Разработка и исследование мукоадгезивных микрокапсул для интраназальной доставки леводопы

Введение. Микроразмерные частицы представляют большой интерес для применения в различных системах доставки лекарств. Особое место занимает интраназальный способ введения благодаря ряду преимуществ, включая простоту применения, минимальные побочные эффекты и возможность быстрой доставки лекарственных веществ (ЛВ) непосредственно в мозг. Лекарство в составе микрочастиц действует локально, обеспечивая тем самым выход ЛВ в нужном количестве в органе-мишени. ЛВ из носа поступает напрямую в головной мозг через обонятельную область по чувствительным нервам. Разработка микроразмерных частиц, обладающих способностью к мукоадгезии на поверхности носовой слизистой, позволит увеличить биодоступность (БД) лекарств, применяемых в терапии заболеваний и нарушений центральной нервной системы (ЦНС).

Цель. Разработка и исследование микрокапсул, обладающих мукоадгезивными свойствами, для их использования в системе интраназальной доставки леводопы.

Материалы и методы. Микрокапсулы (МК) получали методом ультразвукового электрораспыления на инкапсуляторе B-390 (BUCHI, Швейцария) с последующей фильтрацией под вакуумом, промывкой деионизированной водой и высушиванием лиофильно при –50 °С и 0,05 мБар в течение 48 ч в сушилке FreeZone 1 L (Labconco, США). Изучение структурных особенностей МК проводилось методом оптической микроскопии с применением прямого микроскопа Evident CX33 с цифровой камерой высокого разрешения (Olympus, Япония). Для обработки изображений использовали программное обеспечение ImageView™. Оценку морфологии МК также проводили с применением портативного источника ультрафиолетового света (Jialitte F114, Китай) при помощи цифрового USB-микроскопа (OT-INL40 1000X, Китай). Исследование мукоадгезивных свойств МК, загруженных флуоресцеинатом натрия, проводилось с применением изолированной слизистой носа овцы в инкубаторе SI60 (Stuart, Великобритания) при температуре 37,0 ± 0,5 °С. Получение флуоресцентных изображений осуществлялось с применением системы визуализации высокого разрешения TLC Visualizer 3 (CAMAG®, Швейцария). Программное обеспечение ImageJ 1.53e (ImageJ, США) использовали для обработки полученных макроскопических изображений и построения графиков. Оценка эффективности инкапсуляции, % (ЭИ%), и загрузочной емкости, % (ЕЗ%), МК леводопой проводилась УФ-спектрофотометрически на приборе Evolution™ 220 (Thermo Fisher Scientific, США) при длине волны 202 нм. Высвобождение леводопы из МК выполнялось на приборе «Проточная ячейка» CE 7smart (SOTAX AG, Швейцария), метод IV (Государственная фармакопея РФ XV издания, ГФ РФ XV), при температуре 37 ± 0,5 °С в течение 3 ч в среде искусственной назальной жидкости (ИНЖ). Количество высвобождавшегося ЛВ определялось на УФ-спектрофотометре Evolution™ 220 (Thermo Fisher Scientific, США) при длине волны 202 нм.

Результаты и обсуждение. Разработана методика получения МК, подобраны параметры прибора и оптимальный состав микрочастиц. Было получено 2 типа МК: простые МК на основе альгината натрия и МК, покрытые Eudragit® ЕРО (ЕРО), обладающие мукоадгезивными свойствами. Средний диаметр простых МК составил 0,365 ± 0,018 мм, МК, покрытых ЕРО, – 0,426 ± 0,017 мм. Простые МК смываются с поверхности изолированной слизистой носа овцы через 5 мин после орошения ИНЖ, а МК, покрытые ЕРО, удерживаются в течение 1 ч. ЭИ% МК леводопой выше 90 %. ЕЗ% МК, покрытых ЕРО, больше, чем у простых МК. Выход леводопы в среду ИНЖ из МК, покрытых ЕРО, составил 100 % уже через 30 мин исследования, у простых МК – не более 60 ± 6,1 % через 3 ч.

