Optimización del proceso de liofilización de sistemas nanoestructurados de flurbiprofeno para uso oftálmico y su influencia en el comportamiento biofarmacéutico

Abstract

En este trabajo se ha llevado a cabo la optimización del proceso de liofilización de sistemas nanoestructurados biodegradables de poli-Ɛ-caprolatona (PƐCL), de estructura matricial, para administración ocular de Flurbiprofeno, evaluando su influencia, una vez esterilizados por irradiación gamma, en el comportamiento biofarmacéutico, tolerancia ocular y eficacia terapéutica.

Aunque la morfometría (tamaño promedio de partícula (Zav) e índice de polidispersión (PI)), la carga superficial y la eficiencia de encapsulación (EE) de las nanopartículas de flurbiprofeno (FB-PƐCL-NPs), desarrolladas por la técnica del desplazamiento del solvente en presencia de poloxamer 188 (P188), fueron adecuadas para administración ocular, presentaron una estabilidad a largo plazo limitada, por lo que fueron sometidas al proceso de liofilización.

Como agentes protectores durante el proceso de liofilización se seleccionaron la trehalosa (TRE) y el polietilenglicol 3350 (PEG), analizando su capacidad crioprotectora (congelación rápida y lenta) y la del P188 en la morfometría de las nanopartículas. El secado primario, se diseñó en base a la temperatura de colapso de las formulaciones y al incremento de la velocidad de sublimación. Los parámetros del secado secundario se determinaron mediante un diseño de experimentos analizando el efecto de las variables independientes del producto (concentración del estabilizante y del agente protector) y del proceso (temperatura de la bandeja y tiempo del secado secundario) en la morfometría, carga superficial, EE , humedad residual, osmolaridad y estabilidad de las NPs, lo que permitió seleccionar las formulaciones más apropiadas para vía ocular.

Las FB-PƐCL-NPs optimizadas con P188 al 3.5 % (p/p) y protegidos con PEG al 8 % (p/p) fueron sometidas a un periodo de pre-enfriamiento a +10 °C durante 1 h, congelación a -50 ºC durante 4 h, secado primario a +5 ºC y 0.140 mbar durante 24 h y un secado secundario de +45 ºC durante 10 h. En estas condiciones las nanopartículas presentaron un tamaño promedio de 188.4 ± 1.3 nm (IP de 0.087 ± 0.014), - 16.4 ± 0.1 mV de ZP, 85.5 % de EE y una osmolaridad de 325 ± 7 mOsmol/Kg, con una baja humedad residual (0.61 ± 0.12 %)

Asimismo, las FB-PƐCL-NPs estabilizadas con P188 al 1.66 % (p/p) y protegidas con TRE al 5 % (p/p) mostraron características apropiadas para administración ocular, si

bien su estabilidad en suspensión fue inferior a las que contenían PEG. Ambas formulaciones una vez liofilizadas mantuvieron sus propiedades a largo plazo (12 meses).

Los análisis espectroscópicos y térmicos de las nanopartículas confirmaron una interacción química adecuada entre los componentes de las formulaciones indicando la dispersión del fármaco en el polímero. Ambas formulaciones fueron esterilizadas por irradiación gamma, analizando sus características reológicas, que mostraron un significativo incremento de la viscosidad tras la adición del agente protector.

El análisis del comportamiento biofarmacéutico in vitro muestra un perfil de liberación sostenida del fármaco. Los análisis de permeación ocular ex vivo sugieren que la presencia de PEG influye en la reducción de la permeación transcorneal de flurbiprofeno, inversamente a la TRE, que mejoró la permeación del activo especialmente tras irradiación gamma. Además, el estudio de la permeación transescleral indicó que el activo atraviesa este tejido sin mostrar ninguna afinidad significativa por los distintos excipientes.

En base a los ensayos de tolerancia ocular y eficacia, ambas formulaciones se consideran no irritantes, mostrando las nanopartículas protegidas con PEG efectos antiinflamatorios oculares más duraderos que las de TRE, siendo ambas más eficaces que la solución de fármaco libre. La estabilidad en suspensión de ambas formulaciones superó el mes de estudio.

Estos sistemas poliméricos optimizados podrían constituir, tras el desarrollo clínico adecuado, una nueva forma de administración de flurbiprofeno, de interés en la prevención de la inflamación secundaria a cirugía ocular.

This study is focused on the optimization of the freeze-drying (FD) process to improve long-term stability of flurbiprofen loaded poly-Ԑ-caprolactone nanoparticles (FB-PԐCL-NPs) for ocular administration.

FB-PԐCL-NPs, prepared by solvent displacement method with poloxamer 188 (P188) as a stabilizer, showed morphometrical properties suitable for this administration route, but a limited long-term stability. Freezing and primary drying (PD) were studied and optimized through freeze-thawing test and FD microscopy. A DoE was used to accurate secondary drying (SD) conditions and components concentration. Formulations were submitted to FD and γ-irradiation using polyethylene glycol 3350 (PEG) or d-(+)-trehalose (TRE), as protectant agents, selected according to desired ocular physicochemical properties. DSC and XRD spectra confirmed adequate chemical interaction between formulation components.

The in vitro biopharmaceutical behavior of FB-PԐCL-NPs formulations showed a sustained drug release profile. The ex vivo permeation analysis suggested that the presence of PEG results in a reduction of FB transcorneal permeation, contrary to TRE which improved it especially after γ-irradiation. Furthermore, the formulations showed no significant affinity in increasing FB transscleral permeation.

According to antiinflammatory efficacy and ocular tolerance assays, irradiated FB-PԐCL-NPs protected with PEG have longer anti-inflammatory effects than those protected with TRE, being both formulations more effective than the free drug and considered as non-irritant products.

This study concluded that optimized FB-PԐCL-NPs, stabilized with 3.5% (w/w) P188 and protected with 8% (w/w) PEG and submitted to precooling at +10 °C for 1 h, freezing at -50 °C for 4 h, PD at +5 °C and 0.140 mbar for 24 h and a SD at +45 °C during 10 h, showed: 188.4 ± 1.3 nm, 0.087 ± 0.014, 85.5 ± 1.4 % and -16.4 ± 0.1 mV and 0.61 ± 0.12 % of average size, polydispersity index, entrapment efficiency, and surface charge and residual moisture, respectively, without significant differences after 12 months storage. After their aqueous reconstitution, they showed the conditions required for eye-drops (osmolality and stability)

This promising colloidal system resulted from rational cooperation between a good formulation and the right conditions in the FD process and could be an alternative to flurbiprofen solution for ocular application in clinical trials.