SNEDDS rewolucjonizuje miejscowe leczenie stanów zapalnych oka

Czy SNEDDS rewolucjonizuje miejscowe leczenie stanów zapalnych oka?

Flurbiprofen w systemie samonanoemulsyjnym (SNEDDS) wykazuje zwiększoną skuteczność w miejscowym leczeniu stanów zapalnych oka. Badacze opracowali i zoptymalizowali formulację z zastosowaniem podejścia Quality by Design (QbD), co pozwoliło na uzyskanie preparatu o znacząco lepszych właściwościach przenikania przez rogówkę w porównaniu do standardowych dyspersji leku.

Uwea odgrywa kluczową rolę w prawidłowym funkcjonowaniu narządu wzroku, dostarczając naczynia krwionośne odżywiające różne części oka. Stany zapalne pooperacyjne, charakteryzujące się silnym zapaleniem błony naczyniowej, mogą prowadzić do poważnych zaburzeń widzenia. Flurbiprofen, miejscowo aplikowany niesteroidowy lek przeciwzapalny, jest powszechnie stosowany w leczeniu takich stanów jak obrzęk plamki żółtej (CME) czy zapalenie błony naczyniowej po operacji zaćmy. Lek ten pomaga również skrócić czas trwania zabiegów okulistycznych poprzez hamowanie uwalniania mediatorów zapalnych w przednim odcinku oka.

Istotnym wyzwaniem w terapii chorób oczu jest ograniczona absorpcja miejscowo aplikowanych leków, głównie z powodu nieprzepuszczalnej rogówki. Chociaż słabo rozpuszczalne w wodzie leki, podawane w formie kropli do oczu, mają przewagę w przenikaniu przez lipofilową rogówkę, ich ograniczona rozpuszczalność w środowisku wodnym znacząco obniża biodostępność i potencjał terapeutyczny.

Systemy samonanoemulsyjne (SNEDDS) zawierające jednolite stężenia oleju, surfaktantów i ko-surfaktantów zostały zastosowane w celu zwiększenia rozpuszczalności słabo rozpuszczalnych w wodzie leków poprzez tworzenie nanoemulsji typu olej w wodzie po rozcieńczeniu. SNEDDS reprezentuje nowatorskie podejście, które zasługuje na większą uwagę w dziedzinie okulistyki jako zaawansowany generator nanoemulsji in situ. System ten może spontanicznie ulegać procesowi drobnej emulsyfikacji w środowiskach wodnych, takich jak przewód pokarmowy, nawet przy łagodnym mieszaniu, tworząc nanoemulsję o rozmiarze cząstek zazwyczaj poniżej 200 nm. Mały rozmiar cząstek zwiększa powierzchnię międzyfazową dla absorpcji leku, co poprawia jego przenikanie.

Jak optymalizowano formulację SNEDDS dla flurbiprofenu?

Flurbiprofen, słabo rozpuszczalny w wodzie lek przeciwzapalny z grupą funkcyjną karboksylową i wartością pKa wynoszącą 4,23, należy do klasy II Biofarmaceutycznego Systemu Klasyfikacji (BCS) i charakteryzuje się słabą rozpuszczalnością w wodzie. Celem badania było opracowanie optymalnej okulistycznej formulacji SNEDDS zawierającej flurbiprofen o małym rozmiarze cząstek, niskim współczynniku polidyspersji (PDI) i wysokiej przezroczystości przy użyciu podejścia Quality by Design (QbD).

Poziomy oleju, surfaktantu i ko-surfaktantu ustalono przy użyciu pseudo-ternarnego diagramu fazowego, a końcową formulację zoptymalizowano za pomocą projektu powierzchni odpowiedzi Box-Behnken. SNEDDS nie powodują podrażnienia oczu, a flurbiprofen, Kollisolv MCT 70, Solutol HS 15 i Labrafil M1944 CS używane w FLU-SNE są bezpieczne dla organizmu, nie powodują podrażnień i wykazują niską toksyczność.

