Non-aqueous silicone elastomer gels as a vaginal microbicide delivery system for the HIV-1 entry inhibitor maraviroc

Aqueous semi-solid polymeric gels, such as those based on hydroxyethylcellulose (HEC) and polyacrylic acid (e.g. Carbopol®), have a long history of use in vaginal drug delivery. However, despite their ubiquity, they often provide sub-optimal clinical performance, due to poor mucosal retention and limited solubility for poorly water-soluble actives. These issues are particularly pertinent for vaginal HIV microbicides, since many lead candidates are poorly water-soluble and where a major goal is the development of a coitally independent, once daily gel product. In this study, we report the use of a non-aqueous silicone elastomer gel for vaginal delivery of the HIV-1 entry inhibitor maraviroc. In vitro rheological, syringeability and retention studies demonstrated enhanced performance for silicone gels compared with a conventional aqueous HEC gel, while testing of the gels in the slug model confirmed a lack of mucosal irritancy. Pharmacokinetic studies following single dose vaginal administration of a maraviroc silicone gel in rhesus macaques showed higher and sustained MVC levels in vaginal fluid, vaginal tissue and plasma compared with a HEC gel containing the same maraviroc loading. The results demonstrate that non-aqueous silicone gels have potential as a formulation platform for coitally independent vaginal HIV microbicides.

A modified SILCS contraceptive diaphragm for long-term controlled release of the HIV microbicide dapivirine

Background: There is considerable interest in developing new multipurpose prevention technologies to address women's reproductive health needs. This study describes an innovative barrier contraceptive device--based on the SILCS diaphragm--that also provides long-term controlled release of the lead candidate anti-HIV microbicide dapivirine.

Study design: Diaphragm devices comprising various dapivirine-loaded polymer spring cores overmolded with a nonmedicated silicone elastomer sheath were fabricated by injection molding processes. In vitro release testing, thermal analysis and mechanical characterization were performed on the devices.

Results: A diaphragm device containing a polyoxymethylene spring core loaded with 10% w/w dapivirine provided continuous and controlled release of dapivirine over a 6-month period, with a mean in vitro daily release rate of 174 mcg/day. The mechanical properties of the new diaphragm were closely matched to the SILCS diaphragm.

Conclusions: The study demonstrates proof of concept for a dapivirine-releasing diaphragm with daily release quantities potentially capable of preventing HIV transmission. In discontinuous clinical use, release of dapivirine may be readily extended over 1 or more years. © 2013 Elsevier Inc. All rights reserved.

Design of a Dissolving Microneedle Platform for Transdermal Delivery of a Fixed-Dose Combination of Cardiovascular Drugs

Microneedles (MNs) are a minimally invasive drug delivery platform, designed to enhance transdermal drug delivery by breaching the stratum corneum. For the first time, this study describes the simultaneous delivery of a combination of three drugs using a dissolving polymeric MN system. In the present study, aspirin, lisinopril dihydrate, and atorvastatin calcium trihydrate were used as exemplar cardiovascular drugs and formulated into MN arrays using two biocompatible polymers, poly(vinylpyrrollidone) and poly(methylvinylether/maleic acid). Following fabrication, dissolution, mechanical testing, and determination of drug recovery from the MN arrays, in vitro drug delivery studies were undertaken, followed by HPLC analysis. All three drugs were successfully delivered in vitro across neonatal porcine skin, with similar permeation profiles achieved from both polymer formulations. An average of 126.3 ± 18.1 μg of atorvastatin calcium trihydrate was delivered, notably lower than the 687.9 ± 101.3 μg of lisinopril and 3924 ± 1011 μg of aspirin, because of the hydrophobic nature of the atorvastatin molecule and hence poor dissolution from the array. Polymer deposition into the skin may be an issue with repeat application of such a MN array, hence future work will consider more appropriate MN systems for continuous use, alongside tailoring delivery to less hydrophilic compounds.

Microneedles: A New Frontier in Nanomedicine Delivery

This review aims to concisely chart the development of two individual research fields, namely nanomedicines, with specific emphasis on nanoparticles (NP) and microparticles (MP), and microneedle (MN) technologies, which have, in the recent past, been exploited in combinatorial approaches for the efficient delivery of a variety of medicinal agents across the skin. This is an emerging and exciting area of pharmaceutical sciences research within the remit of transdermal drug delivery and as such will undoubtedly continue to grow with the emergence of new formulation and fabrication methodologies for particles and MN. Firstly, the fundamental aspects of skin architecture and structure are outlined, with particular reference to their influence on NP and MP penetration. Following on from this, a variety of different particles are described, as are the diverse range of MN modalities currently under development. The review concludes by highlighting some of the novel delivery systems which have been described in the literature exploiting these two approaches and directs the reader towards emerging uses for nanomedicines in combination with MN.

