NEM SZTEROID GYULLADÁSCSÖKKENTŐ GYÓGYSZEREK (NSAIDS) SZÁLLÍTÁSÁRA ALKALMAS NANORENDSZEREK FIZIKAI-KÉMIAI KARAKTERIZÁLÁSA

Átírás

1 Egészségtudományi Közlemények, 2. kötet, 1. szám (2012), pp NEM SZTEROID GYULLADÁSCSÖKKENTŐ GYÓGYSZEREK (NSAIDS) SZÁLLÍTÁSÁRA ALKALMAS NANORENDSZEREK FIZIKAI-KÉMIAI KARAKTERIZÁLÁSA DR. EMMER JÁNOS 1, DR. LOVRITY ZITA 1, DOJCSÁKNÉ KISS-TÓTH ÉVA 1, JUHÁSZNÉ SZALAI ADRIENN 1, KOSKA PÉTER 1, DR. FODOR BERTALAN 1 Összefoglalás: A széles körben, terápiás célra használt nem szteroid gyulladáscsökkentő gyógyszerek (NSAIDs) mellékhatásai mérsékelhetők nanoméretű gyógyszerhordozókkal. Az összefoglalónk célja, hogy rövid áttekintést adjunk a NSAIDs-tartalmú hagyományos és nem konvencionális gyógyszerformákról, a gyógyszerhordozó nanorendszerek alkalmazásáról és karakterizálásáról. Ismertetjük a karakterizálásra alkalmas fizikai-kémiai sajátságokat és vizsgálati módszereket. A vizsgálati módszerek elvének bemutatása után a nemzetközi szakirodalom és saját méréseink alapján példákat hozunk a konkrét alkalmazásokra. Kulcsszavak: karakterizálás, NSAIDs, nanorendszerek, gyógyszerhordozók Bevezetés A nem szteroid gyulladáscsökkentő gyógyszereket (NSAIDs) széles körben használják a humán- és állatgyógyászatban. A nem szteroid gyulladáscsökkentő vegyületeket elsősorban fájdalom- és lázcsillapításra használják, valamint reumás megbetegedések kezelésében alkalmazott hatóanyagok, hatásukat a ciklooxigenáz enzimek (COX-1 és COX-2) aktivitásainak csökkentésével érik el. A hatóanyagokat orális gyógyszerkészítményekben és helyi kezelésre szánt készítményekben használják fel. A vegyületcsoport egyik káros mellékhatása, hogy tartós alkalmazásuk a gyomornyálkahártyát jelentős mértékben károsíthatja, ráadásul a savas jelleg helyi irritációt okozhat. Ezek a hatások csökkenthetők, ha a nem szteroid gyulladáscsökkentő készítményeket bevonattal látják el. Egy másik megoldás lehet nanoméretű gyógyszerhordozók előállítása, amelyekben a hatóanyagot nanorészecskékhez kötik vagy nanokapszulákba zárják. A nanorészecskék eltérő hatásai elsősorban a szemcsemérettel magyarázhatóak. A fajlagos felszín növekedésével megváltozik többek között az oldhatóság, valamint a felületi sajátságok, amelyek eltérő biológiai hatást okozhatnak. Nagyon fontos, hogy a gyógyszerhordozók fizikai-kémiai jellemzőit ismerjük, mert ezek jelentősen befolyásolhatják a farmakológiai hatást. Gyógyszerformák A nem szteroid gyulladáscsökkentő anyagokat hagyományos gyógyszerformákban (tabletta, kúp, oldat), illetve a dermatológiai készítményeknél gél-, krém- és kenőcsformákban alkalmazzák. 1 Miskolci Egyetem, Egészségügyi Kar, Nanobiotechnológiai és Regeneratív Medicina Tanszék

