Enhancing the solubility of ibuprofen using biopolymers-based nanoencapsulation

Abstract

The clinical use of poorly water-soluble drugs has become a big challenge in pharmaceutical development due to the compromised bioavailability of the drugs in vivo. Nanocrystals have been proposed as a formulation strategy to improve the dissolution properties of these drugs. The reduction of the particle size down to the nano-sized range has dramatically changed the physicochemical properties of drugs. Drug nanocrystals show particle sizes varying from 100 nm to 400 nm, and can be produced by top-down, bottom-up or via a combination of these techniques. The core of the nanocrystals consists of pure drug, which is covered by a layer of a suitable surfactant. The benefits of using nanocrystals in drug delivery, when compared to other nanoparticles, are related to their production facility, simple structure, and suitability for a variety of administration routes. The greatest disadvantage of nanocrystals is their inherent instability, due to the risk of crystal growth (a process so-called Ostwald ripening). Thus, the selection of an appropriate stabilizer is crucial to obtain long-term physicochemically stable nanocrystals. High pressure homogenization is the most promising production process, which can employed at low or high temperatures. This technique have advantages, including the possibilities of scaling up, lack of organic solvents and the production of small particles diameter with low polydispersity index, usually below 0.2. The sequential use of high shear homogenization followed by high pressure homogenization, can modulate nanoparticles size for different routes of administration. The present study focuses on the optimization of the production process of two formulations composed with different surfactants, and produced by High Shear Homogenization and High Pressure Homogenization. To build up the surface response charts, a 22 full factorial design experiment, based on 2 independent variables, was used to obtain an optimized formulations. The effects of the production process on the mean particle size, polydispersity index were investigated. The in vitro ibuprofen release from the optimized formulations were determined using Franz diffusion cells. Cell viability was assessed for the formulations and different controls on human epithelial colorectal cells (Caco-2). Evaluation of cell viability was performed by a colorimetric assay, i.e., AlamarBlue® assay. The cell viability assay was performed based on the cell capacity to metabolize resazurin, at predetermined time-intervals, 3, 6 and 24 hours. In both formulations, Caco-2 cells viability was shown to be dependent, both on the drug concentration and time of exposure.

O uso clínico de fármacos pouco solúveis em água é um grande desafio no desenvolvimento farmacêutico, uma vez que a biodisponibilidade in vivo destes fármacos se encontra comprometida. Os nanocristais têm sido usados como estratégia de formulação para melhorar as propriedades de dissolução desta classe de fármacos. A redução do tamanho de partícula para a gama de tamanhos nano modifica drasticamente as propriedades físico-químicas dos fármacos. Os nanocristais apresentam tamanhos de partícula que variam de 100 nm a 400 nm, e podem ser produzidos de cima para baixo (''top-down''), de baixo para cima (''bottom-up'') ou através da combinação destas técnicas. O núcleo interno dos nanocristais é formado por fármaco puro, e de seguida é coberto por uma camada de agente tensioativo adequado. Os benefícios da utilização de nanocristais na cedência de fármacos, estão relacionados com a sua facilidade de produção, estrutura simples e possibilidade de serem utilizados em várias vias de administração quando comparados com outras nanopartículas. A maior desvantagem dos nanocristais é a sua instabilidade inerente, devido ao risco de crescimento de cristais (um processo designado por maturação de Ostwald). Assim, a escolha de um tensioativo adequado é fundamental para obter nanocristais físico-quimicamente estáveis a longo prazo. A homogeneização a alta pressão é o processo de produção mais promissor, uma vez que pode ser utilizado a baixas ou elevadas temperaturas. Esta técnica tem vantagens, incluindo a possibilidade de transposição de escala a nível industrial, o facto de não se utilizarem solventes orgânicos e a possibilidade de produção de partículas de pequeno diâmetro, com baixo índice de polidispersão, geralmente abaixo de 0.2. O uso sequencial da homogeneização de alta velocidade de corte, seguida da homogeneização a alta pressão, pode modular o tamanho dos nanocristais permitindo a sua utilização em diferentes vias de administração. O presente estudo centra-se na optimização do processo de produção de duas formulações compostas por diferentes agentes tensioativos, produzidas por homogeneização de alta velocidade de corte seguida da homogeneização a alta pressão. Para construir os gráficos de superfície de resposta, utilizou-se o desenho factorial 22 completo, baseado em 2 variáveis independentes, conseguindo assim obter formulações optimizadas. Foi investigado o efeito da variação dos constituintes do processo de produção no tamanho de partícula médio e índice de polidispersão. A libertação in vitro do ibuprofeno a partir das formulações optimizadas foi determinada usando células de difusão de Franz. A viabilidade celular foi avaliada para as diferentes formulações e diferentes controlos em células epiteliais colorrectais humanas (Caco-2). A avaliação da viabilidade celular x foi realizada através de um ensaio colorimétrico, isto é ensaio de AlamarBlue®. O ensaio de viabilidade celular foi realizado com base na capacidade das células para metabolizar a resazurina, em intervalos de tempo pré-determinados, 3, 6 e 24 horas. Em ambas as formulações, a viabilidade das células Caco-2 mostrou-se dependente tanto da concentração do fármaco, bem como do tempo de contacto com as células.