Spray-dried polysaccharide microparticles aimed at pulmonary delivery of antitubercular drugs

Dissertação de mestrado, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2015

Antifungal nanofibers made by controlled release of sea animal derived peptide

© The Royal Society of Chemistry 2015

Therapeutics bioconjugates: evaluation of iminoboronates as payload delivery system for cancer

The advent of bioconjugation impacted deeply the world of sciences and technology. New biomolecules were found, biological processes were understood, and novel methodologies were formed due to the fast expansion of this area. The possibility of creating new effective therapies for diseases like cancer is one of big applications of this now big area of study. Off target toxicity was always the problem of potent small molecules with high activity towards specific tumour targets. However, chemotherapy is now selective due to powerful linkers that connect targeting molecules with affinity to interesting biological receptors and cytotoxic drugs. This linkers must have very specific properties, such as high stability in plasma, no toxicity, no interference with ligand affinity nor drug potency, and at the same time, be able to lyse once inside the target molecule to release the therapeutic warhead. Bipolar environments between tumour intracellular and extracellular medias are usually exploited by this linkers in order to complete this goal. The work done in this thesis explores a new model for that same task, specific cancer drug delivery. Iminoboronates were studied due to its remarkable selective stability towards a wide pH range and endogenous molecules. A fluorescence probe was design to validate this model by creating an Off/On system and determine the payload release location in situ. A process was optimized to synthetize the probe 8-(1-aminoethyl)-7-hydroxy-coumarin (1) through a reductive amination reaction in a microwave reactor with 61 % yield. A method to conjugate this probe to ABBA was also optimized, obtaining the iminoboronate in good yields in mild conditions. The iminoboronate model was studied regarding its stability in several simulated biological environments and each half-life time was determined, showing the conjugate is stable most of the cases except in tumour intracellular systems. The construction of folate-ABBA-coumarin bioconjugate have been made to complete this evaluation. The ability to be uptaken by a cancer cell through endocytosis process and the conjugation delivery of coumarin fluorescence payload are two features to hope for in this construct.

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

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.

Nanostructure des particules polymériques : aspects physiques, chimiques et biologiques

