New grafted PLA-g-PEG polymeric nanoparticles used to improve bioavailability of oral drugs

Abstract

Les nanoparticules (NPs) de polymère ont montré des résultats prometteurs pour leur utilisation comme système de transport de médicaments pour une libération contrôlée du médicament, ainsi que pour du ciblage. La biodisponibilité des médicaments administrés oralement pourrait être limitée par un processus de sécrétion intestinale, qui pourrait par la suite être concilié par la glycoprotéine P (P-gp). La dispersion de la Famotidine (modèle de médicament) à l’intérieur des nanoparticules (NPs) pegylées a été évaluée afin d’augmenter la biodisponibilité avec du polyéthylène glycol (PEG), qui est connu comme un inhibiteur de P-gp. L’hypothèse de cette étude est que l’encapsulation de la Famotidine (un substrat de P-gp) à l’intérieur des NPs préparées à partir de PEG-g-PLA pourrait inhiber la fonction P-gp. La première partie de cette étude avait pour but de synthétiser quatre copolymères de PEG greffés sur un acide polylactide (PLA) et sur un squelette de polymère (PLA-g-PEG), avec des ratios de 1% et 5% (ratio molaire de PEG vs acide lactique monomère) de soit 750, soit 2000 Da de masse moléculaire. Ces polymères ont été employés afin de préparer des NPs chargés de Famotidine qui possède une faible perméabilité et une solubilité aqueuse relativement basse. Les NPs préparées ont été analysées pour leur principaux paramètres physicochimiques tels que la taille et la distribution de la taille, la charge de surface (Potentiel Zeta), la morphologie, l’efficacité d’encapsulation, le pourcentage résiduel en alcool polyvinylique (PVA) adsorbé à la surface des NPs, les propriétés thermiques, la structure cristalline et la libération du médicament. De même, les formules de NPs ont été testées in vitro sur des cellules CaCo-2 afin dʼévaluer la perméabilité bidirectionnelle de la Famotidine. Généralement, les NPs préparées à partir de polymères greffés PLA-g-5%PEG ont montré une augmentation de la perméabilité du médicament, ce par l’inhibition de l’efflux de P-gp de la Famotidine dans le modèle CaCo-2 in vitro. Les résultats ont montré une baisse significative de la sécrétion de la Famotidine de la membrane basolatéral à apical lorsque la Famotidine était encapsulée dans des NPs préparées à partir de greffes de 5% PEG de 750 ou 2000 Da, de même que pour d’autres combinaisons de mélanges physiques contenant du PEG5%. La deuxième partie de cette étude est à propos de ces NPs chargées qui démontrent des résultats prometteurs en termes de perméabilité et d’inhibition d’efflux de P-gp, et qui ont été choises pour développer une forme orale solide. La granulation sèche a été employée pour densifier les NPs, afin de développer des comprimés des deux formules sélectionnées de NPs. Les comprimés à base de NPs ont démontré un temps de désintégration rapide (moins d’une minute) et une libération similaire à la Famotidine trouvée sur le marché. Les résultats de l’étude du transport de comprimés à base de NPs étaient cohérents avec les résultats des formules de NPs en termes d’inhibition de P-gp, ce qui explique pourquoi le processus de fabrication du comprimé n’a pas eu d’effet sur les NPs. Mis ensemble, ces résultats montrent que l’encapsulation dans une NP de polymère pegylé pourrait être une stratégie prometteuse pour l’amélioration de la biodisponibilité des substrats de P-gp.

Polymeric nanoparticles (NPs) have shown promising results to be used as drug delivery carriers for controlled drug release and for targeting. The bioavailability of orally administrated drugs might be limited by an intestinal absorbed secretion process, which could in turn be mediated by P-glycoprotein (P-gp). The dispersion of Famotidine (drug model) within PEGylated nanoparticles (NPs) was evaluated in order to enhance the bioavailability using polyethylene glycol (PEG), which is known as a P-gp inhibitor. The hypothesis of this study is that the encapsulation of Famotidine into NPs prepared from PEG-g-PLA could inhibit the P-gp function. The first part of the study aimed to synthesize four copolymers of PEG grafted on a polylactide acid (PLA) polymer backbone (PLA-g-PEG) with ratios of 1 % and 5 % (molar ratio of PEG vs lactic acid monomer) of either 750 or 2000 Da molecular weights. These polymers have been used to prepare NPs loaded with Famotidine, which has low permeability and relatively low aqueous solubility. Prepared NPs were analyzed for their main physicochemical parameters such as size and size distribution, surface charge, morphology, encapsulation efficiency, percentage of residual poly(vinyl alcohol) (PVA) adsorbed at the surface of the NPs, thermal properties, crystalline structure and drug release. Also, NP formulations were tested in vitro on CaCo-2 monolayer cells in order to assess the bidirectional permeability of Famotidine. Generally speaking, NPs prepared from PLA-g-5%PEG grafted polymers showed improved drug permeability by inhibiting the P-gp efflux of Famotidine in the CaCo-2 in vitro model. Results showed a very significant decrease in the secretion of Famotidine from basolateral to apical when Famotidine was encapsulated in NPs prepared from 5 % grafting of either 750 or 2000 Da PEG, as well as in other combinations of physical mixtures containing PEG5%. The second part of the study is about those loaded NPs which showed promising results in terms of permeability and inhibition of P-gp efflux and which were selected to develop a solid oral dosage form. Dry granulation was used to densify NPs in order to develop tablets of the two selected NP formulations. NP based tablets showed a fast disintegration time (less than one minute) and a similar release profile as marketed Famotidine. The transport study of NP based tablets showed consistent results with NP formulations in terms of P-gp inhibition, which explains why the tablet’s manufacturing process had no effect on NPs. Our results demonstrated that the presence of hydrophilic polymers (PEG) on the surface of NPs grafted at 5 % PEG, irrespective to molecular weights, provides an effective way to control the interface between NPs and the biological systems (P-gp in this case) as they are designed to interact with. Taken together, these results show that encapsulation in a PEGylated polymeric NP could be a promising strategy to improve the oral bioavailability of P-gp substrates.