Заключение. МК, покрытые ЕРО, обладают мукоадгезивными свойствами на поверхности слизистой носа, и их дальнейшее исследование является перспективным с целью применения в системах интраназальной доставки леводопы.

1. Bale S., Khurana A., Reddy A. S. S., Singh M., Godugu C. Overview on Therapeutic Applications of Microparticulate Drug Delivery Systems. Critical Reviews™ in Therapeutic Drug Carrier Systems. 2016;33(4):309–361. DOI: 10.1615/CritRevTherDrugCarrierSyst.2016015798.

2. Galogahi F. M., Zhu Y., An H., Nguyen N.-T. Core-shell microparticles: Generation approaches and applications. Journal of Science: Advanced Materials and Devices. 2020;5(4):417–435. DOI: 10.1016/j.jsamd.2020.09.001.

3. Wang B., Hu L., Siahaan T. J. Drug Delivery to the Lymphatic System. In: Drug Delivery: Principles and Applications. Hoboken: John Wiley and Sons Inc.; 2016. 509 p.

4. Fundueanu G., Constantin M., Esposito E., Cortesi R., Nastruzzi C., Menegatti E. Cellulose acetate butyrate microcapsules containing dextran ion-exchange resins as self-propelled drug release system. Biomaterials. 2005;26(20):4337–4347. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2004.10.036.

5. Jelvehgari M., Siahi-Shadbad M. R., Azarmi S., Martin G. P., Nokhodchi A. The microsponge delivery system of benzoyl peroxide: Preparation, characterization and release studies. International Journal of Pharmaceutics. 2006;308(1–2):124–132. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2005.11.001.

6. Koga C. C., Lee S.-Y., Lee Y. Consumer Acceptance of Bars and Gummies with Unencapsulated and Encapsulated Resveratrol. Journal of Food Science. 2016;81:1222–1229. DOI: 10.1111/1750-3841.13274.

7. Brannigan R. P., Khutoryanskiy V. V. Progress and Current Trends in the Synthesis of Novel Polymers with Enhanced Mucoadhesive Properties. Macromolecular Bioscience. 2019;19(10):1900194. DOI: 10.1002/mabi.201900194.

8. Chowdary K. P. R., Srinivasa Rao Y. Design and in vitro and in vivo evaluation of mucoadhesive microcapsules of glipizide for oral controlled release: A technical note. AAPS PharmSciTech. 2003;4:39. DOI: 10.1208/pt040339.

9. Mansuri S., Kesharwani P., Jain K., Tekade R. K., Jain N. K. Mucoadhesion: A promising approach in drug delivery system. Reactive & Functional Polymers. 2016;100:151–172. DOI: 10.1016/j.reactfunctpolym.2016.01.011.

10. Mahdi M. H., Conway B. R., Smith A. M. Development of mucoadhesive sprayable gellan gum fluid gels. International Journal of Pharmaceutics. 2015;488(1–2):12–19. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2015.04.011.

11. Petri D. F. S. Xanthan gum: A versatile biopolymer for biomedical and technological applications. Journal of Applied Polymer Science. 2015;132(23):42035. DOI: 10.1002/app.42035.

12. Varshosaz J., Ahmadi F., Emami J., Tavakoli N., Minaiyan M., Mahzouni P., Dorkoosh F. Microencapsulation of budesonide with dextran by spray drying technique for colon-targeted delivery: An in vitro/in vivo evaluation in induced colitis in rat. Journal of Microencapsulation. 2011;28(1):62–73. DOI: 10.3109/02652048.2010.529947.

13. Foox M., Zilberman M. Drug delivery from gelatin-based systems. Expert Opinion on Drug Delivery. 2015;12:1547–1563. DOI: 10.1517/17425247.2015.1037272.

14. Inada A., Oue T., Yamashita S., Yamasaki M., Oshima T., Matsuyama H. Development of highly water-dispersible complexes between coenzyme Q10 and protein hydrolysates. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 2019;136:104936. DOI: 10.1016/j.ejps.2019.05.014.

15. Ju Z. Y., Kilara A. Gelation of pH-Aggregated Whey Protein Isolate Solution Induced by Heat, Protease, Calcium Salt, and Acidulant. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1998;8561:1830–1835.