Zoptymalizowaną formulację poddano charakterystyce, w tym określono rozmiar cząstek, PDI, potencjał zeta, przezroczystość, pH, cykl ogrzewania-chłodzenia, analizę transmisyjną mikroskopią elektronową (TEM) oraz analizy z użyciem komory dyfuzyjnej Franza. Przepuszczalność membranową FLU-SNE i dyspersji leku potwierdzono poprzez eksperymenty in vitro z użyciem membran celulozowych oraz eksperymenty ex vivo z użyciem rogówek bydlęcych.

W badaniu wykorzystano flurbiprofen dostarczony przez Hanmi Pharmaceutical (Seul, Korea Południowa) oraz szereg innych materiałów, w tym roztwór buforu fosforanowego (PBS) o pH 7,4, różne oleje (MCT, lniany, oliwny, rycynowy i inne), glicerol, olej mineralny i polisorbat 80. Dodatkowo użyto glikolu propylenowego dikaprylanu/dikapronianu, makrogologlicerydów oleoilowych, polioksylo-6 glicerydów oleoilowych i monokaprylanu glikolu propylenowego. Do badań wykorzystano również polioksyl 15 hydroksystearynian, polioksyetylowany olej rycynowy, bursztynian D-α-tokoferolu glikolu polietylenowego 1000, polioksyl 40 uwodorniony olej rycynowy oraz różne poloksamery.

Analiza HPLC próbek flurbiprofenu została przeprowadzona przy użyciu systemu Agilent 1260 Infinity HPLC wyposażonego w detektor UV-Vis. Flurbiprofen rozdzielono przy użyciu kolumny z odwróconą fazą, a fazę ruchomą stanowił roztwór zawierający fazę ruchomą A (0,05 M roztwór jednozasadowego fosforanu potasu) i fazę ruchomą B (acetonitryl) w stosunku 60:40 (v/v). Analizę HPLC przeprowadzono przy przepływie 1,0 ml/min, objętości nastrzyku 10 μl i detekcji UV monitorowanej przy 222 nm.

Wyniki badań rozpuszczalności wykazały, że flurbiprofen miał najwyższą rozpuszczalność w Kollisolv MCT 70 (8886,3 ± 281,1 μg/ml). Jako surfaktant wybrano Solutol HS 15 (9558,7 ± 125,5 μg/ml), który miał najwyższą rozpuszczalność wśród surfaktantów o wartościach HLB powyżej 10, natomiast jako ko-surfaktant zastosowano Labrafil M1944CS (39,4 ± 9,6 μg/ml) o dobrej mieszalności wśród surfaktantów o wartościach HLB poniżej 10.

Jakie właściwości wyróżniają FLU-SNE w testach fizykochemicznych i dyfuzyjnych?

Na podstawie wyników testów rozpuszczalności zidentyfikowano obszary samotemulsyfikujące w warunkach mieszania przy użyciu pseudo-ternarnego diagramu fazowego. Do badanej formulacji SNEDDS dodano 24,2 mg flurbiprofenu, co odpowiada dostępnemu komercyjnie roztworowi B&L Flurbiprofen Sodium Ophthalmic solution 0,03%®. Mieszaninę następnie mieszano w celu weryfikacji rozpuszczenia. Nanoemulsję uznawano za nieudaną, jeśli obserwowano mętną mieszaninę lub brak postępu emulsyfikacji.

Optymalizacja formulacji FLU-SNE z wykorzystaniem Box-Behnken Design (BBD) jako metody DoE (Design of Experiments) pozwoliła na zrozumienie wpływu zmiennych niezależnych na zmienne zależne, takie jak rozmiar cząstek, PDI, potencjał zeta i przezroczystość. Czynniki X zostały zdefiniowane jako X₁ dla oleju, X₂ dla surfaktantu i X₃ dla ko-surfaktantu, przy czym każde stężenie ustawiono na trzech poziomach: niskim (-1), średnim (0) i wysokim (+1). Oprogramowanie przeprowadziło łącznie 15 przebiegów w celu oszacowania wartości błędów, w tym trzy punkty centralne. Ilość flurbiprofenu była stale utrzymywana na poziomie 2,4 mg dla wszystkich 15 przebiegów.

