A new plant-based nanovesicle platform based on alkyl polyglucosides and β‑sitosterol for topical delivery

Abstract

Els sistemes d'alliberament controlat s'han utilitzat durant les últimes dècades per millorar l’eficàcia i la seguretat de fàrmacs i altres actius. Les vesícules són una de les opcions més populars com a sistemes d’alliberament per aplicacions farmacèutiques i productes de cura personal. Per superar les limitacions dels primers sistemes vesiculars, com els liposomes convencionals, la recerca ha portat a investigar noves composicions que poden incrementar l’estabilitat i la tolerabilitat de les formulacions vesiculars. Tot i això, aquesta recerca és un procés complex que depèn de diferents factors com els components que es fan servir, les interaccions entre ells o el medi dispersant. Aquesta Tesi Doctoral Industrial presenta el desenvolupament de nous sistemes vesiculars fent servir components d’origen vegetal, biocompatibles i biodegradables com a components de membrana, per aplicacions tòpiques en l’àmbit de la cura personal i la cosmètica. Els nous sistemes d’alliberament s’han preparat fent servir el procés DELOS, una metodologia basada en fluids comprimits que permet preparar formulacions en un sol pas, i que és robusta, escalable i amb un baix impacte mediambiental. Les vesícules s’han obtingut per l’auto-assemblatge del ß-sitosterol (Sit) amb tensioactius de la família dels alquil poliglucòsids, principalment el lauril glucòsid (LGL) i el lauril glucosa carboxilat (LGC). S’han desenvolupat diferents sistemes que s’han caracteritzat amb tècniques avançades com la dispersió dinàmica de llum, la microscòpia electrònica en condicions criogèniques o la dispersió de raig X. Amb l’objectiu d’avaluar el seu rol com a sistemes d’alliberament, diferents actius d’interès pel sector dermocosmètic s’han formulat amb les nanovesícules (NVs) formades per Sit, LGL i LGC. Molècules petites de caràcter hidrofòbic com l'α-tocoferol (vitamina-E), amb activitat antioxidant, i el 7-dehidrocolesterol, un precursor de la vitamina D, han estat carregades de forma eficient a les NVs. A part de les seves propietats fisicoquímiques, la funcionalitat dels actius després d’integrar-los a les NVs també es va avaluar, demostrant que la seva activitat es mantenia. Altrament, també s’han estudiat molècules com l’ascorbil glucòsid (vitamina-C) i la niacinamida (vitamina-B3), ambdues molècules petites de caràcter hidrofílic, o una proteïna com és el factor de creixement de fibroblasts bàsic, que és una biomolècula de més gran. En vistes de l’aplicació tòpica d’aquestes NVs, els prototips més prometedors han estat evaluats en termes de la seva funció biològica in vivo i ex vivo. En primer lloc, s’han dut a terme assajos de biocompatibilitat in vitro amb models d’epidermis humana reconstruïda, obtenint resultats positius per totes les formulacions avaluades i sense efectes irritants. En segon lloc, s’han realitzat estudis de retenció en pell ex vivo fent servir microscòpia d'excitació de dos fotons i NVs marcades amb el fluoròfor vermell Nil. Els resultats han demostrat una millora en la permeació a la pell del fluoròfor en comparació amb la molècula lliure. Finalment, en aquesta Tesi s’han explorat altres aplicacions més enllà de les cosmètiques. Com a prova de concepte, els sistemes vesiculars formats per Sit i LGL s’han modificat amb components acceptats per ús farmacèutic. En particular, dos derivats del colesterol s’han auto-assemblat amb el Sit i el LGL per formar noves NVs: un derivat amb una molècula del polímer PEG (colesterol-PEG600), i un segon derivat amb una amina terciària (DC-colesterol), per obtenir, respectivament, NVs estables no iòniques o catiòniques. Per completar la prova de concepte, l’habilitat d’integrar diferents fàrmacs s’ha estudiat amb les NVs amb DC-colesterol. S’han integrat el cannabidiol, el metotrexat i la hormona de creixement humana, cadascuna amb una estructura química i característiques diferents. En resum, els resultats obtinguts en aquesta Tesi presenten el desenvolupament satisfactori d’una plataforma versàtil de nanovesícules estables i homogènies obtingudes amb ingredients d'origen vental, per a aplicacions tòpiques en la indústria cosmètica farmacèutica.