2 26 Emmer Lovrity Dojcsákné Kiss-Tóth Juhászné Szalai Koska Fodor A bőrbe és bőrön át történő bejuttatásnál nagyon fontosak a gyógyszerek fizikai-kémiai tulajdonságai [1]. Az ideális tulajdonságok a következők: oldhatóság vízben (> 1 mg/ml), lipofilicitás (log P = 1 3), kis molekulatömeg (< 500 Da) és alacsony olvadáspont (< 200 C). A nem szteroid gyulladáscsökkentő anyagok molekulatömege kisebb, mint 400 Da. A log P értékük, ami a lipofil jelleget mutatja, 2,0 és 3,8 között változik, más szóval közepesen lipofil tulajdonságúak. Az olvadáspontjuk kisebb, mint 200 C. A fizikai-kémiai tulajdonságok alapján ezek a molekulák ideálisak a bőrbe való bejuttatáshoz. Az újabb NSAIDs gyógyszerhordozók képesek a bőrön áthatolni. Ilyen hordozók a folyadékkristályok, a mikro- és nanoemulziók, a liposzómák, a szilárd lipid részecskék és a tapaszok. A kolloid gyógyszerhordozók, mint például a micelláris oldatok, üreges gömb és folyadékkristály diszperziók, valamint a nanorészecske diszperziók, nm átmérőjű kis részecskékből állnak [2]. Vizsgálati módszerek gyógyszerhordozók fizikai-kémiai jellemzésére A gyógyszerhordozók fejlesztésnél a termék vizsgálatához és jellemzéséhez nélkülözhetetlenek a megfelelő fizikai-kémiai módszerek [2]. Részecskeméret meghatározása A részecskeméret egy igen fontos paraméter a folyamatellenőrzésben és különösen a minőségbiztosításban, mert a hordozó diszperziók fizikai stabilitása függ azok részecskeméretétől és méreteloszlásától. A készítmények részecskeméretének meghatározására általában dinamikus fényszórással (DLS) vagy fotonkorrelációs spektroszkópiával (PCS) történik. A dinamikus fényszórás méréshez a hordozókat folyadékban kell szuszpendálni. A szórt fény intenzitásának időbeni fluktuációját elemzik, ami abból adódik, hogy a fényt szóró részecskék Brown-mozgást végeznek, ezért a szórócentrum helyzete és orientációja folytonosan változik. Minél kisebb a részecske, annál gyorsabb a mozgása. Az így meghatározott méret az ún. hidrodinamikai átmérő, ami nem azonos a geometriai mérettel. Zéta-potenciál mérése A zéta-potenciál a részecskék felületi töltésének mértéke. Ez két okból is érdekes. Egyrészt a töltés hatással van a részecske stabilitására, másrészt a gyógyszerhordozók farmakológiai viselkedésére. Vizes oldatban az elektromos töltéssel rendelkező diszpergált részecskéket egy ellentétes töltésű diffúz ionréteg veszi körül, amelynek egy része erősen kötött (ún. Stern-réteg), majd könnyebben megbontható réteg következik. A két réteget elválasztó határvonalon mérhető potenciál az ún. zéta-potenciál. Ha a zéta-potenciál értéke nulla, akkor a rendszerek stabilitása lecsökken, a részecskék könnyen összetapadhatnak, koagulátumok, aggregátumok alakulhatnak ki. Ha a zéta-potenciál értéke pozitív vagy negatív irányban messzebb van az izoelektromos ponttól, tapasztalatok alapján az érték nagyobb, mint +30 mv vagy kisebb, mint 30 mv, a kolloid rendszer stabil, a részecskék taszítják egymást, összetapadásuk valószínűsége lecsökken. A zéta-potenciál értékét befolyásolja a ph, a közeg vezetőképessége, az oldott ionok minősége és mennyisége. Mikroszkópos mérések A készítmények részecskeméretének meghatározása a közvetlen megjelenítés pásztázó (SEM) vagy transzmissziós (TEM) elektronmikroszkóppal lehetséges. Az elektronmikro-