Na podstawie wartości wybranych jako dobry region w pseudo-ternarnym diagramie fazowym, stężenie Kollisolv MCT 70 ustalono na 10-20 mg, Solutol HS 15 na 40-80 mg, a Labrafil M1944CS na 10-50 mg. Sprawdzono główne efekty i efekty interakcji w celu potwierdzenia rozmiaru cząstek (nm) (Y₁), PDI (Y₂), potencjału zeta (mV) (Y₃) i przezroczystości (%) (Y₄). Do oceny istotności każdego czynnika i określenia wartości p dla wszystkich odpowiedzi zastosowano ANOVA.

Wartość R² w analizie wariancji dla rozmiaru cząstek (Y₁) wynosiła 96,75%, co wskazuje na wysoką moc wyjaśniającą. Wszystkie liniowe składniki modelu (X₁, X₂, X₃) były istotne, ponieważ ich wartości p były poniżej 0,05. W modelu kwadratowym X₁² i X₂² były również istotne z wartościami p poniżej 0,05, podczas gdy X₃² nie był istotny z wartością p wynoszącą 0,506. W modelu 2FI wszystkie składniki interakcji (X₁X₂, X₁X₃, X₂X₃) były istotne, ponieważ ich wartości p były poniżej 0,05.

Czynnik X₂ miał największy wpływ na rozmiar cząstek, co potwierdzono wykresem Pareto, wykresem konturowym i wykresem powierzchniowym oraz wartością p. Wykres Pareto wskazywał, że czynniki X₂, X₃ i X₁ wpływały na rozmiar cząstek, w tej kolejności, co pokazuje, że te trzy czynniki znacząco przyczyniły się do określenia rozmiaru cząstek SNEDDS.

Wartość R² w analizie wariancji dla PDI (Y₂) wynosiła 91,78%, co wskazuje na wysoką moc wyjaśniającą. W modelu liniowym X₁ nie był istotny, ponieważ jego wartość p wynosiła 0,450, podczas gdy X₂ i X₃ były istotne z wartościami p poniżej 0,05. W modelu kwadratowym X₁² był istotny z wartością p poniżej 0,05, ale X₂² i X₃² nie były istotne, z wartościami p odpowiednio 0,182 i 0,634. W modelu 2FI X₁X₂ i X₂X₃ nie były istotne, z wartościami p odpowiednio 0,230 i 0,104, podczas gdy X₁X₃ był istotny z wartością p poniżej 0,05.

Czynnik X₂ miał największy wpływ na PDI, co potwierdzono wykresem Pareto, wykresem konturowym i wykresem powierzchniowym oraz wartością p. Wykres Pareto statystycznie potwierdził, że tylko czynniki X₂, X₃, X₁X₃ i X₁² znacząco wpływały na PDI.

Wybrane czynniki X nie miały istotnego wpływu na wartości potencjału zeta (Y₃), co skutkowało niską wartością R² wynoszącą 35,53% w analizie wariancji. Dlatego potencjał zeta (Y₃) został wykluczony przy użyciu narzędzi optymalizacyjnych do wyboru zoptymalizowanej formulacji.

Wartość R² w analizie wariancji dla przezroczystości (Y₄) wynosiła 95,02%, co wskazuje na wysoką moc wyjaśniającą. Wszystkie liniowe składniki modelu (X₁, X₂, X₃) były istotne, ponieważ ich wartości p były poniżej 0,05. W modelu kwadratowym X₁² i X₂² były istotne z wartościami p poniżej 0,05, podczas gdy X₃² nie był istotny z wartością p wynoszącą 0,687. W modelu 2FI X₁X₂ nie był istotny z wartością p wynoszącą 0,348, podczas gdy X₂X₃ i X₁X₃ były istotne z wartościami p poniżej 0,05.

