Plastry z mikroigłami rewolucjonizują dostarczanie doksazosyny

Czy mikroigły odmieniają dostarczanie leków?

Doksazosyna jest powszechnie stosowanym lekiem w leczeniu nadciśnienia tętniczego oraz łagodnego rozrostu gruczołu krokowego. Jednak jej biodostępność po podaniu doustnym wynosi jedynie około 65%, co jest związane z efektem pierwszego przejścia. W celu przezwyciężenia tego ograniczenia, opracowano innowacyjny system dostarczania leku z wykorzystaniem rozpuszczalnych plastrów z mikroigłami (dMNPs), które umożliwiają bezpośrednie podanie leku do krwiobiegu, z pominięciem metabolizmu wątrobowego.

Tradycyjne metody podawania leków pozajelitowo, takie jak iniekcje domięśniowe i dożylne, zapewniają szybkie dostarczenie substancji czynnej do krwiobiegu, jednak wiążą się z bólem, dyskomfortem i koniecznością zaangażowania wykwalifikowanego personelu medycznego. Alternatywne metody, w tym podanie przez błony śluzowe, wykorzystanie systemów dostarczania leków modyfikowanych magnetycznie, nanowłókna, inhalatory i przezskórne systemy dostarczania leków (TDDS), zostały opracowane, aby przezwyciężyć te ograniczenia. Szczególnym wyzwaniem w przypadku przezskórnego podawania leków jest transport cząsteczek o dużej masie cząsteczkowej przez barierę skórną. Rozwiązaniem tego problemu są między innymi plastry z mikroigłami, które należą do trzeciej generacji TDDS.

Mikroigły stanowią atrakcyjną alternatywę dla konwencjonalnych systemów dostarczania leków. Są to igły o wymiarach mikrometrycznych, które umożliwiają bezpośrednie podanie leku do krwiobiegu. Ta samowystarczalna i dyskretna forma dawkowania ma wiele zalet, w tym kontrolowane uwalnianie, wygodę stosowania, zwiększoną współpracę pacjenta oraz optymalną biodostępność leków poprzez ominięcie efektu pierwszego przejścia. Mikroigły są proste, tanie i mogą być rozwijane jako igły stałe lub puste o długości od 50 do 900 µm. Plastry z mikroigłami mogą być łatwo wykorzystywane do dostarczania białek, szczepionek, insuliny i innych leków. W literaturze opisano wiele technik przygotowania takich systemów nośnikowych, takich jak odlewanie rozpuszczalnikowe, trawienie jonowe reaktywne, trawienie chemiczne na mokro i przemywanie rozpuszczalnikiem.

Jakie znaczenie mają chitozan i PVA w zaawansowanej formulacji?

Chitozan jest biodegradowalnym, nietoksycznym, biokompatybilnym i półkrystalicznym polimerem otrzymywanym przez deacetylację chityny przy użyciu wodorotlenku sodu. PVA (alkohol poliwinylowy) jest rozpuszczalnym w wodzie i biodegradowalnym polimerem, który wykazuje doskonałe właściwości w formulacjach dMNPs. Właściwości mechaniczne, efektywność ładowania leku (%) i charakterystyka uwalniania dMNPs są w znacznym stopniu uzależnione od wyboru polimeru, co czyni go istotnym krokiem w procesie.

Mezylan doksazosyny jest pochodną chinazoliny o wzorze cząsteczkowym C₂₄H₂₉N₅O₈S i masie cząsteczkowej 547,6 g/ml. Ma charakter lipofilowy, a jego wartość log P wynosi 2,5. Działa jako konkurencyjny antagonista alfa-1 na receptorze postsynaptycznym. Poprzez konkurencyjne hamowanie postsynaptycznych receptorów alfa-1-adrenergicznych, mezylan doksazosyny powoduje rozszerzenie żył i tętniczek, obniżając ciśnienie krwi i całkowity opór obwodowy. Biodostępność doustna mezylanu doksazosyny wynosi 65% ze względu na efekt pierwszego przejścia. Chociaż zalecane są dawki od 2 do 12 mg/dobę w leczeniu łagodnego rozrostu gruczołu krokowego (BPH), dawka 4 mg/dobę jest zwykle skuteczna u większości pacjentów. Zalecane jest rozpoczęcie leczenia od 1 mg/dobę i zwiększanie dawki co 1-2 tygodnie. Lek jest klasyfikowany jako BCS klasa II i ma okres półtrwania w osoczu wynoszący 9-12 godzin. Komercyjnie dostępne są tabletki mezylanu doksazosyny w czterech różnych dawkach: 1 mg, 2 mg, 4 mg i 8 mg.

