Synthesis of new PLA copolymers for drug delivery
Authors: Χρυσάφη Ιουλιάνα 
Published: March 2023

Η ελεγχόμενη απελευθέρωση φαρμάκων πρωτοεμφανίστηκε ως ιδέα στις αρχές του 20ου αιώνα και έκτοτε έχει απασχολήσει την επιστημονική κοινότητα. Περιλαμβάνει το συνδυασμό ενός πολυμερούς, φυσικού ή συνθετικού, με ένα φάρμακο ή δραστικό παράγοντα με τέτοιο τρόπο ώστε ο δραστικός παράγοντας να απελευθερώνεται από το υλικό με προκαθορισμένο τρόπο. Εκτός από τη σωστή επιλογή των πολυμερικών υλικών που χρησιμοποιούνται στον τομέα αυτό, σημαντικοί παράγοντες για την επιτυχή παραγωγή τους περιλαμβάνουν τη φαρμακευτική μορφή (δισκία, κρέμες, επιθέματα, ενέσιμα διαλύματα, νανοσωματίδια και μικροσφαιρίδια) και τον τρόπο χορήγησης (δια του στόματος, παρεντερική, πνευμονική, διαδερμική, ενδορινική, καρδιοαγγειακά κ.λπ.).Σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους χορήγησης φαρμάκων, τα οφέλη της ελεγχόμενης απελευθέρωσης φαρμάκου είναι πολυάριθμα. Τα μη υδατοδιαλυτά φάρμακα μπορούν να μεταφερθούν πιο αποτελεσματικά σε μεγαλύτερες δόσεις και παράλληλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλαπλοί τύποι φαρμάκων και διαγνωστικών παραγόντων για συνδυασμένες θεραπείες. Η στοχευμένη χορήγηση φαρμάκου σε συγκεκριμένο κύτταρο ή ιστό αυξάνει την αποτελεσματικότητα της θεραπείας και ελαχιστοποιεί τις σοβαρές παρενέργειες, ενώ μπορεί να χορηγηθεί σε συγκεκριμένες δόσεις και σε συγκεκριμένους χρόνους. Ωστόσο, οι επιστήμονες καλούνται να λύσουν ορισμένα προβλήματα προκειμένου να συνθέσουν αποτελεσματικά ένα ελεγχόμενο σύστημα. Αυτά περιλαμβάνουν την εξάλειψη της πιθανότητας τοξικότητας και ασυμβατότητας των πολυμερικών συστημάτων, τον έλεγχο της πιθανότητας διαφορετικής in vivo συμπεριφοράς των σκευασμάτων σε σύγκριση με τη συμπεριφορά in vitro που παρατηρείται στο εργαστήριο. Τέλος, η σωστή προσαρμογή της απαιτούμενης δοσολογίας, η εξάλειψη των ανεπιθύμητων υποπροϊόντων ακόμη και η μείωση του κόστους είναι σημαντικοί παράγοντες αξιολόγησης. Η σχιζοφρένεια είναι μια νευροψυχιατρική διαταραχή που επηρεάζει κυρίως εφήβους και νεαρούς ενήλικες. Τα συμπτώματά της επηρεάζουν περίπου το 0,4% - 0,6% του πληθυσμού σε νεαρή ηλικία. Η ρισπεριδόνη ανήκει στην πρώτη γενιά αντιψυχωσικών φαρμάκων και αποτελεί μια αποτελεσματική θεραπεία για ασθενείς με σχιζοφρένεια. Η κύρια διαθέσιμη στο εμπόριο μορφή της ρισπεριδόνης είναι αυτή των δισκίων ή χαπιών, τα οποία πρέπει να λαμβάνονται καθημερινά. Ωστόσο, έχει παρατηρηθεί ότι οι ασθενείς μπορεί να διακόψουν τη θεραπεία τους μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, πιστεύοντας ότι έχουν θεραπευτεί, οδηγώντας σε υποχώρηση των συμπτωμάτων τους. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος έχουν αναπτυχθεί ενέσιμα μακράς δράσης (Long Acting Injectables - LAIs) ως εναλλακτική σύνθεση, τα οποία χορηγούνται ευκολότερα και μπορούν να δώσουν στους ασθενείς μια αίσθηση μη ασθένειας.