Lipid nanoparticles permeation enhancement for transdermal drug delivery

Abstract

O principal desafio na administração transdérmica de fármacos consiste em transpor a camada córnea, a mais externa da pele. Têm sido desenvolvidas diferentes estratégias para promover a penetração de fármacos através desta barreira, as quais incluem métodos passivos, activos ou uma combinação de ambos. O presente trabalho teve como objectivo o desenvolvimento de um sistema transdérmico para a administração simultânea de olanzapina e sinvastatina. De forma a atingir este objectivo, foi abordada como estratégia passiva a combinação de nanopartículas lipídicas com promotores químicos de penetração. Por seu lado, a administração de nanopartículas recorrendo a microagulhas enquanto método activo foi avaliada como estratégia alternativa para potenciar o transporte de fármacos através da pele. As nanopartículas lipídicas, compreendendo as nanopartículas lipídicas sólidas (SLN) e os transportadores lipídicos nanoestruturados (NLC), foram preparadas pelos métodos de emulsificação-evaporação do solvente (SE/E) e homogeneização a alta pressão (HPH). Recorreu-se a planeamentos factoriais, do tipo 2k, para racionalizar e optimizar a composição das formulações, condições de produção e respectiva aplicação. O efeito combinado das nanopartículas lipídicas e promotores químicos foi investigado recorrendo a metodologias in vitro, in silico e estudos de viabilidade celular. As formulações foram adicionalmente avaliadas numa abordagem combinada in vitro/in vivo. Como resultado da reduzida solubilidade da olanzapina no lípido sólido, tripalmitina, foram utilizadas NLC para a co-encapsulação. A técnica HPH a quente foi seleccionada para a produção das NLC, uma vez que permitiu uma maior capacidade de carga de fármaco, uma libertação mais sustentada, uma melhor permeação, evitar o recurso a solventes orgânicos e tempos de produção mais curtos, apresentando também a possibilidade de transposição de escala. Os ensaios in vitro demonstraram que o meio externo da dispersão NLC influenciou marcadamente a permeação. Verificou-se também um efeito sinérgico entre as NLC e os promotores químicos seleccionados, etanol e limoneno, evidenciado pelas acentuadas razões xii de permeação, em comparação com soluções de referência. A olanzapina apresentou uma permeação superior à sinvastatina, resultados que foram confirmados nos ensaios in vivo referidos mais adiante. A posterior gelificação do sistema levou a uma redução para cerca de metade nos fluxos de permeação. As simulações de dinâmica molecular e os resultados experimentais permitiram estabelecer uma correlação entre o posicionamento dos promotores químicos (terpenos) numa bicamada lipídica e o seu efeito de intensificação na permeação. O estudo da interacção entre o limoneno, o etanol e o Carbopol Ultrez ® 10NF, como gelificante, com a dispersão de NLC, abrangendo as propriedades reológicas, mecânicas e físico-químicas, sugeriu que a formulação desenvolvida era adequada para administração transdérmica. Verificou-se, também, não ser irritante. Para a avaliação da eficácia do conceito acima desenvolvido, foram conduzidos ensaios in vivo em ratos, cuja administração transdérmica permitiu atingir o estado estacionário após 10 horas, mantendo-o durante 48 h. As dispersões de NLC caracterizaram-se por um melhor desempenho, in vivo, comparativamente aos hidrogéis, em concordância com os resultados in vitro. Estas diferenças foram, no entanto, mitigadas nos valores de fluxo, justificando a utilização de hidrogel como formulação final. A perfuração da pele promovida pelo dispositivo de microagulhas apenas aumentou ligeiramente a velocidade de permeação. Estes resultados corroboraram que a formulação, por si só, constitui a principal força motriz para a permeação de fármacos através da pele. Em geral, estes resultados indicam as formulações baseadas em NLC como promissoras para o desenvolvimento de um sistema transdérmico clínico, abrangendo uma abordagem terapêutica inovadora.

The main challenge in transdermal drug delivery is to overcome the barrier of the stratum corneum (SC), the outermost layer of the skin. Many approaches have been used to enhance the penetration of drugs through this layer, covering passive and active methods or the combination of both. This work aimed at developing a transdermal delivery system for the simultaneous administration of olanzapine and simvastatin. In order to fulfill the main goal, the potential combination of lipid nanoparticles and chemical enhancers was addressed, in what concerns passive strategies. Additionally, the active microneedle-mediated delivery of nanoparticles into the skin was investigated as an alternative to potentiate drug transport. Lipid nanoparticles, comprising solid lipid nanoparticles (SLN) and nanostructured lipid carriers (NLC) were prepared by the solvent emulsification-evaporation (SE/E) and high pressure homogenization (HPH) methods. Full factorial designs, 2k , were conducted to rationalize and optimize formulation composition, production conditions and application. The combined effect of lipid nanoparticles and chemical enhancers was investigated by in vitro, in silico and cellular viability methodologies. The formulations were assessed in a joint in vitro/in vivo approach. As a result of the reduced solubility of olanzapine in the solid lipid, tripalmitin, NLC were selected for co-encapsulation. For NLC production, the HPH technique was chosen, since it allowed a higher drug loading, a more sustained release, better permeation rate, in conjunction with the ability to scale up, avoidance of organic solvents and shorter production times. The in vitro skin experiments showed that the external medium in the NLC dispersion strongly influenced permeation. Olanzapine exhibited a higher permeation than simvastatin. Moreover, it was also seen that the use of NLC determined a synergistic effect with the selected permeation enhancers, ethanol and limonene, thus promoting marked flux enhancement ratios, relative to the drugs in solution. The further gelation of the formulation led to a reduction roughly by half in the flow rate. A correlation between enhancer positioning in a lipid bilayer and enhancement effect was suggested from both molecular dynamics studies and experimental results. The study of the interaction of limonene, ethanol and Carbopol Ultrez® 10NF as gelling agent with the NLC dispersion covering rheological, mechanical and physicochemical properties, suggested that the developed formulation was suitable for transdermal administration. Additionally, the optimal formulation was not considered irritant. As a proof-of-concept of the above findings, in vivo transdermal administration to rats were conducted, which resulted in steady-state levels reached after 10 h and maintained for 48 h. The NLC dispersions displayed a better in vivo performance than hydrogels, which was consistent with the in vitro results. These differences were, however, negligible in the flux values, supporting the use of hydrogel as final, more convenient, formulation. Skin perforation promoted by the microneedles device only slightly increased the permeation rate. This emphasized that the formulation itself determined the main driving force for skin permeation. Overall, these findings highlight the NLC-based formulations as promising for the development of a clinical transdermal system, covering an innovative therapeutic approach.