Polysaccharide-based Polyion Complex Micelles as New Delivery Systems for Hydrophilic Cationic Drugs

Abstract

Les micelles polyioniques ont émergé comme des systèmes prometteurs de relargage de médicaments hydrophiles ioniques. Le but de cette étude était le développement des micelles polyioniques à base de dextrane pour la relargage de médicaments hydrophiles cationiques utilisant une nouvelle famille de copolymères bloc carboxymethyldextran-poly(éthylène glycol) (CMD-PEG). Quatre copolymères CMD-PEG ont été préparés dont deux copolymères identiques en termes de longueurs des blocs de CMD et de PEG mais différent en termes de densité de charges du bloc CMD; et deux autres copolymères dans lesquels les blocs chargés sont les mêmes mais dont les blocs de PEG sont différents. Les propriétés d’encapsulation des micelles CMD-PEG ont été évaluées avec différentes molécules cationiques: le diminazène (DIM), un médicament cationique modèle, le chlorhydrate de minocycline (MH), un analogue semi-synthétique de la tétracycline avec des propriétés neuro-protectives prometteuses et différents antibiotiques aminoglycosidiques. La cytotoxicité des copolymères CMD-PEG a été évaluée sur différentes lignées cellulaires en utilisant le test MTT et le test du Bleu Alamar. La formation de micelles des copolymères de CMD-PEG a été caractérisée par différentes techniques telles que la spectroscopie RMN 1H, la diffusion de la lumière dynamique (DLS) et la titration calorimétrique isotherme (ITC). Le taux de relargage des médicaments et l’activité pharmacologique des micelles contenant des médicaments ont aussi été évalués. Les copolymères CMD-PEG n'ont induit aucune cytotoxicité dans les hépatocytes humains et dans les cellules microgliales murines (N9) après 24 h incubation pour des concentrations allant jusqu’à 15 mg/mL. Les interactions électrostatiques entre les copolymères de CMD-PEG et les différentes drogues cationiques ont amorcé la formation de micelles polyioniques avec un coeur composé du complexe CMD-médicaments cationiques et une couronne composée de PEG. Les propriétés des micelles DIM/CMDPEG ont été fortement dépendantes du degré de carboxyméthylation du bloc CMD. Les micelles de CMD-PEG de degré de carboxyméthylation du bloc CMD ≥ 60 %, ont incorporé jusqu'à 64 % en poids de DIM et ont résisté à la désintégration induite par les sels et ceci jusqu'à 400 mM NaCl. Par contre, les micelles de CMD-PEG de degré de carboxyméthylation ~ 30% avaient une plus faible teneur en médicament (~ 40 % en poids de DIM) et se désagrégeaient à des concentrations en sel inférieures (∼ 100 mM NaCl). Le copolymère de CMD-PEG qui a montré les propriétés micellaires les plus satisfaisantes a été sélectionné comme système de livraison potentiel de chlorhydrate de minocycline (MH) et d’antibiotiques aminoglycosidiques. Les micelles CMD-PEG encapsulantes de MH ou d’aminoglycosides ont une petite taille (< 200 nm de diamètre), une forte capacité de chargement (≥ 50% en poids de médicaments) et une plus longue période de relargage de médicament. Ces micelles furent stables en solution aqueuse pendant un mois; après lyophilisation et en présence d'albumine sérique bovine. De plus, les micelles ont protégé MH contre sa dégradation en solutions aqueuses. Les micelles encapsulant les drogues ont maintenu les activités pharmacologiques de ces dernières. En outre, les micelles MH réduisent l’inflammation induite par les lipopolysaccharides dans les cellules microgliales murines (N9). Les micelles aminoglycosides ont été quant à elles capable de tuer une culture bactérienne test. Toutefois les micelles aminoglycosides/CMDPEG furent instables dans les conditions physiologiques. Les propriétés des micelles ont été considérablement améliorées par des modifications hydrophobiques de CMD-PEG. Ainsi, les micelles aminoglycosides/dodecyl-CMD-PEG ont montré une taille plus petite et une meilleure stabilité aux conditions physiologiques. Les résultats obtenus dans le cadre de cette étude montrent que CMD-PEG copolymères sont des systèmes prometteurs de relargage de médicaments cationiques.

Polyion complex (PIC) micelles have emerged as promising delivery systems of ionic hydrophilic drugs. It was the aim of this study to develop dextran-based PIC micelles for the delivery of hydrophilic cationic drugs using a new family of carboxymethyldextranblock- poly(ethylene glycol) (CMD-PEG) copolymers. Four CMD-PEG copolymers were prepared: (i) two copolymers identical in terms of the length of CMD and PEG blocks, but different in terms of the charge density of the CMD block; and (ii) two copolymers in which the charged block is the same, but the PEG block is of different molecular weight. The micellization of CMD-PEG copolymers and drug delivery aspects of the resulting micelles were evaluated using different cationic drugs: diminazene (DIM), a model cationic drug, minocycline hydrochloride (MH), a semisynthetic tetracycline antibiotic with promising neuroprotective properties and different aminoglycoside antibiotics. The cytotoxicity of CMD-PEG copolymers was evaluated in different cell lines using MTT and Alamar blue assays. CMD-PEG micelles encapsulating different drugs were characterized using different techniques, such as 1H NMR spectroscopy, dynamic light scattering (DLS), and isothermal titration calorimetry (ITC). The pattern of drug release and pharmacological activity of micelles-encapsulated drugs were also evaluated. The CMD-PEG copolymers did not induce cytotoxicity in human hepatocytes and murine microglia (N9) in concentrations as high as 15 mg/mL after incubation for 24 h. Electrostatic interactions between CMD-PEG copolymers and different cationic drugs triggered the formation of PIC micelles with a CMD/drug core and a PEG corona. The properties of DIM/CMD-PEG micelles were strongly dependent on the degree of carboxymethylation of the CMD block. Micelles of CMD-PEG copolymers having degree of carboxymethylation ≥ 60%, incorporated up to 64 wt% DIM, resisted salt-induced disintegration in solutions up to 400 mM NaCl and sustained DIM release under physiological conditions (pH 7.4, 150 mM NaCl). In contrast, micelles of CMD-PEG of degree of carboxymethylation ~ 30% had lower drug content (~ 40 wt% DIM) and disintegrated at lower salt concentration (∼ 100 mM NaCl). The CMD-PEG copolymer that showed the most satisfactory micellar properties, in terms of high drug loading capacity, sustained drug release and micelles stability was selected as a potential delivery system of minocycline hydrochloride (MH) and different aminoglycosides. CMD-PEG micelles encapsulating either MH or aminoglycosides had small size (< 200 nm in diameter), high drug loading capacity (≥ 50 wt% drug) and sustained drug release. These micelles were stable in aqueous solution for up to one month, after freeze drying and in the presence of bovine serum albumin. Furthermore, the micelles protected MH against degradation in aqueous solutions. Micelles-encapsulated drugs maintained their pharmacological activity where MH micelles reduced lipopolysaccharides-induced inflammation in murine microglia (N9) cells. And aminoglycosides micelles were able to kill a test micro-organism (E. coli X-1 blue strain) in culture. Aminoglycosides/CMD-PEG micelles were unstable under physiological conditions. Micelle properties were greatly enhanced by hydrophobic modification of CMD-PEG. Thus, aminoglycosides/dodecyl-CMD-PEG micelles showed smaller size and better stability under physiological conditions. The results obtained in this study show that CMD-PEG copolymers are promising delivery systems for cationic hydrophilic drugs.