Τα LAIs είναι συστήματα χορήγησης φαρμάκων που χορηγούνται τοπικά, με ενδομυϊκή χορήγηση, δημιουργώντας μια «αποθήκη» φαρμάκου που απελευθερώνεται με ελεγχόμενο ρυθμό και οδηγεί στη δημιουργία συγκεκριμένης συγκέντρωσης του φαρμάκου στον ανθρώπινο οργανισμό. Τα πλεονεκτήματα των LAIs σε σχέση με άλλα σκευάσματα περιλαμβάνουν την έλλειψη περιττής συγκέντρωσης φαρμάκου στο ήπαρ και τη σταθερή «διαθέσιμη» ποσότητα φαρμάκου στον οργανισμό. Το μειονέκτημα της τρέχουσας εμπορικής μορφής της ρισπεριδόνης (Rispedral consta) είναι ότι υπάρχει ένα διάστημα 7-8 ημερών πριν ξεκινήσει η απελευθέρωσή της. Αυτό οφείλεται στην αργή υδρόλυση του πολύ(γαλακτικού - γλυκολικού οξέος) (PLGA) που χρησιμοποιείται ως πολυμερική μήτρα των μικροσφαιριδίων. Επομένως, κατά την πρώτη εβδομάδα χορήγησης απαιτείται συγχορήγηση δισκίων ρισπεριδόνης για να επιτευχθεί η επιθυμητή συγκέντρωση του φαρμάκου.Η επιστημονική κοινότητα στοχεύει στη παρασκευή μικροσφαιριδίων ρισπεριδόνης που απελευθερώνουν το φάρμακο από την πρώτη ημέρα χορήγησης αντικαθιστώντας το συμπολυμερές PLGA με ένα πολυμερές ταχύτερης αποικοδόμησης. Το πολύ(γαλακτικό οξύ) (PLA) και τα συμπολυμερή του έχουν χρησιμοποιηθεί ως φορείς διαφόρων ουσιών και φαρμάκων, συμπεριλαμβανομένης της ρισπεριδόνης, λόγω της βιοαπορρόφησης, της βιοσυμβατότητάς και της διάσπασής τους στο ανθρώπινο σώμα. Ενώ το PLA έχει προταθεί ως βιοσυμβατό υλικό για ιατρική χρήση, οι ιδιότητές του μπορούν να βελτιωθούν τροποποιώντας τη δομή του ή προσθέτοντας άλλα πολυμερή. Το PLA και τα συμπολυμερή του θεωρούνται ασφαλή από τον Οργανισμό Τροφίμων και Φαρμάκων των ΗΠΑ (FDA) και χρησιμοποιούνται ευρέως στον ιατρικό τομέα.Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη σύνθεση νέων συμπολυμερών πολυ(γαλακτικού οξέος) (PLA) και την εφαρμογή τους στην παρασκευή μικροσφαιριδίων ρισπεριδόνης με σκοπό τη μεταφορά και τη σταδιακή απελευθέρωσή της στο ανθρώπινο σώμα. Ο στόχος αυτής της διατριβής ήταν να παρασκευασθούν μικροσφαιρίδια μεγέθους παρόμοιου με το εμπορικό σκεύασμα, να ελεγχθεί η απελευθέρωση της ρισπεριδόνης και να εξαλειφθεί το αρχικό κενό 7 ημερών κατά την απελευθέρωση. Το PLA είναι βιοσυμβατό, βιοαπορροφήσιμο, μη τοξικό και έχει καλές φυσικοχημικές ιδιότητες. Ωστόσο, ο ρυθμός αποικοδόμησής του είναι σχετικά αργός, γεγονός που καθιστά αναγκαία την τροποποίησήτου. Η προσθήκη πολυ(ηλεκτρικού εξανοεστέρα) (PHSu) αναμένεται να βελτιώσει τον ρυθμό υδρόλυσης του PLA. Το PHSu επιλέχθηκε επειδή, σύμφωνα με μελέτες για το ηλεκτρικό οξύ και τα παράγωγά του, είναι μη τοξικό, έχει καλές θερμικές και μηχανικές ιδιότητες, μπορεί εύκολα να τροποποιηθεί και είναι βιοαποικοδομήσιμο.