Metformin kontrollü salımını yapan nanotransmembran sistemlerinin geliştirmesi  ve  diabetes mellitus tedavisinde kullanımının incelenmesi
Development of nanotransmembrane systems for controlled release of metformin and study of its use in treatment of  diabetes mellitus
Yazar: ABDOUL NZEYIMANA
Danışman: PROF. DR. SİNAN AKGÖL
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyokimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Diyabet mellitus son yıllarda giderek artan bir şekilde aşırı mortalite ve morbidite ile ilişkili ciddi bir halk sağlığı sorunu haline gelmiştir. Fizyolojik kan glukoz seviyesinin korunması, terapötik uygulamalar için erişilebilir bir amaç olmalıdır. Metformin, diyabet mellitus yönetimi için birinci tercih olmasına rağmen, zayıf farmakokinetiği, etkili bir dozun farmakolojik bölgelerine ulaşması konusunda bir zorluk oluşturmaktadır. İyi bilinen ve uygulanan ilaçların yeni ilaç taşıma sistemlerine yeniden formülasyonu, ileri düzeyde faydalı etkinlik göstermiştir. Bu bağlamda, geliştirilen bir taşıma sistemi kullanarak kontrollü metformin salımının araştırılması dört kategoride gerçekleştirildi: İlk olarak, HEMA ve MAPA monomerlerinin yüzey aktif madde içermeyen emülsiyon polimerizasyonu ve UV-fotopolimerizasyon teknikleri kullanılarak poli(HEMA-MAPA) nanopartiküller ve poli(HEMA-MAPA) hidrojel membranlar üretilerek polimerizasyonu gerçekleştirildi. İkinci olarak, sentezlenen polimerik sistemler FTIR, SEM, zeta boyutu, elementel analiz, yüzey alanı, şişme çalışmaları ve temas açısı kullanılarak karakterize edildi. Üçüncü olarak, ilaç yüklü nanopartiküller ve hidrojel membranlar optimizasyon koşulları altında geliştirildi. Son olarak, in vitro ilaç salımı araştırması ve deneysel verilerin matematiksel modelleme analizi yapıldı.
Poli (HEMA-MAPA) nanopartiküllerine gelince, karakterizasyonları ortalama çapı 249,7 nm olan yuvarlak partiküller ve yaklaşık olarak 1208,6 m²/g yüzey alanı gösterdi. Metforminin nanopartiküllere adsorpsiyonunun ilacın konsantrasyonuyla orantılı olarak arttığı gözlendi. En yüksek test edilen konsantrasyon 500 ppm idi ve bu koşullarda pH 7,0'de yaklaşık olarak 231 mg/g potansiyel bir emilim sağladı. Bu pH koşulu, metforminin mono-protonlu formu (MET+) olduğu anlamına gelir ki bu durum, nanopartikül yüzeyindeki kovalent olmayan etkileşimler aracılığıyla olumlu bir adsorpsiyon ortamını destekler. Yalancı-ikinci mertebe kinetik modeli ve tip II Langmuir izotermi adsorpsiyon sürecini karakterize etti. Gibb's enerji değerlerine göre, adsorpsiyon mekanizması olası ve spontandı. İn vitro salım çalışmasında, optimize edilmiş koşullar altında (pH 7,4 ve 37 °C) 7 gün boyunca gözlenen en yüksek salım 115,6 mg/g olarak gerçekleşti. Hidrojel membranlar için, in situ ve sonradan yükleme yöntemleri ile metformin (MET) yükleme işlemleri yapıldı ve yüksek MET salımı mono-protonlu metformin ile pH 7,4 ve 37 °C'de gözlemlendi. "İn situ" yönteminde maksimum salım %70,2 iken, "sonradan yükleme" yönteminde bu oran 24 saat içinde toplam miktarın % 80,3'üne çıktı.