3 Nem szteroid gyulladáscsökkentő gyógyszerek (NSAIDs) szállítására alkalmas nanorendszerek szkópos méretmeghatározás nem alkalmas folyamatok követésére és minőségellenőrzésre, mert a minta-előkészítés hosszadalmas, a vizsgált részecskék száma kicsi, ezért a minta nem reprezentatív. Az atomerő mikroszkópia (AFM) jól alkalmazható liposzómák morfológiai vizsgálatára, mert nem igényel minta-előkészítést és nincs szükség különleges atmoszférára. A technika lényege, hogy egy vékony, könnyen hajló konzolra szerelt, kis görbületi sugarú tűvel letapogatják a mintát. Amikor a tű hegye, amely egyetlen atomból áll, közel kerül a minta felszínéhez, megváltozik annak helyzete a fellépő erőhatások miatt. Az elhajlás detektálását lézerrel és fotodiódákkal végzik, és egy visszacsatoló mechanizmus ennek megfelelően igazítja a tű minta feletti magasságát. A finom mozgásokat piezokristályok segítségével lehet előállítani. A végeredmény egy nagyfelbontású, háromdimenziós profil a vizsgált felszínről. Szerkezetvizsgálat röntgendiffrakciós (XRD) módszerrel A röntgendiffraktometria a kristályos anyagok fázisainak megállapítására alkalmas módszer. A gyógyszerhordozók mikroszerkezetének vizsgálatára a röntgenszórást használhatjuk. Ha a vizsgált mintában az atomok szabályos elrendeződésűek, és az ismétlődő egységek távolsága azonos nagyságrendben van a hullámhosszal, azt észleljük, hogy a beeső sugár elhajlást (diffrakciót) szenved. Az ismétlődő egységek távolsága (d) a Braggegyenlettel számolható. d n / 2sin, ahol λ a röntgensugár hullámhossza, n a reflexió rendje, θ a kristálysíkok és a beesési sugár által bezárt szög. Differenciál pásztázó kalorimetria (DSC) A differenciál pásztázó kalorimetriát használják általában az átalakulási hőmérséklet meghatározására. A fázisátalakulást a szabadenergia megváltozása kíséri, ami a rendszer entalpiájának vagy entrópiájának változásából következik. Az entalpiaváltozás endoterm vagy exoterm jelet eredményez attól függően, hogy a fázisátalakulás energiafelvétellel vagy -leadással jár. A minták jellemző DSC-görbéjén megjelenő exoterm és endoterm csúcsok száma, megjelenési hőmérsékletük, valamint a csúcsok alatti terület az adott anyagra jellemző értékek. NSAID gyógyszerhordozó nanorendszerek alkalmazása és karakterizálása Liversidge és munkatársai [3] a naproxen szemcseméretét őrléssel µm-ről 270 nm-re csökkentették, és az elkészített szuszpenziót Pluronic F-68 tenziddel stabilizálták. A patkánykísérleteknél azt tapasztalták, hogy az orális adagolásnál a felszívódási arány közel négyszeresére növekedett, ugyanakkor csak hasonló irritációt váltott ki, mint az intravénás bevitel. A részecskeméret meghatározását fotonkorrelációs spektroszkópiával (PCS) végezték. Az átlagos szemcseméret 270 nm-nek adódott, és nem volt 400 nm fölötti részecske. A plazma naproxen koncentrációját nagyhatékonyságú folyadékkromatográfiás (HPLC) módszerrel mérték UV-detektálással, 240 nm hullámhosszon, indomethacin belső standard mellett. Roullin és munkatársai [4] olyan biokompatibilis, polimer alapú, NSAIDs töltésű nanorészecskéket állítottak elő, amelyek alkalmasak lehetnek protézisek felületének bevonására. Az előállított részecskék átlagos hidrodinamikai átmérőjének és polidiszperzitási indexének meghatározására dinamikus fényszórást (DLS) használtak. A hidrodinamikai

4 28 Emmer Lovrity Dojcsákné Kiss-Tóth Juhászné Szalai Koska Fodor átmérőjének alapján a készítmény használható lehet terápiás célra, mivel az átlagos érték 200 nm, és a polidiszperzitási index kisebb, mint 0,12, ami monodiszperz részecskeeloszlást jelent. A morfológiai vizsgálatokat transzmissziós (TEM) elektronmikroszkóppal és atomerő mikroszkóppal (AFM) végezték. A felvételek az 1. ábrán láthatók. 1. ábra. Mikroszkópos képek [4] szerint: (a) TEM-felvétel a nanorészecskékről, (b) AFM felszíni topográfia ugyanarról a mintáról, (c) izolált nanorészecske AFM-képe. A bezárási hatékonyság és a gyógyszerkibocsátás meghatározásához a NSAID koncentrációját nagyhatékonyságú folyadékkromatográfiás (HPLC) módszerrel mérték UVdetektálással, az indomethacint 225 nm, az ibuprofent 222 nm hullámhosszon. Néhány gyógyszerhatóanyag képes kialakítani mezofázisokat oldószerrel (liotrop folyadékkristály) vagy egymagában (termotropikus folyadékkristály). A terápiás célra gyakran használt NSAID-vegyületcsoport két legismertebb képviselője az aril-ecetsav származék diclofenac és az aril-propionsav származék ibuprofen. Mindkét vegyület savas jellegű, oldódás közben disszociálnak és amfifil tulajdonságú sókat képezhetnek. Ezek az amfifil szerves savak a jelenlevő ellenionokkal együtt kialakíthatnak liotrop mezofázisokat a vízzel szoba- vagy testhőmérsékleten. Példaként említhető a diclofenac-dietilamin vagy az ibuprofen-lizinát. Ráadásul néhány NSAID-anhidrát termotropikus mezomorfizmust mutat a kristályos sójának termikus dehidratációja után, például a fenoprofen-kalcium [2]. Az NSAID-tartalmú folyadékkritályokat gélekben használják fel dermatológiai készítményeknél. A kialakult szerkezeteket transzmissziós (TEM) elektronmikroszkóppal vizsgálták. Puglia és munkatársai [5], valamint Bhaskar és munkatársai [6] NSAID töltésű lipid nanorészecskéket állítottak elő bőrbe, illetve bőrön át történő bejuttatáshoz. Az előbbi esetben a hatóanyag ketoprofen és naproxen, míg az utóbbi esetben flurbiprofen volt. A kapott termékeket [5] fotonkorrelációs spektroszkópiával (PCS) és differenciál pásztázó kalorimetriával (DSC) karakterizálták. A flurbiprofen koncentrációját nagyhatékonyságú folyadékkromatográfiás (HPLC) módszerrel határozták meg UV-detektálással, 245 nm-en [6]. Ketoprofen tartalmú nanorészecskéket állított elő Eerikäinen munkatársaival [7], különböző akril polimerek felhasználásával. Vizsgálták a kapott termékek méreteloszlását, morfológiáját, termikus tulajdonságait és a gyógyszerkibocsátást. Pignatello és munkatársai [8] flurbiprofennel töltött akrilát nanoszuszpenziót állítottak elő szemészeti felhasználásra. A kapott nanorészecskék átlagos mérete 100 nm körül volt,