Czynnik X₂ miał największy wpływ na przezroczystość, co potwierdzono wykresem Pareto, wykresem konturowym i wykresem powierzchniowym oraz wartością p. Wykres Pareto wskazywał, że czynniki X₂, X₂X₃, X₁X₃ i X₃ wpływały na rozmiar cząstek, w tej kolejności, co pokazuje, że te cztery czynniki znacząco przyczyniły się do określenia rozmiaru cząstek SNEDDS.

W optymalizacji wieloparametrowej powszechnie stosowane jest podejście funkcji pożądalności. Aby zoptymalizować wiele odpowiedzi jednocześnie, pożądane jest uwzględnienie sprzecznych kryteriów i włączenie preferencji decydenta. Ogólnie wartość pożądalności D (D) jest uważana za wyższą, gdy jest bliższa 1. Do optymalizacji czynników analizowanych w BBD użyto narzędzia optymalizacji odpowiedzi. Proces optymalizacji miał na celu identyfikację najwyższej przezroczystości, najniższego PDI i najmniejszego rozmiaru cząstek.

Optymalizację przeprowadzono za pomocą narzędzia optymalizacyjnego, a wyniki optymalizacji były następujące: X₁: waga oleju 18,9 mg, X₂: waga surfaktantu 70,7 mg i X₃: waga ko-surfaktantu 10,0 mg. W badaniu BBD optymalizacji formulacji wyprowadzony model powierzchni odpowiedzi wyjaśnił wzajemne oddziaływanie między trzema krytycznymi parametrami formulacji. Były to waga oleju (X₁), waga surfaktantu (X₂) i waga ko-surfaktantu (X₃). Wartość D złożonej preferencji wynosiła 0,9785, bliska 1, co reprezentowało optymalną kombinację czynników w badanej przestrzeni parametrów.

Przestrzeń projektowa to wielowymiarowy region, który obejmuje wszystkie zmienne niezależne i zależne. Wykres przestrzeni projektowej reprezentuje wpływ X₁ (oleju) i X₂ (surfaktantu) na odpowiedzi Y₁ (rozmiar cząstek), Y₂ (PDI) i Y₃ (przezroczystość), gdy czynnik X₃ (ko-surfaktant) był ustalony na 10 mg. Przestrzeń projektowa była reprezentowana przez biały obszar na wykresie, który oznaczał zakres poziomów zmiennych zgodnych z optymalnymi charakterystykami produktu.

Zoptymalizowana formulacja FLU-SNE charakteryzowała się rozmiarem cząstek 24,89 nm, PDI 0,068 i przezroczystością 74,85%. Zoptymalizowany FLU-SNE był używany po 10-krotnym rozcieńczeniu PBS. Wyniki wskazywały, że Y₁ wynosił 24,89 nm, co mieściło się w 95% przedziale predykcji (PI) wartości dopasowanej pokazanej w wynikach optymalizatora odpowiedzi. Y₂ wynosił 0,068, co również mieściło się w 95% PI wartości dopasowanej. Y₃ wynosił 74,85%, co mieściło się w 95% PI wartości dopasowanej. FLU-SNE spełnił docelową jakość produkcji, ponieważ wszystkie pomiary mieściły się w 95% przedziałach predykcji.

Badania stabilności termodynamicznej wykazały, że FLU-SNE był stabilny – nie zaobserwowano tworzenia się śmietanki, zbrylania ani rozdzielania faz między warunkami przed i po sześciu cyklach 40°C do 4°C. Rozmiar cząstek wynosił 26,63 nm, PDI 0,088, a przezroczystość 72,90%, bez różnicy między warunkami przed i po. Dlatego stwierdzono, że FLU-SNE był termodynamicznie stabilny.