W niniejszym badaniu opracowano i scharakteryzowano formulacje plastrów z rozpuszczalnymi mikroigłami zawierające mezylan doksazosyny o przedłużonym uwalnianiu, z różnymi przyrostami polimerów (chitozanu i PVA). Ten innowacyjny plaster nie tylko wykazuje odpowiednią wytrzymałość i efektywną penetrację, ale także gwarantuje kontrolowane uwalnianie leku w wyznaczonym czasie. Wyniki potwierdziły również poprawę profilu farmakokinetycznego w przypadku dMNPs w porównaniu z obecnie dostępną na rynku tabletką.

Formulacje z mikroigłami zostały opracowane przy użyciu techniki odlewania rozpuszczalnikowego. Roztwór chitozanu przygotowano w 1% kwasie octowym, mieszając go przez 3 godziny w temperaturze 37°C. Równolegle przygotowano 5% roztwór polialkoholu winylowego (PVA) w wodzie destylowanej. Następnie roztwór PVA dodano kroplami do roztworu chitozanu, mieszając przez 30 minut. Mezylan doksazosyny rozpuszczono w etanolu w stężeniu 8 mg/ml i dodano do homogenicznego roztworu polimerowego. Mieszaninę wlano do silikonowej formy i odwirowano przez 3 godziny przy 5000 obr/min, a następnie poddano sonikacji przez 1 godzinę. Suszenie przeprowadzono w temperaturze 45°C przez 10 godzin.

Czy właściwości plastrów z mikroigłami zapewniają ich skuteczność?

Spośród opracowanych ośmiu formulacji, trzy (SRF-4, SRF-5 i SRF-6) wykazały najlepsze właściwości i zostały wybrane do dalszych badań. Analiza mikroskopowa przy użyciu mikroskopu świetlnego i skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) potwierdziła, że wybrane formulacje miały jednorodną powierzchnię, regularną geometrię i wyraźną ostrość mikroigieł. Optymalna formulacja (SRF-6) wykazała gładkie powierzchnie, piramidalne mikroigły z ostrymi końcami i dobrze zdefiniowaną strukturę. Każda pojedyncza igła miała wysokość 600 µm i szerokość podstawy 200 µm, z odstępem między igłami wynoszącym 500 µm.

Grubość plastra, wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie procentowe były kluczowymi parametrami mechanicznymi. Średnia grubość wybranych próbek (SRF-4, SRF-5 i SRF-6) wynosiła odpowiednio 38,98 µm, 41,54 µm i 51,22 µm. Średnia wytrzymałość na rozciąganie dla tych formulacji wynosiła odpowiednio 0,38 mPa, 0,39 mPa i 0,46 mPa, a średnie wydłużenie procentowe wynosiło odpowiednio 27,42%, 29,87% i 32,98%. Wśród tych trzech formulacji, SRF-6 wykazała najbardziej korzystną wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie procentowe dzięki optymalnej zawartości PVA w połączeniu z chitozanem. Ten wzrost wydłużenia był związany z interakcjami molekularnymi istniejącymi między PVA i chitozanem poprzez wiązania wodorowe, prowadzącymi do wzrostu wytrzymałości na rozciąganie i tworzenia zwartej i sztywnej struktury sieci polimerowej.