5 Nem szteroid gyulladáscsökkentő gyógyszerek (NSAIDs) szállítására alkalmas nanorendszerek és a zéta-potenciál +40 és +60 mv között változott. Az előállított nanoszuszpenziós rendszer infravörös spektroszkópiás (IR) és röntgendiffrakciós (XRD) vizsgálata azt mutatta, hogy a gyógyszer mikrokristályos formában diszpergálódott a polimer mátrixban, polimorf változás vagy amorf átalakulás nélkül. Gonzalez-Mira munkatársaival [9] ugyancsak szemészeti kezelésre alkalmas flurbiprofennel töltött nanostrukturált lipid hordozót (NLC) tervezett és állított elő. Az optimalizált eljárással kapott termék átlagos átmérője 288 nm, a polidiszperziós index 0,245 és a zéta-potenciál 29 mv értéket mutatott. A tiszta gyógyszert és a töltött nanorészecskéket differenciál pásztázó kalorimetriával (DSC) is vizsgálták. A liposzómák jelenleg a legelterjedtebben használt, nanotechnológiával előállított gyógyszerhordozók. A liposzóma egy foszfolipid kettős membránnal burkolt üreges gömb, amely magába zárja a zsír- vagy vízoldható gyógyszerhatóanyagot. Begum és munkatársai [10] flurbiprofent csomagoltak különböző összetételű liposzómákba. A kapott termékeket a fizikai-kémiai tulajdonságaikkal karakterizálták. Ezek a következők voltak: méret, méreteloszlás, bezárási százalék, stabilitás (gyógyszerszivárgás és visszatartás). Az optimalizált eljárással kapott termék átlagos átmérője 5 µm volt. Kumar és munkatársai [11] kétféle módszerrel (etanol injekciós és rotációs elpárologtatásos technika) állítottak elő nimesulid szállító liposzómális rendszert. A két technikával kapott termékek átlagos mérete nm, illetve 1 12 µm volt, míg a zéta-potenciálra 21,23 mv és 26,78 mv értéket mértek. Elron-Gross és munkatársai [12] liposzómába zártak dexamethason-diclofenac kombinációkat. A tanszék kutatólaboratóriumában különböző összetételű liposzómákat mint lehetséges gyógyszerhordozókat vizsgáltunk. Mértük a méreteloszlást és a zéta-potenciált. A vizsgált részecskék átlagos hidrodinamikai átmérőjének és polidiszperzitási indexének meghatározására dinamikus fényszórást (DLS) használtunk. A hidrodinamikai átmérő alapján a készítmény használható lehet gyógyszerhordozásra, mivel az átlagos érték 83,95 ± 0,32 nm és a polidiszperzitási index 0,086 ± 0,008, ami közel monodiszperz méreteloszlást jelent. A méreteloszlás a 2. ábrán látható. A mért zéta-potenciál értéke 10,40 ± 1,33 mv. Size Distribution by Intensity 20 Intensity (%) Size (d.nm) Record 50: LipC1 1 Record 51: LipC1 1 Record 52: LipC ábra. Liposzóma méreteloszlása DLS-módszerrel mérve, Malvern Zetasizer Nano-ZS készüléken Yiyun és Tongwen [13] a dendrimereket vizsgálták mint lehetséges gyógyszerhordozókat. Mérték néhány NSAID (ketoprofen, ibuprofen, diflunisal és naproxen) vízoldhatóságát