16. Ruan L., Su M., Qin X., Ruan Q., Lang W., Wu M., Chen Y., Lv Q. Progress in the application of sustained-release drug microspheres in tissue engineering. Materials Today Bio. 2022;16:100394. DOI: 10.1016/j.mtbio.2022.100394.

17. Shatabayeva E. O., Kaldybekov D. B., Ulmanova L., Zhaisanbayeva B. A., Mun E. A., Kenessova Z. A., Kudaibergenov S. E., Khutoryanskiy V. V. Enhancing Mucoadhesive Properties of Gelatin through Chemical Modification with Unsaturated Anhydrides. Biomacromolecules. 2024;25(3):1612–1628. DOI: 10.1021/acs.biomac.3c01183.

18. Whelehan M., Marison I. W. Microencapsulation using vibrating technology. Journal of Microencapsulation. 2011;28:669–688. DOI: 10.3109/02652048.2011.586068.

19. Pereswetoff-Morath L. Microspheres as nasal drug delivery systems. Advanced Drug Delivery Reviews. 1998;29(1–2):185–194. DOI: 10.1016/S0169-409X(97)00069-0.

20. Peanparkdee M., Iwamoto S., Yamauchi R. Microencapsulation: A Review of Applications in the Food and Pharmaceutical Industries. Reviews in Agricultural Science. 2016;4:56–65. DOI: 10.7831/ras.4.56.

21. Ramli R.A., Laftah W.A., Hashim S. Core-shell polymers: a review. RSC Advances. 2013;3(36):15543–15565. DOI: 10.1039/C3RA41296B.

22. De Cock L. J., De Koker S., De Geest B. G., Grooten J., Vervaet C., Remon J. P., Sukhorukov G. B., Antipina M. N. Polymeric multilayer capsules in drug delivery. Angewandte Chemie International Edition. 2010;49(39):6954–6973. DOI: 10.1002/anie.200906266.

23. Yang X.-L., Ju X.-J., Mu X.-T., Wang W., Xie R., Liu Z., Chu L.-Y. Core-Shell Chitosan Microcapsules for Programmed Sequential Drug Release. ACS Applied Materials & Interfaces. 2016;8(16):10524–10534. DOI: 10.1021/acsami.6b01277.

24. Wang W., Luo T., Ju X.-J., Xie R., Liu L., Chu L.-Y. Microfluidic preparation of multicompartment microcapsules for isolated co-encapsulation and controlled release of diverse components. International Journal of Nonlinear Sciences and Numerical Simulation. 2021;13(5):325–332. DOI: 10.1515/ijnsns-2012-0402.

25. Beg S., Rahman M., Panda S. K., Alharbi K. S., Alruwaili N. K., Ameeduzzafar, Singh P. K., Thappa M., Singh B. Nasal mucoadhesive microspheres of lercanidipine with improved systemic bioavailability and antihypertensive activity. Journal of Pharmaceutical Innovation. 2021;16(2):237–246. DOI: 10.1007/s12247-020-09441-5.

26. Gavini E., Rassu G., Sanna V., Cossu M., Giunchedi P. Mucoadhesive microspheres for nasal administration of an antiemetic drug, metoclopramide: in-vitro/ex-vivo studies. Journal of Pharmacy and Pharmacology. 2005;57(3):287–294. DOI: 10.1211/0022357055623.

27. Lim S. T., Forbes B., Martin G. P., Brown M. B. In vivo and in vitro characterization of novel microparticulates based on hyaluronan and chitosan hydroglutamate. AAPS PharmSciTech. 2015;2:20. DOI: 10.1007/BF02830560.

28. Varshosaz J., Sadrai H., Alinagari R. Nasal delivery of insulin using chitosan microspheres. Journal of Microencapsulation. 2004;21(7):761–774. DOI: 10.1080/02652040400015403.