Wytrzymałość mechaniczna przygotowanych plastrów z mikroigłami była mierzona za pomocą testów ściskania. Średnia wytrzymałość mechaniczna formulacji SRF-4, SRF-5 i SRF-6 wynosiła odpowiednio 0,89 N, 1,23 N i 1,94 N. Siła wymagana do przełamania zwykle większa niż 0,21 N gwarantuje odpowiednie wprowadzenie mikroigieł do skóry. Wśród tych trzech formulacji, SRF-6 wykazała najbardziej optymalną wytrzymałość mechaniczną. Co istotne, wraz ze wzrostem ilości polimerów, siła potrzebna do złamania igieł również wzrastała ze względu na opór stawiany przez wyższe usieciowanie (z powodu grup -OH i -NH₂) między wbudowanymi polimerami.

Badania penetracji skóry przeprowadzono za pomocą analizy histopatologicznej i mikroskopii konfokalnej. Analiza histopatologiczna wykazała, że po 30 sekundach nacisku na skórę, mikroigły wnikały do warstwy naskórka, a po 1 minucie dochodziło do przerwania ciągłości skóry. Mikroskopia konfokalna potwierdziła penetrację mikroigieł przez warstwę podskórną skóry świni i dotarcie do skóry właściwej.

Efektywność ładowania mezylanu doksazosyny w igłach plastrów mikroigłowych wynosiła 88,42%, 91,37% i 92,11% odpowiednio dla SRF-4, SRF-5 i SRF-6. Wyniki te potwierdziły zastosowanie farmaceutyczne tych plastrów w dostarczaniu leków, niezawodność techniki produkcji plastrów mikroigłowych oraz doskonałą jednorodność zawartości mezylanu doksazosyny. Ponadto, zmieniając ilość mezylanu doksazosyny w roztworze wyjściowym leku, można modulować efektywność ładowania, co zapewnia cenną możliwość optymalizacji dawki leku i dostosowania formulacji do określonych wymagań.

Analiza FTIR (spektroskopia w podczerwieni z transformatą Fouriera) przeprowadzona w celu oceny zgodności składników formulacji wykazała charakterystyczne piki dla chitozanu, PVA i mezylanu doksazosyny. Charakterystyczne piki w widmie FTIR chitozanu znajdowały się przy 3342,03 cm⁻¹ i 2989,12 cm⁻¹, odpowiadające rozciąganiu -OH i -NH. Widmo FTIR PVA wykazało szerokie pasmo przy 3166,54 cm⁻¹, odpowiadające ruchowi rozciągającemu grupy hydroksylowej. Pik przy 2952,48 cm⁻¹ wskazuje na drgania rozciągające -CH z grupy alkilowej, podczas gdy pik przy 1417,42 cm⁻¹ wskazuje na deformację grupy -OH. Dodatkowo, piki obserwowane między 1554,34 cm⁻¹ a 1751,04 cm⁻¹ odpowiadają rozciąganiu karbonylowemu (C=O) i C-O.

Mezylan doksazosyny wykazał charakterystyczne piki przypisane rozciąganiu N-H przy 3371 cm⁻¹ i rozciąganiu C=O przy 1597 cm⁻¹. Widmo IR czystego leku ściśle odpowiadało referencyjnemu standardowemu widmu IR mezylanu doksazosyny, potwierdzając tożsamość próbki leku. Obserwowane częstotliwości grup funkcyjnych w mezylanie doksazosyny były zgodne ze standardowymi teoretycznymi częstotliwościami tych grup funkcyjnych, dostarczając dodatkowych dowodów na tożsamość leku. Porównując widmo FTIR plastra mikroigłowego zawierającego mezylan doksazosyny (SRF-6) z widmem IR czystych składników, odkryto różne wzory pików. W odniesieniu do mezylanu doksazosyny, pik przy 1597 cm⁻¹, który był przypisany rozciąganiu C=O, przesunął się do 1440 cm⁻¹. Ponadto, siła sygnału przy 3371 cm⁻¹, odpowiadająca rozciąganiu N-H, zmniejszyła się. Te zmiany we wzorach pików wskazują na interakcję i włączenie leku do formulacji mikroigłowej.

Czy przedłużone uwalnianie leku przynosi korzyści kliniczne?

