Pulmoner mukus tabakasına yönelik ilaç taşıyıcı  sistemlerin geliştirilmesi
Development of drug delivery systems for pulmonary mucus layer
Yazar: GÖKÇE ALP
Danışman: PROF. DR. NİHAL AYDOĞAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Akciğerler, yüksek yüzey alanları ve gerçekleştirdikleri gaz alış-verişi ile vücudumuzda solunumun sürdürülmesini sağlayan organlardır ve vücuda alınabilecek patojen, virüs, vb. yapılara karşı çeşitli mekanizmalar ile korunmaktadırlar. Bu mekanizmalardan en etkili olanı solunum yollarını kaplayan mukus tabakasıdır. Biyolojik bir bariyer olan bu tabaka viskoz yapısı ve sahip olduğu siller sayesinde yabancı maddelerin tutulmasını ve mukosiliyer temizlenme ile atılmasını sağlamakta, böylece bağışıklık sistemine katkıda bulunmaktadır. Öte yandan, akciğerlere ya da akciğerlerden vücuda yönelik ilaç taşınımı durumunda ise aşılması zor bir bariyer halini almaktadır. Akciğerlerden ilaç taşınımı, ilaçların sistemik dolaşıma hızlıca katılabilmeleri, ilaç dozajının düşürülebilmesi ve cerrahi işlem gerektirmemesi gibi ayrıcalıkları sayesinde oral/enjeksiyonla terapilere göre tercih edilmektedir. Günümüzde akciğerlerden uygulanan ilaç formülasyonları genellikle yüksek yüzey gerilimine sahiplerdir ve dolayısıyla mukus tabakası üzerindeki yayılımları sınırlıdır. İstenilen hedefe kadar ulaşamayan ilaç formülasyonları/taşıyıcı sistemler, aynı zamanda oldukça viskoz ve kalın olan mukus tabakasından yeterince penetre olamamakta ve dolayısıyla uygulanan ilaç taşıma sistemlerinden verimli bir şekilde yararlanılamamaktadır. Bu durum, tedavinin etkinliğini azaltmakta ve ayrıca kullanılacak ilaç miktarının arttırılmasına neden olmaktadır. Günümüzde mukosiliyer temizlenmeye uğramadan, mukus tabakasından yüksek miktarda penetre olabilen bir ilaç taşıyıcı sistemin geliştirilmesi beklenmektedir. Mukus tabakasından penetrasyonun sağlanması, boyut parametresinin dışında mukus-ilaç taşıyıcı sistem etkileşimlerine de bağlı olan, optimize edilmesi zor bir problemdir. 
Bu tez çalışmasının amacı, solunum yollarını kaplayan mukus tabakası üzerinde etkili bir şekilde yayılabilen, ilaç taşınımını kolaylaştıracak bir formülasyonun geliştirilmesi ve bu formülasyonun taşıyacağı lipit bazlı ilaç taşıyıcı yapıların da mukus tabakasından yüksek oranda penetre olabilmelerini sağlamaktır. Bu tez çalışması ile literatürde ilk defa akciğerlerden ilaç taşınımı solunum yolları üzerindeki yayılımdan başlayarak bir bütün olarak ele alınmış; yayılım ve penetrasyon mekanizmaları bir arada incelenmiştir. 
