120min, προκαλώντας αύξηση κατά 19% στην τιμή της TEWL. Αύξηση στα επίπεδα ενυδάτωσης, περίπου στο 17%, παρατηρήθηκε για όλα τα πηκτώματα, ωστόσο η προσθήκη της CUR φάνηκε να ρυθμίζει τη χρονική εκδήλωση αυτού του αποτελέσματος. Η ενσωμάτωση της διασποράς NLC.CUR σε πήκτωμα είχε ως αποτέλεσμα αυξημένη in vivo δραστικότητα κατά των συμπτωμάτων της ακμής ή της S.D. σε σύγκριση με το (ελεύθερο) CUR GEL ή το (κενό) CRB GEL. Συνολικά, αυτή η Διατριβή υποστηρίζει ότι η νανοτεχνολογία μπορεί να ενισχύσει τη δράση της CUR στην αντιμετώπιση δερματικών παθήσεων. Σημαντικά χαρακτηριστικά των νανοφορέων, όπως η ρευστότητα της μήτρας, θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασμό των CUR - νανοσυστημάτων βέλτιστης απόδοσης. Η ενσωμάτωση του νανοφορέα NLC.CUR σε πήκτωμα φαίνεται ότι επάγει την χρήση του ως σύστημα τοπικής χορήγησης φαρμάκων για την ανακούφιση των ασθενών από συμπτώματα ακμής ή / και S.D.. Εντούτοις, περαιτέρω έρευνα ή επικύρωση του φαρμακολογικού δυναμικού του συγκεκριμένου σκευάσματος θεωρείται αναγκαία