Σύνθεση και χαρακτηρισμός βιοαποικοδομήσιμων νανοσωματιδίων για μεταφορά φαρμάκων και φυτοφαρμακευτικών ουσιών
Creators: name: Παναγιώτου, Χρήστος Ανδρέα
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Πολυμερικά Νανοσωματίδια
Μεταφορά Φαρμάκων
Ηλεκτροϋδροδυναμική Ατμοποίηση
Polymer Nanoparticles
Drug Delivery
Electrospraying

description: Οι ανθεκτικές βακτηριακές λοιμώξεις εξελίσσονται σε μείζον πρόβλημα για την παγκόσμια υγεία, που προκαλεί σημαντική αύξηση της νοσηρότητας και θνησιμότητας παγκοσμίως. Λόγω της ιδιαίτερα υψηλής ανθεκτικότητας των παθογόνων μικροοργανισμών, οι διαθέσιμες θεραπείες παρουσιάζουν περιορισμένη αποτελεσματικότητα, η οποία μάλιστα μειώνεται διαρκώς. Η νανοϊατρική μπορεί να προσφέρει νέες, επαναστατικές, λύσεις στο πρόβλημα αυτό, κυρίως με τον εγκλεισμό αντιμικροβιακών φαρμάκων σε νανοσωματιδιακούς φορείς, που θα επιτρέπουν την πιο αξιόπιστη και αποτελεσματική πρόσβαση των φαρμάκων, σε ικανές θεραπευτικές δόσεις, στον πυρήνα της λοίμωξης, όπου θα πραγματοποιείται εκρίζωση της λοίμωξης πριν την ανάπτυξη αντίστασης στα χορηγούμενα αντιβιοτικά. Παράλληλα, το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας έχει προσελκύσει ο συνδυασμός του πεδίου της νανοϊατρικής με το πεδίο των φυτοφαρμακευτικών ουσιών. Οι ουσίες αυτές συχνά παρουσιάζουν ιδιαίτερα ισχυρές ευεργετικές για την υγεία δράσεις αλλά παρουσιάζουν προβλήματα βιοδιαθεσιμότητας, οδηγώντας σε ανεπαρκή δράση τους και πιθανές τοξικές επιδράσεις in vivo. Η νανοϊατρική, με τον εγκλεισμό των ουσιών αυτών σε νανοσωματιδιακούς φορείς, μπορεί να εξασφαλίσει αυξημένη βιοδιαθεσιμότητα και μεταφορά στον τόπο δράσης των ουσιών αυτών, επιτρέποντας να ενεργήσουν και να αποδώσουν την ευεργετική τους δράση, χωρίς να παρεμποδίζονται από τα εγγενή προβλήματα που παρουσιάζουν τα μόρια τους. Στην εργασία αυτή, συντέθηκαν με την τεχνική του electrospraying νανοσωματίδια, με σκοπό τη μεταφορά του αντιβιοτικού φαρμάκου σιπροφλοξασίνη και των φυτοφαρμακευτικών ουσιών κανναβιδιόλη και κουρκουμίνη. Τα νανοσωματίδια χαρακτηρίστηκαν μορφολογικά με τις τεχνικές μικροσκοπίας AFM και SEM. Με βάση τα αποτελέσματα μορφολογίας που λαμβάνονταν από τις εικόνες μικροσκοπίας, πραγματοποιήθηκε διαδικασία βελτιστοποίησης των παραμέτρων του electrospraying, μέχρι να προκύψουν νανοσωματίδια με τη βέλτιστη δυνατή μορφολογία. Τα βελτιστοποιημένα νανοσωματίδια στη συνέχεια εξετάστηκαν ως προς τις φαρμακοκινητικές τους ιδιότητες, την ικανότητα τους να συγκρατούν τις δραστικές ουσίες στο εσωτερικό τους, και τη διάρκεια και τον μηχανισμό με τον οποίο οι ουσίες απελευθερώνονταν από τα νανοσωματίδια. Τα νανοσωματίδια εξετάστηκαν επίσης ως προς την κυτταροσυμβατότητα τους in vitro, με μελέτες ανάπτυξης κυττάρων στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων. Τα νανοσωματίδια με σιπροφλοξασίνη προστέθηκαν ως αντιμικροβιακή επικάλυψη στην επιφάνεια ενός καθετήρα, με σκοπό την παρασκευή καθετήρα που θα έχει τη δυνατότητα να καταπολεμά μικροβιακές λοιμώξεις του ουροποιητικού συστήματος. Η νανοσωματιδιακή επικάλυψη στην επιφάνεια του καθετήρα εξετάστηκε με χρήση οπτικού μικροσκοπίου, για να διαπιστωθεί η ομοιομορφία της επικάλυψης στην επιφάνεια του καθετήρα μακροσκοπικά, και με χρήση μικροσκοπίας AFM, για να παρατηρηθεί η ακεραιότητα των νανοσωματιδίων στην επιφάνεια του καθετήρα και ο επιτυχής σχηματισμός της επικάλυψης σε κλίμακα νανομέτρου. Τα νανοσωματίδια με κανναβιδιόλη προστέθηκαν με έγχυση ως συστατικό σε αντιφλεγμονώδη κρέμα, για την παρασκευή ενός δεύτερου πειραματικού προϊόντος, μίας κρέμας που θα αξιοποιεί τις ευεργετικές δράσεις της κανναβιδιόλης για να καταπολεμά άλγη του δέρματος και των γύρω ιστών. Η επιτυχής προσθήκη των νανοσωματιδίων και η ακεραιότητα τους και διατήρηση της μορφολογίας τους στο εσωτερικό της κρέμας εξετάστηκε με τις τεχνικές AFM και SEM. Τα αποτελέσματα των μελετών που πραγματοποιήθηκαν δείχνουν επιτυχή σχηματισμό πολλών διαφορετικών νανοσωματιδιακών διασπορών που φέρουν φάρμακα ή φυτοφαρμακευτικές ουσίες, καθώς και επιτυχή σχηματισμό δύο πειραματικών προϊόντων νανοϊατρικής, με υποσχόμενα αποτελέσματα για την αξιοποίηση νανοσωματιδιακών φορέων στην καταπολέμηση ανθεκτικών λοιμώξεων, και στην επιτυχή αξιοποίηση φυτοφαρμακευτικών ουσιών μέσω της νανοϊατρικής.