Badania uwalniania ex-vivo przeprowadzono na skórze królika z wykorzystaniem komórki dyfuzyjnej Franza o objętości komory receptorowej 7,5 ml i powierzchni dyfuzji 2,5 cm⁻². Procent mezylanu doksazosyny, który przeniknął przez skórę królika, wynosił 74,99% ± 1,25 (SRF-4), 84,11% ± 1,43 (SRF-5) i 87,24% ± 1,14 (SRF-6). Dla porównania, roztwór tabletki mezylanu doksazosyny wykazał penetrację na poziomie 42,11% ± 1,57. Wyniki te potwierdziły, że formulacja SRF-6 wykazała znacznie wyższą przenikalność leku przez skórę w porównaniu z innymi formulacjami i roztworem mezylanu doksazosyny.

Analiza kinetyki uwalniania wykazała, że model kinetyczny zerowego rzędu najlepiej pasował do formulacji SRF-6, z współczynnikiem regresji (R²) wynoszącym 0,977. Dodatkowo, model Korsmeyer-Peppas wskazał na mechanizm uwalniania Super Case II (z wartością “n” równą 0,872), związany z relaksacją łańcucha polimerowego po kontakcie z wodą lub medium rozpuszczającym.

Ilościowe oznaczenie mezylanu doksazosyny w skórze przeprowadzono poprzez ekstrakcję leku z tkanki. Analiza wykazała, że 2,45 ± 2,3% mezylanu doksazosyny było obecne w tkankach skóry po aplikacji plastra mikroigłowego SRF-6. Dla porównania, tylko 1,27 ± 0,8% mezylanu doksazosyny znaleziono w tkankach skóry, gdy lek był aplikowany w postaci roztworu. Wyniki te wskazują, że podejście z użyciem roztworu skutkowało niższym procentem dostarczenia mezylanu doksazosyny do skóry, podczas gdy SRF-6 wykazał dobrą penetrację i rozpuszczanie mikroigieł w skórze.

Badania farmakokinetyczne in-vivo przeprowadzono na zdrowych królikach w celu oceny potencjału przedłużonego uwalniania plastra mikroigłowego zawierającego mezylan doksazosyny. Do oznaczenia ilościowego mezylanu doksazosyny w próbkach osocza wykorzystano opracowaną metodę HPLC z niewielkimi modyfikacjami. Analizę chromatograficzną przeprowadzono przy użyciu systemu HPLC Shimadzu z detektorem DAD i kolumną C-18 (5µ x 4,6 mm x 250 mm). Jako fazę ruchomą zastosowano mieszaninę acetonitrylu i buforu fosforanowego w stosunku 65:45. Próbki analizowano przy λmax = 238 nm, a aparat pracował z przepływem 1 ml/min.

Maksymalne stężenia (Cmax) mezylanu doksazosyny uwolnionego z roztworu tabletki doustnej i plastra mikroigłowego wynosiły odpowiednio 0,95 µg/ml i 2,16 µg/ml. Czas do osiągnięcia maksymalnego stężenia w osoczu (tmax) wynosił 2,67 godziny dla tabletki, wskazując na wyższą absorpcję. Z kolei formulacja plastra mikroigłowego wykazała przedłużony tmax wynoszący 10,10 godziny. Okres półtrwania (t1/2) mezylanu doksazosyny wynosił 1,75 h dla tabletki Cardura 2 mg, który został wydłużony do 6,32 h w przypadku plastrów dMNPs zawierających mezylan doksazosyny. Zwiększony okres półtrwania sugeruje wolniejsze uwalnianie leku z plastra mikroigłowego, co skutkuje dłuższą obecnością leku w osoczu, a w konsekwencji przyczynia się do zwiększonej biodostępności i przedłużonego działania mezylanu doksazosyny.

Ponadto, średni czas przebywania (MRT) i pole pod krzywą (AUC) dla tabletki Cardura 2 mg wynosiły odpowiednio 5,067 godziny i 6,61 μg.h/ml, podczas gdy dla formulacji plastra mikroigłowego wartości te wzrosły odpowiednio do 19,46 godziny i 57,12 μg.h/ml. Zaobserwowano znaczną różnicę w profilach farmakokinetycznych między tabletką Cardura 2 mg a opracowanym plastrem mikroigłowym o przedłużonym uwalnianiu mezylanu doksazosyny. W konsekwencji, ocena in-vivo zoptymalizowanej formulacji plastra mikroigłowego wykazała jej zdolność do przedłużenia dostępności systemowej mezylanu doksazosyny, wskazując na jej potencjał do przedłużonego uwalniania leku i poprawy wyników terapeutycznych.