Les nanotechnologies appliquées aux sciences pharmaceutiques ont pour but d’améliorer l’administration de molécules actives par l’intermédiaire de transporteurs nanométriques. Parmi les différents types de véhicules proposés pour atteindre ce but, on retrouve les nanoparticules polymériques (NP) constituées de copolymères “en bloc”. Ces copolymères permettent à la fois l’encapsulation de molécules actives et confèrent à la particule certaines propriétés de surface (dont l’hydrophilicité) nécessaires à ses interactions avec les milieux biologiques. L’architecture retenue pour ces copolymères est une structure constituée le plus fréquemment de blocs hydrophiles de poly(éthylène glycol) (PEG) associés de façon linéaire à des blocs hydrophobes de type polyesters. Le PEG est le polymère de choix pour conférer une couronne hydrophile aux NPs et son l’efficacité est directement liée à son organisation et sa densité de surface. Néanmoins, malgré les succès limités en clinique de ces copolymères linéaires, peu de travaux se sont attardés à explorer les effets sur la structure des NPs d’architectures alternatives, tels que les copolymères en peigne ou en brosse. Durant ce travail, plusieurs stratégies ont été mises au point pour la synthèse de copolymères en peigne, possédant un squelette polymérique polyesters-co-éther et des chaines de PEG liées sur les groupes pendants disponibles (groupement hydroxyle ou alcyne). Dans la première partie de ce travail, des réactions d’estérification par acylation et de couplage sur des groupes pendants alcool ont permis le greffage de chaîne de PEG. Cette méthode génère des copolymères en peigne (PEG-g-PLA) possédant de 5 à 50% en poids de PEG, en faisant varier le nombre de chaînes branchées sur un squelette de poly(lactique) (PLA). Les propriétés structurales des NPs produites ont été étudiées par DLS, mesure de charge et MET. Une transition critique se situant autour de 15% de PEG (poids/poids) est observée avec un changement de morphologie, d’une particule solide à une particule molle (“nanoagrégat polymére”). La méthode de greffage ainsi que l’addition probable de chaine de PEG en bout de chaîne principale semblent également avoir un rôle dans les changements observés. L’organisation des chaînes de PEG-g-PLA à la surface a été étudiée par RMN et XPS, méthodes permettant de quantifier la densité de surface en chaînes de PEG. Ainsi deux propriétés clés que sont la résistance à l’agrégation en conditions saline ainsi que la résistance à la liaison aux protéines (étudiée par isothermes d’adsorption et microcalorimétrie) ont été reliées à la densité de surface de PEG et à l’architecture des polymères. Dans une seconde partie de ce travail, le greffage des chaînes de PEG a été réalisé de façon directe par cyclo-adition catalysée par le cuivre de mPEG-N3 sur les groupes pendants alcyne. Cette nouvelle stratégie a été pensée dans le but de comprendre la contribution possible des chaines de PEG greffées à l’extrémité de la chaine de PLA. Cette librairie de PEG-g-PLA, en plus d’être composée de PEG-g-PLA avec différentes densités de greffage, comporte des PEG-g-PLA avec des PEG de différent poids moléculaire (750, 2000 et 5000). Les chaines de PEG sont seulement greffées sur les groupes pendants. Les NPs ont été produites par différentes méthodes de nanoprécipitation, incluant la nanoprécipitation « flash » et une méthode en microfluidique. Plusieurs variables de formulation telles que la concentration du polymère et la vitesse de mélange ont été étudiées afin d’observer leur effet sur les caractéristiques structurales et de surface des NPs. Les tailles et les potentiels de charges sont peu affectés par le contenu en PEG (% poids/poids) et la longueur des chaînes de PEG. Les images de MET montrent des objets sphériques solides et l'on n’observe pas d’objets de type agrégat polymériques, malgré des contenus en PEG comparable à la première bibliothèque de polymère. Une explication possible est l’absence sur ces copolymères en peigne de chaine de PEG greffée en bout de la chaîne principale. Comme attendu, les tailles diminuent avec la concentration du polymère dans la phase organique et avec la diminution du temps de mélange des deux phases, pour les différentes méthodes de préparation. Finalement, la densité de surface des chaînes de PEG a été quantifiée par RMN du proton et XPS et ne dépendent pas de la méthode de préparation. Dans la troisième partie de ce travail, nous avons étudié le rôle de l’architecture du polymère sur les propriétés d’encapsulation et de libération de la curcumine. La curcumine a été choisie comme modèle dans le but de développer une plateforme de livraison de molécules actives pour traiter les maladies du système nerveux central impliquant le stress oxydatif. Les NPs chargées en curcumine, montrent la même transition de taille et de morphologie lorsque le contenu en PEG dépasse 15% (poids/poids). Le taux de chargement en molécule active, l’efficacité de changement et les cinétiques de libérations ainsi que les coefficients de diffusion de la curcumine montrent une dépendance à l’architecture des polymères. Les NPs ne présentent pas de toxicité et n’induisent pas de stress oxydatif lorsque testés in vitro sur une lignée cellulaire neuronale. En revanche, les NPs chargées en curcumine préviennent le stress oxydatif induit dans ces cellules neuronales. La magnitude de cet effet est reliée à l’architecture du polymère et à l’organisation de la NP. En résumé, ce travail a permis de mettre en évidence quelques propriétés intéressantes des copolymères en peigne et la relation intime entre l’architecture des polymères et les propriétés physico-chimiques des NPs. De plus les résultats obtenus permettent de proposer de nouvelles approches pour le design des nanotransporteurs polymériques de molécules actives.

2D, 3D and 4D active compound delivery in tissue engineering and regenerative medicine

Recent advances in tissue engineering and regenerative medicine have shown that controlling cells microenvironment during growth is a key element to the development of successful therapeutic system. To achieve such control, researchers have first proposed the use of polymeric scaffolds that were able to support cellular growth and, to a certain extent, favor cell organization and tissue structure. With nowadays availability of a large pool of stem cell lines, such approach has appeared to be rather limited since it does not offer the fine control of the cell micro-environment in space and time (4D). Therefore, researchers are currently focusing their efforts on developing strategies that include active compound delivery systems in order to add a fourth dimension to the design of 3D scaffolds. This review will focus on recent concepts and applications of 2D and 3D techniques that have been used to control the load and release of active compounds used to promote cell differentiation and proliferation in or out of a scaffold. We will first present recent advances in the design of 2D polymeric scaffolds and the different techniques that have been used to deposit molecular cues and cells in a controlled fashion. We will continue presenting the recent advances made in the design of 3D scaffolds based on hydrogels as well as polymeric fibers and we will finish by presenting some of the research avenues that are still to be explored.

