Investigation of branched and linear polymers as oral delivery systems of antimalarial drugs

Abstract

Malaria is an infectious disease that affects nearly half of the population in 90 countries around the world. In 2017 it was estimated that there were 219 million cases and 435,000 deaths disproportionately distributed worldwide. Indeed, 92 % of malaria cases and 93 % of malaria deaths occur in Africa, while the remaining of the cases are distributed among South East-Asia, Eastern Mediterranean, Western Pacific, and the Americas. Vast global efforts and large economic investments have been made to reduce, control and eliminate malaria, resulting in a great reduction of the incidence in the last two decades. Nevertheless, malaria remains a global public health issue. Actually, malaria in humans is caused by an intracellular protist which has an extremely complicated live cycle that occurs within two hosts, the human and the Anopheles vector. There are five parasite species of the genus Plasmodium capable to infect humans P. ovale, P. malariae, P. knowlesi, P. vivax and P. falciparum, the latter being responsible for the majority of the morbidity and mortality of this disease. Malaria is a treatable disease, however antimalarial drugs must cross at least three sequential membranes (EPM, PVM and PPM) in order to enter the intracellular parasite and reach appropriate therapeutic concentrations; reason why they required drug delivery systems (DDSs). In fact, nano-DDSs have shown to have a positive effect on disease treatment providing solutions to solubility, pharmacokinetics, target selectivity, and/or protection against degradation, resulting in a drug half-life increased. The aim of this thesis was to characterize different polymeric nanocarrier, branched or dendrimeric (DHP-bMPA and HDLDBC-bGMPA) and linear polyamidoamines (PAAs) (AGMA1, ISA1, ISA23 and ARGO7), as oral drug delivery systems. Results obtained performing in vitro experiments demonstrated that PAAs and dendrimers have low unspecific toxicity, no hemolitic activity, specific pRBCs targeting and drug encapsulation capacity. Furthermore, PAAs displayed slow degradation, affinity to parasite proteins, which could explain the preferential binding to pRBCs, and intake by macrophages, indicating PAAs potential to treat other intracellular parasitic disease like Leishmaniasis. Additionally, dendrimers that form spontaneous micellar carrier, and bind to merozoites, showed an intake by HUVEC cells in different location, which could be further investigated to treat as well other disease. On the other hand, encapsulated drugs with the two types of polymers showed optimal in vivo capacity to inhibit Plasmodium growth after i.v or oral administration. Moreover, when PAA-FITC where given to female mosquitoes’ fluorescence was observed in the midgut and in the insect’s tissues. In conclusion, the date showed in this thesis work presented the branched and the linear polymers investigated as a versatile platform for the encapsulation of orally administrated antimalarial drugs, for the direct administration of antimalarial to mosquitoes, and as potential carriers for the treatment of other parasitic diseases.

La malària és una malaltia infecciosa que afecta gairebé a la meitat de la població de 90 països d'arreu del món. El 2017 s'estima que va provocar 219 milions de casos i 435.000 morts, el 92% de casos i el 93% de morts es produïren a l'Àfrica. Els darrers anys s'han fet grans esforços globals i inversions econòmiques per reduir, controlar i eliminar la malària, cosa que ha comportat una gran reducció de la incidència en els últims 20 anys. No obstant això, aquesta malaltia continua sent un problema de salut pública global. En humans és causada per un protozou del gènere Plasmodium i concretament se’n coneixen cinc espècies diferents. Però la causant de més morbiditat i mortalitat és P. falciparum. La malaltia en si és tractable, però els fàrmacs antipalúdics han de creuar com a mínim tres barreres seqüencials per tal d'arribar al paràsit a una concentració suficientment elevada. Per això aquests principis actius requereixen sistemes d'administració de fàrmacs que han demostrat tenir efectes positius. L'objectiu d'aquesta tesi ha estat caracteritzar polímers ramificats (DHP-bMPA i HDLDBC-bGMPA) i lineals (AGMA1, ISA1, ISA23 i ARGO7) per l'administració oral d'antipalúdics. Els resultats obtinguts realitzant experiments in vitro i in vivo han demostrat que tots dos tipus de polímers tenen baixa toxicitat inespecífica, no tenen activitat hemolítica, tenen especificitat per pRBCs i bona capacitat d'encapsulació. Els PAAs han demostrat tenir una degradació lenta, afinitat per proteïnes del paràsit, i capacitat per entrar dins de macròfags, una propietat interessant per tractar altres malalties. A més a més els ramificats s'uneixen a merozoites i entren en macròfags. D'altra banda els medicaments encapsulats amb qualsevol dels dos tipus de polímers han mostrat una capacitat òptima in vivo per inhibir el creixement del Plasmodiuim després de l’administració i.v o oral. Per últim, PAAs-FITC administrats a mosquits femelles, s’han pogut observar a l'intestí i altres teixits. Per tant es pot concloure, que les dades recollides en aquesta tesi demostren que tant polímers ramificats com lineals són una plataforma versàtil per a l'encapsulació de medicaments antipalúdics per ser administrat via oral, per a l’administració directa a mosquits, i potencials nanocarriers pel tractament d’altres malalties parasitàries.