Cocrystals, prodrugs, microparticles, cyclodextrins and nasal administration of active pharmaceutical substances: innovative strategies to modulate their oral bioavailability or their action site targeting

Nuove strategie per migliorare la biodisponibilità orale dei farmaci, limitare effetti collaterali o promuovere il direzionamento di agenti terapeutici al loro sito di azione sono state presentate in questa Tesi. I cocristalli sono stati sfruttati per aumentare la velocità di dissoluzione e la permeabilità attraverso la barriera intestinale della nitrofurantoina (NITRO), antibiotico caratterizzato da bassa solubilità acquosa e biodisponibilità orale. NITRO è stata confrontata, in termini di velocità di dissoluzione e permeazione, con i cocristalli contenenti isoniazide, bipiridile o fenantrolina come coformeri e con le miscele fisiche. I profili di dissoluzione della NITRO sono stati valutati via cromatografia liquida ad alta prestazione (HPLC), gli studi di permeazione sono stati eseguiti su un modello in vitro basato su cellule epiteliali di intestino di ratto. Ho contribuito ad effettuare uno studio in vivo per valutare il profilo farmacocinetico, biodisponibilità orale e tendenza a permeare nel sistema nervoso centrale dal sangue di D-limonene, eugenolo e cinnamaldeide, composti naturali derivati da oli essenziali promettenti nella prevenzione e protezione di patologie neurodegenerative. In base ai risultati, l’eugenolo è stato selezionato per studi in vitro su vitalità e rilascio tempo/dose-dipendente della dopamina in cellule PC12 differenziate a fenotipo neuronale, un modello di neuroni dopaminergici. Sono state studiate nanomicelle self-assemblanti costituite da bioconiugati anfifilici di inulina-D-α-tocoferolo succinato caricate con un composto antiossidante (INVITE C), la curcumina, per migliorarne le proprietà biofarmaceutiche e indurne il direzionamento alla retina. Sono stati effettuati esperimenti di trasporto su monostrati polarizzati di cellule di epitelio pigmentato umano, valutandone la resistenza elettrica transepiteliale e il beneficio di INVITE C in condizioni diabetiche simulate. Sono stati progettati e sintetizzati profarmaci dell’acido ferulico (Fer), noto per le attività antiossidanti e antinfiammatorie, potenzialmente utili contro patologie neurodegenerative. È stato sintetizzato un profarmaco di Fer (metil ferulato, Fer-Me). Fer-Me è stato caricato in microparticelle solide lipidiche (SLM) di tristearina o acido stearico come sistema di trasporto e di direzionamento per Fer. Studi farmacocinetici in vitro sono stati condotti via HPLC per valutare se Fer-Me fosse un profarmaco. La capacità delle SLM di controllare il rilascio del profarmaco e la velocità di dissoluzione sono stati osservati attraverso studi di dissoluzione e rilascio dalle SLM, quantificando via HPLC. Inoltre, è stato sintetizzato un coniugato di Fer con se stesso senza l’uso di linkers, metilato sul carbossile (Fer-Fer-Me). Fer-Fer-Me e i suoi potenziali prodotti di idrolisi, ovvero l’omologo non metilato (Fer-Fer-OH), Fer-Me e Fer, sono stati quantificati via HPLC in seguito ad appropriate procedure di estrazione da fluidi fisiologici. Studi farmacocinetici in vitro hanno dimostrato che Fer-Fer-Me è un profarmaco di Fer, ed è stato caricato in SLM di tristearina e acido stearico. I risultati ottenuti dalla caratterizzazione hanno permesso di selezionare le SLM di acido stearico per una somministrazione nasale a ratti, quantificando il profarmaco nel liquido cerebrospinale (CSF) per dimostrare la capacità della formulazione di indurre il direzionamento nel sistema nervoso centrale. È stato studiato un ulteriore approccio relativo alla somministrazione nasale e al direzionamento centrale utilizzando ciclodestrine e geraniolo (GER), un composto naturale derivato dagli oli essenziali che potrebbe esercitare effetti antinfiammatori in patologie neurodegenerative. Sono stati formulati complessi di inclusione con β-ciclodestrina (β-CD) e il suo derivato idrofilico idrossipropil-β-ciclodestrina (HP-β-CD), studiando la biocompatibilità con la mucosa nasale e la biodisponibilità di GER nel CSF nei ratti.