Çalışmanın ilk bölümünde mukus tabakası üzerinde etkili yayılımı sağlayacak formülasyonun geliştirilmesi için çalışılmıştır. Yapılan çalışmada farklı tür surfaktanlar ile partikül takip yöntemi kullanılarak çalışılmış ve literatürde ilk defa mukus tabakası üzerinde Marangoni-baskın yayılımı sağlamak amacıyla DTAB/AOT katanyonik karışımlarının kullanılması önerilmiştir. Bahsi geçen karışımlardan özellikle xDTAB=0.8 ve xDTAB=0.7 içeren karışımların sinerjik etkileşim göstererek hem mukus, hem de kistik fibroz model mukus tabakası üzerinde Marangoni-baskın yayılımı sağladığı belirlenmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında kullanılması planlanan katı lipit nanopartiküller(KLN) ve nano yapılı lipit taşıyıcıların(NLC) sentezlenmesinden sonra mukus ile etkileşimleri belirlenmiş ve en düşük zeta potansiyel değerine sahip KLN3 kodlu nanopartiküllerin ve NLClerin, hem çözelti halindeki musin, hem de hava/sıvı ara yüzeyindeki musin tabakası ile neredeyse etkileşime girmeyerek etkili penetrasyon sağlayabileceği ışık saçılımı yöntemi, zeta potansiyel ölçümleri, Langmuir-Blodgett trough cihazı ve atomik kuvvet mikroskopu(AFM) ile elde edilen ölçümler ile belirlenmiştir. Çalışmanın son bölümünde ise KLN3 ve NLClerin penetrasyon çalışmaları Franz difüzyon hücresi ve döngüsel difüzyon tüpleri ile gerçekleştirilmiştir. Franz difüzyon hücresi ile normalden oldukça kalın mukus tabakası ile çalışılmış ve KLN3 ve NLClerin sırasıyla %27.8 ve %33.4 olmak üzere literatürdeki çalışmalara göre daha yüksek oranda penetre olabildikleri belirlenmiştir. Döngüsel difüzyon tüpleri ile ulaşılan sonuçlar da partiküllerin efektif olarak penetre olabildikleri sonucunu desteklemektedir. Ayrıca, kitosan ile kaplanan KLN3 partiküllerinin, musin tabakasının gözenek boyutunu büyüterek NLClerin penetrasyon miktarını arttırabildiği tespit edilmiştir. Yapılan çalışma akciğerlerden ilaç taşınımı için kritik parametreleri bir arada inceleyen ilk çalışma olup, elde edilen sonuçlar açısından öncül niteliktedir.

Abstract:
Lungs are critical organs for human body, which provide healthy respiration. During respiration, lungs are exposed to pathogens/viruses, and they are protected by the mucus layer. The presence of the mucus layer contributes to immune system with its ability to trap and clean the exogenous matter. In case of drug delivery to/through lungs, this layer acts as a strong barrier against spreading and penetration of drug formulations. Pulmonary route is considered to be advantageous for drug delivery as it provides direct access to epithelial sites, low catabolyic enzmatic activity,etc. Drug formulations applied to lungs are generally dissolved in saline, posessing high surface tension. So, spreading of these kinds of solutions on the pulmonary mucus layer are limited. Another problem is the poor penetration ability of the drug carrier systems through the mucus. These problems decrease the effectiveness of the treatment. Enhancing the diffusion of the drug carriers is an important problem, since penetration of carriers are considerably hindered by the mucus via several interactions which should be unterstood and optimized well. 
The aim of this study is to develop a formulation which is able to spread effectively on mucus layer. It is also aimed to provide efficient penetration of the lipid-based nanoparticles, which are transported with the spreading formulation. To our knowledge, this study is the first one that investigates the drug delivery through lungs as a whole process including spreading and penetration of lipid-based nanoparticles. 
At the first part of the study, spreading performances of different types of surfactants are investigated via particle tracking experiments and for the first time in the literature, it is proposed to use DTAB/AOT catanionic surfactant mixtures to maintain Marangoni-dominated spreading. Especially, the mixtures composed of xDTAB=0.8 and xDTAB=0.7 displayed synergistic interaction and provided super-spreading both on mucus and cystic-fibrosis mucus subphases. At the second part, solid lipid nanoparticles(SLN) and nanostructured lipid carriers(NLC) are synthesized and their interaction with mucus are analyzed. From the results obtained with the light scattering, zeta potential, atomic force microscope(AFM) measurements and Langmuir-Blodgett trough experiments, it is found that the particles KLN3 and NLC showed nearly zero interaction with the mucin both in the solution form and also at the mucin/air interface. At the last part of the study, penetration performances of these particles are investigated with Franz diffusion cell and rotating diffusion tubes. It is determined that 27.8% and 33.4% of KLN3 and NLC, respectively, can penetrate through the 2.65 mm-thick mucus layer, which are higher percentages than the results reported in the literature. The results obtained from the rotating diffusion tube have also verified that these particles can diffuse through the mucus layer. Moreover, the surfaces of KLN3 are modified with mucoadhesive chitosan, which is used to increase the pore size of mucin layer and thus the penetrated amount of NLCs is increased. As a conclusion, current study is the first one that investigates critical parameters for drug delivery through lungs together and the results obtained from this study are promising in terms of successful treatments.