Los sistemas de liberación controlada se han usado durante las últimas décadas para mejorar la eficacia y seguridad de fármacos. Las vesículas son una de las opciones más populares como sistemas de liberación para aplicaciones farmacéuticas y productos de cuidado personal. Para superar las limitaciones de los primeros sistemas vesiculares, como los liposomas convencionales, la investigación ha llevado a encontrar nuevas composiciones que pueden incrementar la estabilidad y la tolerabilidad de las formulaciones de vesículas. No obstante, esta búsqueda es un proceso complejo que depende de distintos factores como los componentes utilizados, sus interacciones o el medio dispersante. Esta Tesis Doctoral Industrial presenta el desarrollo de nuevos sistemas vesiculares usando componentes de origen vegetal, biocompatibles y biodegradables, como componentes de membrana para aplicaciones tópicas en el ámbito del cuidado personal y la cosmética. Los nuevos sistemas de liberación controlada se han preparado usando el proceso DELOS, una metodología que permite obtener formulaciones en un solo paso y que está basada en fluidos comprimidos. Este proceso es robusto, escalable y con un impacto medioambiental bajo. Las vesículas se han formado por el autoensamblaje del β-sitosterol (Sit) y surfactantes de la familia de los alquil poliglucósidos, principalmente el lauril glucósido (LGL) y el lauril glucosa carboxilato (LGC). Se han desarrollado distintos sistemas que se han caracterizado mediante técnicas avanzadas como la dispersión dinámica de luz, la microscopia electrónica criogénica o la dispersión de rayos-X. Con el objetivo de evaluar su rol como sistemas de libración controlada, diferentes ingredientes activos de interés para el sector dermocosmético se han formulado con las nanovesículas (NVs) formadas por Sit, LGL y LGC. Moléculas pequeñas de carácter hidrofóbico como el α-tocoferol (vitamina-E), con actividad antioxidante, y el 7 dehidrocolesterol, (pre-vitamina D), han sido cargadas de forma eficiente en las NVs. Además de las propiedades fisicoquímicas, la funcionalidad de los activos después de integrarlos en las NVs también se evaluó, demostrando que su actividad se mantenía. También se han estudiado moléculas como el ascorbyl glucósido (vitamina-C) y la niacinamida (vitamina-B3), ambas moléculas pequeñas de carácter hidrofílico, o una proteína como el factor de crecimiento de fibroblastos básico, que es una biomolécula más grande. En vistas de la aplicación tópica de estas NVs, los prototipos más prometedores fueron evaluados en base a su función biológica. En primer lugar, se realizaron ensayos de biocompatibilidad in vitro con modelos de epidermis humana reconstruida, obteniendo resultados positivos para todas las formulaciones testeadas y sin efectos irritantes. En segundo lugar, se realizaron estudios de retención en piel ex vivo usando microscopia de excitación de dos fotones y NVs marcadas con el fluoróforo rojo Nilo. Los resultados demostraron una mejora en la permeación en la piel del fluoróforo en comparación a la molécula libre. Finalmente, en esta Tesis se exploraron otras aplicaciones más allá de las cosméticas. Como prueba de concepto, los sistemas vesiculares de Sit y LGL se modificaron con componentes aceptados para uso farmacéutico. En particular, dos derivados del colesterol se han auto-ensamblado con el Sit y el LGL para formar NVs: un derivado con una molécula del polímero PEG (colesterol-PEG600), y otro con una amina terciaria (DC-colesterol), para obtener, respectivamente, NVs estables no-iónicas o catiónicas. Para completar la prueba de concepto, se ha estudiado la integración de distintos fármacos en las NVs con DC-colesterol. Se han formulado el cannabidiol, el metotrexato y la hormona de crecimiento humana, cada una con una estructura química y características distintas. En resumen, los resultados obtenidos en esta Tesis presentan el desarrollo satisfactorio de una plataforma versátil de nanovesículas estables y homogéneas obtenidas con ingredientes de origen vegetal, para aplicaciones tópicas en la industria cosmética y farmacéutica.

Delivery systems have been widely used in the last decades to enhance the efficacy and safety of drugs and active molecules. Vesicles are one of the most popular drug delivery options in pharmaceutical and healthcare applications. To overcome the limitations of the first vesicular systems, such as conventional liposomes, the research has led to finding novel compositions which increase the stability and tolerability of the vesicular formulations. Nonetheless, this search is a challenging process that depends on different factors such as the components used, the interactions between them or the dispersant media. This Industrial Thesis presents the development of new vesicular systems using plant based, biocompatible and biodegradable components as building blocks, for topical delivery in healthcare and cosmetic applications. The new delivery systems have been prepared using the DELOS process, a single-step methodology based on compressed fluids which is robust, scalable and with a low environmental impact. The vesicles were formed by the self-assembly of β-sitosterol (Sit) and alkyl polyglucoside surfactants, mainly lauryl glucoside (LGL) and lauryl glucose carboxylate (LGC). Different systems were developed and characterized by advanced techniques such as dynamic light scattering, cryo electron microscopy and small-angle X-ray scattering. With the objective to evaluate their role as delivery systems, several active ingredients of interest for dermocosmetic applications were formulated in the novel nanovesicles (NVs) of Sit, LGL and LGC. Small hydrophobic molecules like α-tocopherol (vitamin E), an antioxidant ingredient, and 7 dehydrocholesterol, a precursor of vitamin D, were efficiently loaded in the vesicles. Besides their physicochemical properties, the functionality of the payloads after formulation was also characterized proving that both maintained their activity once they were integrated in nanovesicles. Moreover, other types of active molecules were also tested as payloads, such as ascorbyl glucoside (vitamin C) and niacinamide (vitamin B3), both small hydrophilic molecules, and proteins such as basic fibroblast growth factor, which is a larger biomolecule. In view of their topical application, the most promising prototypes were assessed in terms of their biological performance. First, in vitro biocompatibility assays with reconstructed human epidermis showed positive results for all the systems tested, with non-irritant effects. Second, ex vivo skin retention studies using multiphoton microscopy and NVs labelled with the fluorophore Nile red demonstrated improved skin permeability of the poorly water soluble fluorophore in comparison with the free molecule. Finally, exploration of further applications beyond personal care and cosmetics were also evaluated in this Thesis. As a proof of concept, the vesicular systems based on Sit and LGL were tuned with components accepted for pharmaceutical usage. In particular, two derivatives of cholesterol were self-assembled with Sit and LGL to form nanovesicles: a PEG polymer moiety (cholesterol-PEG600) and an ionizable derivative with a tertiary amine (DC cholesterol), which allowed to obtain stable non-ionic or cationic systems, respectively. To complete the proof of concept, the ability to integrate different drug molecules was evaluated for NVs with DC-cholesterol. Cannabidiol, methotrexate and human growth hormone, each payload with different chemical structure and characteristics, were integrated. Overall, the results obtained in this Thesis point to the successful development of an attractive and versatile platform, based on stable and homogeneous nanovesicles composed of plant-derived ingredients, for topical delivery in dermocosmetic, healthcare and pharmaceutical industries.