Ο πρώτος στόχος αυτής της διατριβής ήταν η σύνθεση του PHSu και των μπλοκ συμπολυμερών PLA-b-PHSu σε διάφορες συγκεντρώσεις. Το PHSu συντέθηκε μέσω της πολυσυμπύκνωσης 2 σταδίων ηλεκτρικού οξέος και εξανοδιόλης, ενώ τα συμπολυμερή PLA-b-PHSu, σε αναλογίες μάζας 95/05, 90/10 και 80/20, συντέθηκαν μέσω πολυμερισμού ανοίγματος δακτυλίου (ROP) του L-λακτιδίου. Οι δομικές, χημικές, μηχανικές και θερμικές ιδιότητες των παρασκευασμένων υλικών μελετήθηκαν με χρήση Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR), Φασματοσκοπίας Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier (FTIR), Περίθλασης ακτίνων Χ (XRD), Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC), Θερμοσταθμικής ανάλυσης (TGA), Πυρόλυσης-Αέριας Χρωματογραφίας/Φασματοσκοπίας Μαζών (Py-GC/MS), Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας Ευρέως Φάσματος (BDS), Πολωτικού μικροσκοπίου (PLM), Χρωματογραφίας Αποκλεισμού Μεγέθους (SEC), Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM) και μελέτη της αντοχής στην κάμψη. Πραγματοποιήθηκαν επίσης δοκιμές κυτταροτοξικότητας για να επιβεβαιωθεί η βιοσυμβατότητα των δειγμάτων. Οι πολλαπλές πειραματικές τεχνικές χρησιμοποιήθηκαν όχι μόνο για την επιβεβαίωση της δομής του μπλοκ συμπολυμερούς των παρασκευασμένων υλικών αλλά και για την επαλήθευση και αξιολόγηση του συνόλου των ιδιοτήτων που χαρακτηρίζουν τα νέα υλικά. Η θερμική αποικοδόμηση των δειγμάτων, καθώς και η μη ισόθερμη κρυστάλλωση κατά τη θέρμανση/ψύξη διερευνήθηκαν περαιτέρω μέσω κινητικής ανάλυσης με την εφαρμογή πολλαπλών μαθηματικών μοντέλων. Μετά την εκπλήρωση των αρχικών απαιτήσεων για περαιτέρω έρευνα, μελετήθηκε η ενζυμική υδρόλυση και η επίδρασή της στις ιδιότητες των δειγμάτων. Ως μέρος του στόχου αυτής της έρευνας είναι η ενίσχυση του ρυθμού αποικοδόμησης των παρασκευασμένων υλικών, οπότε είναι σημαντικό να μελετηθεί η απώλεια βάρους κατά την ενζυμική υδρόλυση. Μελετήθηκε η επιφάνεια των υδρολυμένων δειγμάτων σε σχέση με τα αρχικά υλικά (SEM) καθώς και οι θερμικές τους ιδιότητες μέσω TGA, DSC και Py-GC/MS. Ακόμα εξετάστηκαν οι χημικές και δομικές ιδιότητες (XRD, FTIR) των υλικών και συγκρίθηκαν με αυτές πριν την ενζυμική υδρόλυση.Στο τελευταίο μέρος αυτής της έρευνας, μικροσωματίδια ρισπεριδόνης παρασκευάστηκαν από τα συμπολυμερή PLA-b-PHSu και υποβλήθηκαν σε μελέτη in vitro. Η διαδικασία ξήρανσης δια ψεκασμού χρησιμοποιήθηκε για τη σύνθεση των μικροσωματιδίων και η μορφολογία τους εξετάστηκε μέσω των μικροφωτογραφιών SEM. Οι ιδιότητες των δειγμάτων εξετάστηκαν ξανά για να επαληθευτεί αν η ξήρανση δια ψεκασμού και η ενθυλάκωση του φαρμάκου επηρεάζει τις ιδιότητες των μικροσωματιδίων σε σύγκριση με τα πρωτογενή υλικά. Τέλος, διερευνήθηκε η φόρτωση του φαρμάκου και η αποτελεσματική παγίδευση της ρισπεριδόνης, καθώς και η in vitro απελευθέρωσή της με τη μέθοδο HPLC. Η απελευθέρωση της ρισπεριδόνης μελετήθηκε περαιτέρω χρησιμοποιώντας διαφορετικά θεωρητικά μοντέλα.