Badanie podrażnienia skóry metodą Draize wykazało, że po początkowym zastosowaniu dMNPs zaobserwowano niewielki rumień (zaczerwienienie skóry). Ten łagodny rumień mógł być spowodowany obecnością większej liczby mikroigieł w plastrze, powodujących drobne pory na skórze. Niemniej jednak, po 48-godzinnym okresie obserwacji nie stwierdzono oznak obrzęku, rumienia ani alergii skórnych. Wyniki te sugerują, że opracowany plaster mikroigłowy był nietoksyczny, niedrażniący i biokompatybilny.

Badanie wykazało, że plaster z mikroigłami zawierający mezylan doksazosyny stanowi obiecującą alternatywę dla tradycyjnych form doustnych, oferując przedłużone uwalnianie leku, zwiększoną biodostępność i potencjalnie lepszą skuteczność terapeutyczną. Optymalna formulacja SRF-6 wykazała najlepsze właściwości mechaniczne, wysoką efektywność ładowania leku i kontrolowane uwalnianie przez 48 godzin. Badania farmakokinetyczne potwierdziły poprawę parametrów farmakokinetycznych w porównaniu z dostępną na rynku tabletką, co może przełożyć się na lepsze wyniki kliniczne w leczeniu nadciśnienia tętniczego i łagodnego rozrostu gruczołu krokowego.

W przyszłości integracja zaawansowanych technologii, takich jak czujniki i mechanizmy sprzężenia zwrotnego, w plastrach mikroigłowych może zrewolucjonizować spersonalizowaną medycynę. Monitorowanie w czasie rzeczywistym parametrów dostarczania leku i odpowiedzi pacjenta staje się możliwe, oferując bezprecedensowy wgląd w skuteczność leczenia i potrzeby terapeutyczne specyficzne dla pacjenta. To transformacyjne podejście nie tylko zwiększa precyzję i efektywność dostarczania leków, ale także sprzyja głębszemu zrozumieniu indywidualnych odpowiedzi pacjentów, torując drogę do dostosowanych interwencji terapeutycznych prowadzących do zwiększonej współpracy pacjenta i spersonalizowanych schematów leczenia.

Podsumowanie

Opracowano innowacyjny system dostarczania doksazosyny przy użyciu rozpuszczalnych plastrów z mikroigłami (dMNPs), który stanowi alternatywę dla tradycyjnego podawania doustnego. System wykorzystuje mikroigły o wymiarach mikrometrycznych (50-900 µm), wykonane z chitozanu i PVA, umożliwiające bezpośrednie podanie leku do krwiobiegu. Optymalna formulacja (SRF-6) wykazała najlepsze właściwości mechaniczne, 92,11% efektywność ładowania leku oraz kontrolowane uwalnianie przez 48 godzin. Badania farmakokinetyczne potwierdziły znaczącą poprawę parametrów w porównaniu z tabletkami – zwiększone maksymalne stężenie leku (Cmax 2,16 µg/ml vs 0,95 µg/ml), wydłużony czas działania (t1/2 6,32h vs 1,75h) oraz większą biodostępność (AUC 57,12 vs 6,61 μg.h/ml). System okazał się bezpieczny i biokompatybilny, nie powodując istotnych podrażnień skóry, oferując jednocześnie wygodną i efektywną alternatywę w terapii nadciśnienia tętniczego oraz łagodnego rozrostu gruczołu krokowego.

Bibliografia

Anwar Imran, Zafar Nadiah, Mahmood Asif and Zulcaif Riffat. Sustained release microneedle patch for pronounced systemic delivery of doxazosin mesylate. BioImpacts : BI 2024, 15, 68-906. DOI: https://doi.org/10.34172/bi.30257.