Wartość pH formulacji FLU-SNE wynosiła 7,16 ± 0,01, co jest odpowiednie dla preparatów okulistycznych i nie powoduje miejscowego bólu oka.

Analiza morfologiczna przy użyciu TEM wykazała, że FLU-SNE zawierał pojedyncze sferyczne i półprzezroczyste krople nanoemulsji o średniej średnicy <25 nm, co było porównywalne z wynikami uzyskanymi przy analizie rozmiaru cząstek za pomocą dynamicznego rozpraszania światła.

W testach dyfuzji in vitro strumień leku w membranie celulozowej 12,400 Da wynosił 2,723 ± 0,133 (mg/cm²) dla FLU-SNE i 1,031 ± 0,070 (mg/cm²) dla dyspersji leku, co wskazuje, że FLU-SNE wykazał około 2,5-krotnie wyższy strumień niż dyspersja leku. W badaniach ex vivo strumień leku w rogówce bydlęcej wynosił 5,446 ± 0,390 (μg/cm²) dla FLU-SNE i 1,350 ± 0,097 (μg/cm²) dla dyspersji leku, co wskazuje, że FLU-SNE wykazał około 4-krotnie wyższy strumień niż dyspersja leku.

FLU-SNE ma mały rozmiar cząstek, co zwiększa powierzchnię międzyfazową dla absorpcji leku, oraz niską wartość PDI, co zapewnia dobrą jednorodność i wyższą przepuszczalność w porównaniu do dyspersji leku. Krople do oczu są szybko eliminowane z oka, a im wyższa początkowa penetracja leku, tym lepsza jego absorpcja. FLU-SNE ma wyższą początkową penetrację i maksymalny strumień niż dyspersja leku, co jest korzystne dla absorpcji leku w formulacjach okulistycznych.

Wyniki testów dyfuzji in vitro i ex vivo zgodnie wykazały szybszą i wyższą penetrację dla FLU-SNE niż dla dyspersji leku. Sugeruje to, że FLU-SNE zwiększa początkową penetrację i maksymalną penetrację leków w formulacjach okulistycznych, co prawdopodobnie zwiększy biodostępność leku.

Opracowany i zoptymalizowany SNEDDS do miejscowego podawania okulistycznego flurbiprofenu z zastosowaniem podejścia QbD wykazuje znacząco lepszą efektywność dostarczania leku w porównaniu do standardowych dyspersji. Wyniki dotyczące powtarzalności, stabilności i przepuszczalności FLU-SNE sugerują potencjał dla bardziej efektywnych miejscowych okulistycznych formulacji FLU-SNEDDS.

Podsumowanie

Badacze opracowali innowacyjny system samonanoemulsyjny (SNEDDS) zawierający flurbiprofen, który wykazuje znaczącą przewagę w miejscowym leczeniu stanów zapalnych oka. Formulacja została zoptymalizowana przy użyciu podejścia Quality by Design (QbD), wykorzystując Kollisolv MCT 70 jako olej, Solutol HS 15 jako surfaktant i Labrafil M1944CS jako ko-surfaktant. Zoptymalizowany preparat charakteryzuje się małym rozmiarem cząstek (24,89 nm), niskim współczynnikiem polidyspersji (0,068) i wysoką przezroczystością (74,85%). Testy dyfuzji wykazały 2,5-krotnie wyższy strumień leku w badaniach in vitro i 4-krotnie wyższy w badaniach ex vivo w porównaniu do standardowych dyspersji. System SNEDDS zwiększa biodostępność flurbiprofenu poprzez poprawę jego rozpuszczalności i przenikania przez rogówkę, co może prowadzić do skuteczniejszego leczenia stanów zapalnych oka, takich jak zapalenie błony naczyniowej czy obrzęk plamki żółtej.