description: Infections by antibiotic-resistant microorganisms are developing into a major clinical problem globally, causing a significant increase in morbidity and mortality. Due to the significantly high resistance of new strains of pathogens, available courses of treatment are often ineffective, with their effectiveness being reduced constantly. Nanomedicine has the potential to present new, revolutionary solutions to this problem, mainly through the encapsulation of antibiotic drugs in nanoparticles, allowing for more reliable and effective transfer of a sufficient therapeutic concentration of antibiotics at the heart of the infection, which will lead to eradication of the infection before development of resistance by the pathogens is possible. On a parallel note, the combination of the field of phytopharmaceutical agents and that of nanomedicine, has attracted significant interest from the scientific community lately. Phytopharmaceutical substances often present significant beneficial actions, but their use is hampered by their low bioavailability. Nanomedicine, through the encapsulation of these agents in nanoparticles, can help ensure higher bioavailability, enabling these agents to yield their beneficial actions, without being hampered by the innate problems their molecules present. In the experimental part of this thesis, multiple nanoparticle formulations were created with the electrospraying method. Some of the dispersions were loaded with the antibiotic drug Ciprofloxacin, whereas others were loaded with the phytopharmaceutical agents Cannabidiol and Curcumin. The nanoparticles were characterized morphologically with the AFM and SEM techniques. An optimization procedure was then conducted by adjusting the electrospraying parameters during the nanoparticle formulation step, based on the morphology results that were extracted with AFM/SEM, to eventually produce nanoparticles with the best possible morphology. The nanoparticles’ ability to be loaded with the active agents was then examined, followed by the mechanism and duration by which the active agents were released from the nanoparticles’ interior to a dilution medium. The cytocompatibility of the nanoparticles was also examined, by testing the ability of cells to proliferate on a surface covered with the nanoparticles. The Ciprofloxacin-loaded nanoparticles were added as an antimicrobial coating on an indwelling catheter, with the aim of producing a catheter that will be able to resist and combat resistant microbial infections of the urinary tract. The catheter’s nanoparticle coating was examined with optical microscopy, to check its uniformity on a catheter-wide scale, and with AFM to check for nanoparticle integrity after being sprayed on the catheter. The Cannabidiol-loaded nanoparticles were added as an ingredient in an anti-inflammatory cream, to produce a cream that would make use of the properties of Cannabidiol to help cure pain on the skin and subcutaneous tissues or ligaments. Samples of the cream were tested with AFM and SEM microscopy to check for successful addition of the nanoparticles and to check for their integrity and stable morphology after being added. The results of all studies conducted herein show the successful formulation of several different drug-loaded and phytopharmaceutical-loaded nanoparticle dispersions, and the successful creation of two experimental nanomedicine products, with promising results in utilizing nanoparticles against resistant infections, and in the utilization of active phytopharmaceutical agents via nanomedicine.