Hem nanopartiküller hem de hidrojel membranlar, hazırlanan sistemler içindeki iç etkileşimler tarafından yönlendirilen MET salımını sergiledi. Bu etkileşimler, çözünme ortamının yavaşça nüfuzunu etkileyerek ilaç salımının yavaşlamasına neden oldu. MET'in nanopartiküllerden ve hidrojel membranlardan salım çalışmalarının ardından, MET salımının matematiksel modellemesi, deneysel verilerin sadece Fickian difüzyonunu takip ettiğini gösterdi. Metformin salımı Higuchi ve sıfır-sıra modellerine uyarlandı.Ön sonuçlar, hazırlanan yeni ilaç dağıtımının metformin salımını kontrol edebileceğini gösterdi ve bu, in vivo salım araştırması için bir sonraki adıma geçmeyi mümkün kılar. Klinik çalışmalar, MET'in karaciğere ulaşan miktarının %90'ının 12 saat sonra idrar yoluyla atıldığını rapor etmiştir. Bu nedenle, hazırlanan yeni taşıma sistemleri düşük konsantrasyonlu kontrollü salım için bir alternatif olabilmektir.

Abstract:
Diabetes Mellitus has increasingly become a serious public health problem associated with excess mortality and morbidity in recent years. Maintaining physiological blood glucose should be an achievable purpose for therapeutic applications. Although metformin is a first choice for diabetes mellitus management, its weak pharmacokinetics render a challenge for an effective dose to reach pharmacological sites. Reformulation of the well-known and applied drugs in new drug delivery systems has shown advanced beneficial effectiveness. In this context, the investigation of controlled metformin release using a developed delivery system was conducted into four categories: First, the polymerization of HEMA and MAPA monomers using surfactant-free emulsion polymerization and UV-photopolymerization techniques with the production of poly (HEMA-MAPA) nanoparticles and poly (HEMA-MAPA) hydrogel membranes, respectively. Second, the synthesized polymeric systems were characterized using FTIR, SEM, zeta size, elemental analysis, surface area, swelling studies, and contact angle. Third, drug-loaded nanoparticles and hydrogel membranes were performed under optimization conditions. Lastly, in vitro drug release investigation and the mathematical modeling analysis of experimental data.
Regarding the poly (HEMA-MAPA) nanoparticles, their characterization revealed spherical particles with an average diameter of 249.7 nm and a surface area of about 1208.6 m²/g. The adsorption of metformin onto the nanoparticles was observed to rise proportionally with the drug's concentration. The highest concentration tested was 500 ppm, leading to a potential absorption of around 
231 mg/g at pH 7.0. This pH condition corresponds to metformin being in its mono-protonated form (MET+), which fosters a favorable adsorption environment through non-covalent interactions on the nanoparticle surface. The pseudo-second-order kinetic model and type II Langmuir isotherm characterized the adsorption process. According to Gibb's energy values, the adsorption mechanism was feasible and spontaneous. In the in vitro release study, the highest observed release was 
115.6 mg/g under optimized conditions (pH 7.4 and 37 °C) over 7 days. For hydrogel membranes, two methods of MET loading hydrogel membranes containing in situ and post-loading were conducted, and the high MET release was observed at pH 7.4 and 37 oC in the mono-protonated metformin. In the "in situ" method, the maximum release was 70.2%, whereas for the "post-loading" method, it became 80.3% of the total amount over 24 hours.
Both nanoparticles and hydrogel membranes exhibited MET release driven by internal interactions within the prepared systems, influencing the gradual penetration of the dissolution medium and consequently leading to the slowdown of drug release. After release studies of MET from nanoparticles and hydrogel membranes, the mathematical modeling analysis of experimental data of MET release indicated that the release mechanism merely followed the Fickian diffusion. The release of metformin fitted Higuchi and zero-order models. The preliminary results indicated that a prepared novel drug delivery might control the release of metformin, which allows moving forward to the next step for the in vivo release investigation. The clinical studies reported that 90% of MET reached the liver is eliminated through urine after 12 hours. Therefore, the prepared novel delivery systems could be an alternative for controlled release with low concentration.