29. Jose S., Ansa C. R., Cinu T. A., Chacko A. J., Aleykutty N. A., Ferreira S.V., Souto E.B. Thermo-sensitive gels containing lorazepam microspheres for intranasal brain targeting. International Journal of Pharmaceutics. 2013;441(1–2):516–526. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2012.10.049.

30. Gao Y., Almalki W. H., Afzal O., Panda S. K., Kazmi I., Alrobaian M., Katouah H. A., Altamimi A. S. A., Al-Abbasi F. A., Alshehri S., Soni K., Ibrahim I. A. A., Rahman M., Beg S. Systematic development of lectin conjugated microspheres for nose-to-brain delivery of rivastigmine for the treatment of Alzheimer’s disease. Biomedicine & Pharmacotherapy. 2021;141:111829. DOI: 10.1016/j.biopha.2021.111829.

31. Sun Y., Shi K., Wan F., Cui F.-d. Methotrexate-loaded microspheres for nose to brain delivery: in vitro/in vivo evaluation. Journal of Drug Delivery Science and Technology. 2012;22(2):167–174. DOI: 10.1016/S1773-2247(12)50022-5.

32. Belgamwar V. S., Patel H. S., Joshi A. S., Agrawal A., Surana S. J., Tekade A. R. Design and development of nasal mucoadhesive microspheres containing tramadol HCl for CNS targeting. Drug Delivery. 2011;18(5):353–360. DOI: 10.3109/10717544.2011.557787.

33. Rassu G., Soddu E., Cossu M., Brundu A., Cerri G., Marchetti N., Ferraro L., Regan R.F., Giunchedi P., Gavini E., Dalpiaz A. Solid microparticles based on chitosan or methyl-β-cyclodextrin: a first formulative approach to increase the nose-to-brain transport of deferoxamine mesylate. Journal of Controlled Release. 2015;201:68–77. DOI: 10.1016/j.jconrel.2015.01.025.

34. Dalmoro A., Sitenkov A. Y., Lamberti G., Barba A. A., Moustafine R. I. Ultrasonic atomization and polyelectrolyte complexation to produce gastroresistant shell–core microparticles. Journal of Applied Polymer Science. 2016;133:42976. DOI: 10.1002/app.42976.

35. Kaldybekov D. B., Tonglairoum P., Opanasopit P., Khutoryanskiy V. V. Mucoadhesive maleimide-functionalised liposomes for drug delivery to urinary bladder. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 2018;111:83–90. DOI: 10.1016/j.ejps.2017.09.039.

36. Phuong Ta L., Bujna E., Kun S., Charalampopoulos D., Khutoryanskiy V. V. Electrosprayed mucoadhesive alginate-chitosan microcapsules for gastrointestinal delivery of probiotics. International Journal of Pharmaceutics. 2021;597:120342. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2021.120342.

37. Porfiryeva N. N., Nasibullin S. F., Abdullina S. G., Tukhbatullina I. K., Moustafine R. I., Khutoryanskiy V. V. Acrylated Eudragit® E PO as a novel polymeric excipient with enhanced mucoadhesive properties for application in nasal drug delivery. International Journal of Pharmaceutics. 2019;562:241–248. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2019.03.027.

38. Brannigan R. P., Khutoryanskiy V. V. Synthesis and evaluation of mucoadhesive acryloyl-quaternized PDMAEMA nanogels for ocular drug delivery. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2017;155:538–543. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2017.04.050.

39. Porfiryeva N. N., Semina I. I., Salakhov I. A., Moustafine R. I., Khutoryanskiy V. V. Mucoadhesive and mucus-penetrating interpolyelectrolyte complexes for nose-to-brain drug delivery. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. 2021;37:102432. DOI: 10.1016/j.nano.2021.102432.

40. Contin M., Martinelli P. Pharmacokinetics of levodopa. Journal of Neurology. 2010;257:253–261. DOI: 10.1007/s00415-010-5728-8.

41. Navaratnam P., Arcona S., Friedman H. S., Leoni M., Sasane R. Levodopa treatment patterns in Parkinson’s disease: A retrospective chart review. Clinical Parkinsonism & Related Disorders. 2022;6:100135. DOI: 10.1016/j.prdoa.2022.100135.