Engineering of tailored nanoparticles for oral delivery of therapeuticsdesign, characterization and in vitro-in vivo evaluation

Abstract

En el contexto farmacéutico actual, la dinámica del descubrimiento y desarrollo de fármacos ha cambiado drásticamente respeto a años anteriores. Los objetivos se focalizan cada vez más en la optimización e individualización de los tratamientos para paciente y patología, donde la compresión y control del mecanismo de acción de moléculas con actividad farmacológica junto con la biotecnología y terapia génica cobran un gran protagonismo. En este escenario, resulta cada vez más evidente que la investigación y desarrollo de moléculas activas aisladas no es suficiente para proporcionar mejoras en las terapias, pues datos experimentalmente prometedores no necesariamente derivan en resultados positivos in vivo. Estas divergencias pueden deberse a diversas razones de índole físico-química y biológica, que frecuentemente se traducen en baja absorción y/o solubilidad con consecuentes fluctuaciones en valores de biodisponibilidad, rápido metabolismo y corta duración de efecto farmacológico, o efectos adversos derivados de una falta de control en los niveles plasmáticos y la presencia de los compuestos en localizaciones no deseadas del organismos, por mencionar algunas. Ante este reto del panorama farmacéutico actual, la nanotecnología se aúna para posibilitar el traslado del potencial terapéutico de activos hacia la instauración de terapias válidas, eficaces y seguras. Gracias al desarrollo de sistemas de administración nanparticulares, el perfil de los efectos farmacológicos de los activos pasa de estar determinado por las características moleculares del compuesto a ser controlado por las propiedades del sistema transportador. Dichas propiedades se materializan principalmente en el tamaño, composición y diseño molecular del sistema las cuáles, gracias al desarrollo exponencial de la nanotecnología en los últimos años, pueden ser controladas de forma exhaustiva. Este complejo diseño de los sistemas permite no sólo paliar las características no deseadas de los activos, sino que también provee control de la liberación de los mismos en tiempo y lugar específicos del organismo, de forma que pueda ser diseñado para promover interacciones moleculares específicas en el medio. En el grupo CTS480 de la Universidad de Sevilla se viene trabajando desde hace algunos años en el diseño, producción y desarrollo de sistemas micro y nanoparticulares como plataforma para aplicar la nanotecnología a activos de interés de diversa índole, en función de sus características físico-químicas y el comportamiento que se desea obtener in vivo. En este grupo, y por medio de la colaboración con equipos de investigación de diversas áreas, ha sido posible desarrollar este Tesis Doctoral, la cuál está enfocada hacia el diseño y la evaluación de nanosistemas específica y racionalmente pensados para la administración oral de diferentes moléculas con objetivos terapéuticos concretos. Esta Tesis Doctoral se encuentra organizada en tres capítulos independientes en cada uno de los cuáles se abordan nanosistemas de diferente composición y enfocadas a diferentes objetivos finales. Cada capítulo se organiza a su vez en secciones, cada una de las cuáles contiene el material correspondiente a un artículo de investigación. Se estructuran siguiendo el esquema Introducción (y Objetivos), Materiales y Métodos, Resultados y Discusión, Conclusiones. En el primer capítulo se presenta el trabajo desarrollado con partículas lipídicas, seleccionadas por su excelente tolerabilidad, alta tasa de encapsulación de compuestos lipofílicos y diversidad y adaptabilidad de métodos de elaboración. En una primera sección se expone el estudio estadístico de la producción de partículas por homogeneización a alta presión, método ampliamente considerado como el más adecuado para la producción a escala industrial. Se presentan ecuaciones matemáticas para la compresión y predicción de la influencia de parámetros en el tamaño y características finales de las partículas, destinadas a un uso eminentemente práctico. En una segunda sección se propone la elaboración mediante emulsificación-evaporación de disolvente de partículas cargadas con 1-naftalenil-[4-(pentiloxi)-1-naftalenil]-metanona (CB13), un cannabinoide sintético de alto potencial terapéutico que sin embargo presenta un inadecuado perfil para su administración oral como fármaco aislado. Finalmente en una tercera sección, se presenta un estudio comparativo entre nanopartículas lipídicas y nanopartículas poliméricas de ácido poli(láctico-co-glicólico) (PLGA), siendo ambos tipos de nanosistemas ampliamente reconocidos por su potencial en la liberación por vía oral. Asimismo, el recubrimiento con quitosano y polietilenglicol, modificadores de superficie para la mejora de la mucoadhesión y la evasión del sistema de fagocítico respectivamente, son también analizados de forma comparativa como recubrimiento para cada uno de los dos tipos de partículas. En el segundo capítulo se aborda en mayor profundidad el estudio de partículas de PLGA y su modificación de superficie, como nanosistemas alternativos para la administración oral de CB13. La selección e este tipo de partículas en este apartado es debida principalmente a las características altamente favorables del polímero para el control de la liberación y la modificación de superficie de las partículas, unidas al amplio conocimiento y estudio documentado en la literatura de este tipo de sistemas. En una primera sección se discuten los diferentes agentes de modificación de superficie actualmente más empleados para la mejora en la administración oral de estas nanopartículas, con especial hincapié en los métodos de producción y el mecanismo molecular ejercido por cada molécula. En una segunda sección se lleva a cabo la modificación de superficie de las partículas mediante una selección de las moléculas comentadas en la sección anterior. Los sistemas generados son evaluados en función de sus características físico-químicas, interacción celular, mucoadhesión ex vivo y biodistribución in vivo. Finalmente, en el tercer capítulo se aborda el diseño y producción de nanohidrogeles de ácido metacrílico (MAA) copolimerizado con 2-hidroxietil metacrilato (HEMA) (P(HEMA-co-MAA)) diseñados desde sus fases iniciales de síntesis hasta la modificación final de superficie con manano como sistema de administración oral de vacunas. Estos nanosistemas destacan por su alta capacidad para controlar la liberación de péptidos y proteínas en localizaciones específicas del tracto gastrointestinal, así como por la interacción específica de los mismos con dianas biológicas derivada de la modificación química de superficie.