The experimental work presented in this Thesis involves new strategies focused during my Ph.D. activity to improve drug oral bioavailability, avoid side effects or promote the targeting of therapeutic agents to their action site. The co-crystallization strategy was applied to increase the dissolution rate and the permeability across the intestinal barrier of nitrofurantoin (NITRO), an antibiotic characterized by low aqueous solubility and low oral bioavailability. In particular, NITRO dissolution rate and permeability were compared with those of its cocrystals containing isoniazid (ISO), bipyridyl (BIP), or phenanthroline (PHE) as coformers, and their parent mixtures. NITRO dissolution profiles were evaluated via High-Performance Liquid Chromatography (HPLC), whereas permeation studies were performed by using an in vitro model of the small intestine based on rat intestine epithelial cells (IEC-6). The research activity was then focused on D-limonene, eugenol and cinnamaldehyde, natural compounds derived from essential oils promising in the prevention and protection of neurodegenerative diseases. In particular, I contributed to perform a systematic in vivo study to elucidate their pharmacokinetic profile, oral bioavailability, and aptitude to permeate the central nervous system from the bloodstream. Based on obtained data, eugenol was recruited for in vitro studies of viability and time/dose-dependent dopamine release in neuronal differentiated PC12 cells, a recognized cellular model mimicking dopaminergic neurons. The prodrug approach was considered to study self-assemble nanomicelles consisting in amphiphilic inulin-D-α-tocopherol succinate bioconjugates (INVITE) and loaded with an antioxidant compound, curcumin (INVITE C), to enhance curcumin biopharmaceutical properties and induce its targeting to the retina from the bloodstream. Transport experiments on polarized monolayers of human retinal pigment epithelium (HRPE) cells were performed, evaluating the transepithelial electrical resistance of the HRPE monolayer in physiologic and diabetic conditions. The prodrug approach for nasal formulations and brain targeting was then focused on ferulic acid (Fer), known for its antioxidant and anti-inflammatory activities, potentially useful against neurodegenerative diseases. A prodrug of Fer (methyl ferulate, Fer-Me) was synthesised and loaded in tristearin or stearic acid solid lipid microparticles (SLMs) as sustained delivery and targeting systems for Fer. In vitro pharmacokinetic studies were performed via HPLC to evaluate the prodrug behaviour of Fer-Me. The ability of SLMs to control the prodrug release and the dissolution rate were observed via dissolution and release from SLMs studies and quantification via HPLC. The prodrug approach on Fer was further developed and a conjugate of Fer itself methylated on the carboxylic moiety, without the use of linkers, was synthesised (Fer-Fer-Me). Fer-Fer-Me and its potential hydrolysis products, namely the non-methylated homologous (Fer-Fer-OH), Fer-Me and Fer, after appropriate purification of blood samples, were quantified via HPLC. The prodrug behaviour of Fer-Fer-Me was evidenced by in vitro pharmacokinetic studies, then it was loaded in tristearin and stearic acid SLMs. The results obtained by their characterization allowed to select the stearic acid SLMs loaded with Fer-Fer-Me for a nasal administration in rats, quantifying the prodrug in the cerebrospinal fluid of rats (CSF). A further approach related to nasal administration and brain targeting was studied considering the use of cyclodextrins focusing on geraniol (GER), a natural compound derived from essential oils that may exert anti-inflammatory effects in neurodegenerative diseases. Inclusion complexes with β-cyclodextrin (βCD) and its hydrophilic derivative hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HPβCD) were formulated and the biocompatibility with nasal mucosae and drug bioavailability into CSF were studied in rats.