6 30 Emmer Lovrity Dojcsákné Kiss-Tóth Juhászné Szalai Koska Fodor poliamidoamin (PAMAM) dendrimerek jelenlétében 37 C-on. Az oldhatóság a következő rend szerint növekedett: naproxen > ketoprofen > ibuprofen > diflunisal. Következtetések A terápiás célra gyakran használt nem szteroid gyulladáscsökkentő vegyületcsoportnál a hagyományos gyógyszerformákat alkalmazva gyakran lépnek fel mellékhatások. A mellékhatásokat igyekeznek csökkenteni nem konvencionális készítmények előállításával, amelyek lehetnek a nanotechnológia hasznosításán alapuló megoldások. A hagyományostól eltérő módon megváltoztatható így a hatóanyag felszabadulás helye és sebessége. Nagyon fontos, hogy a nanoméretű gyógyszerhordozók fizikai-kémiai jellemzőit ismerjük, és azokat optimalizálni tudjuk a felhasználás sajátos igényeinek megfelelően. Ha a jellemzőket megbízható módszerekkel mérjük a gyártásközi ellenőrzés során, akkor megteremthetjük a biológiailag hatásos készítmények előállításának lehetőségét. Köszönetnyilvánítás Jelen munka a TÁMOP B-10/2/KONV jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió résztámogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. Irodalomjegyzék [1] Okyar, A., Özsoy Y. and Güngör S.: Novel Formulation Approaches for Dermal and Transdermal Delivery of Non-Steroidal Anti-Inflammatory Drugs. Rheumatoid Arthritis - Treatment, 2012, Andrew B. Lemmey (Ed.), InTech, Available from: dermal-and-transdermal-delivery-of-non-steroidal-anti-inflammatory- [2] Müller-Goymann, C. C.: Physicochemical characterization of colloidal drug delivery systems such as reverse micelles, vesicles, liquid crystals and nanoparticles for topical administration. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 2004, 58, p. [3] Liversidge, G. G., Conzentino, P.: Drug particle size reduction for decreasing gastric irritancy and enhancing absorption of naproxen in rats. International Journal of Pharmaceutics, 1995, 125, p. [4] Roullin, V. G., Callewaert, M., Molinari, M. et al.: Optimised NSAIDs-loaded Biocompatible Nanoparticles. Nano-Micro Lett., 2010, 2, p. [5] Puglia, C., Blasi, P., Rizza, L. et al.: Lipid nanoparticles for prolonged topical delivery: An in vitro and in vivo investigation. International Journal of Pharmaceutics, 2008, 357, p. [6] Bhaskar, K., Anbu, J., Ravichandiran, V. et al.: Lipid nanoparticles for transdermal delivery of flurbiprofen: formulation, in vitro, ex vivo and in vivo studies. Lipids in Health and Disease 2009, 8:6. This article is available from:

7 Nem szteroid gyulladáscsökkentő gyógyszerek (NSAIDs) szállítására alkalmas nanorendszerek [7] Eerikäinen, H., Peltonen, L., Raula, J. et al.: Nanoparticles Containing Ketoprofen and Acrylic Polymers Prepared by an Aerosol Flow Reactor Method. AAPS PharmSciTech 2004; 5 (4) Article 68 ( [8] Pignatello, R., Bucolo, C., Spedalieri G. et al.: Flurbiprofen-loaded acrylate polymer nanosuspensions for ophthalmic application. Biomaterials, 2002, 23, p. [9] Gonzalez-Mira, E., Egeaa, M. A., Garcia, M. L. et al.: Design and ocular tolerance of flurbiprofen loaded ultrasound-engineered NLC. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2010, 81, p. [10] Begum, M. Y., Abbulu, K., Sudhakar, M.: Design and Evaluation of Flurbiprofen Liposomes. Journal of Pharmacy Research, 2011, 4(3), p. [11] Kumar, A., Badde, S., Kamble, R. et al.: Development and Characterization of Liposomal Drug Delivery System for Nimesulide. International Journal of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, 2010, Vol. 2, Suppl. 4, p. [12] Elron-Gross, I., Glucksam, Y., Margalit, R.: Liposomal dexamethasone diclofenac combinations for local osteoarthritis treatment. International Journal of Pharmaceutics, 2009, 376, p. [13] Yiyun C., Tongwen, X.: Dendrimers as Potential Drug Carriers. Part I. Solubilization of Non-Steroidal Anti-Inflammatory Drugs in the Presence of Polyamidoamine Dendrimers. European Journal of Medicinal Chemistry, 2005, 40, p.

8