Targeted Stimuli-Responsive Dextran Conjugates for Doxorubicin Delivery to Hepatocytes

A targeted, stimuli-responsive, polymeric drug delivery vehicle is being developed in our lab to help alleviate severe side-effects caused by narrow therapeutic window drugs. Targeting specific cell types or organs via proteins, specifically, lectin-mediated targeting holds potential due to the high specificity and affinity of receptor-ligand interactions, rapid internalization, and relative ease of processing. Dextran, a commercially available, biodegradable polymer has been conjugated to doxorubicin and galactosamine to target hepatocytes in a three-step, one-pot synthesis. The loading of doxorubicin and galactose on the conjugates was determined by absorbance at 485 nm and elemental analysis, respectively. Conjugation efficiency based on the amount loaded of each reactant varies from 20% to 50% for doxorubicin and from 2% to 20% for galactosamine. Doxorubicin has also been attached to dextran through an acid-labile hydrazide bond. Doxorubicin acts by intercalating with DNA in the nuclei of cells. The fluorescence of doxorubicin is quenched when it binds to DNA. This allows a fluorescence-based cell-free assay to evaluate the efficacy of the polymer conjugates where we measure the fluorescence of doxorubicin and the conjugates in increasing concentrations of calf thymus DNA. Fluorescence quenching indicates that our conjugates can bind to DNA. The degree of binding increases with polymer molecular weight and substitution of doxorubicin. In cell culture experiments with hepatocytes, the relative uptake of polymer conjugates was evaluated using flow cytometry, and the killing efficiency was determined using the MTT cell proliferation assay. We have found that conjugate uptake is much lower than that of free doxorubicin. Lower uptake of conjugates may increase the maximum dose of drug tolerated by the body. Also, non-galactosylated conjugate uptake is lower than that of the galactosylated conjugate. Microscopy indicates that doxorubicin localizes almost exclusively at the nucleus, whereas the conjugates are present throughout the cell. Doxorubicin linked to dextran through a hydrazide bond was used to achieve improved killing efficiency. Following uptake, the doxorubicin dissociates from the polymer in an endosomal compartment and diffuses to the nucleus. The LC₅₀ of covalently linked doxorubicin is 7.4 μg/mL, whereas that of hydrazide linked doxorubicin is 4.4 μg/mL.

Vesicular systems for delivering conventional small organic molecules and larger macromolecules to and through human skin

The history of using vesicular systems for drug delivery to and through skin started nearly three decades ago with a study utilizing phospholipid liposomes to improve skin deposition and reduce systemic effects of triamcinolone acetonide. Subsequently, many researchers evaluated liposomes with respect to skin delivery, with the majority of them recording localized effects and relatively few studies showing transdermal delivery effects. Shortly after this, Transfersomes were developed with claims about their ability to deliver their payload into and through the skin with efficiencies similar to subcutaneous administration. Since these vesicles are ultradeformable, they were thought to penetrate intact skin deep enough to reach the systemic circulation. Their mechanisms of action remain controversial with diverse processes being reported. Parallel to this development, other classes of vesicles were produced with ethanol being included into the vesicles to provide flexibility (as in ethosomes) and vesicles were constructed from surfactants and cholesterol (as in niosomes). Thee ultradeformable vesicles showed variable efficiency in delivering low molecular weight and macromolecular drugs. This article will critically evaluate vesicular systems for dermal and transdermal delivery of drugs considering both their efficacy and potential mechanisms of action.

Dendrimers: a new class of nanoscopic containers and delivery devices

Dendrimers and hyperbranched polymers are a relatively new class of materials with unique molecular architectures and dimensions in comparison to traditional linear polymers. This review details recent notable advances in the application of these new polymers in terms of the development of new polymeric delivery systems. Although comparatively young, the developing field of hyperbranched drug delivery devices is a rapidly maturing area and the key discoveries in drug-conjugate systems amongst others are highlighted. As a consequence of their ideal hyperbranched architectures, the utilisation of host-guest chemistries in dendrimers has been included within the scope of this review. (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Polymer-mediated disruption of drug crystallinity

Ibuprofen (IB), a BCS Class II compound, is a highly crystalline substance with poor solubility properties. Here we report on the disruption of this crystalline structure upon intimate contact with the polymeric carrier cross-linked polyvinylpyrrolidone (PVP-CL) facilitated by low energy simple mixing. Whilst strong molecular interactions between APIs and carriers within delivery systems would be expected on melting or through solvent depositions, this is not the case with less energetic mixing. Simple mixing of the two compounds resulted in a significant decrease in the differential scanning calorimetry (DSC) melting enthalpy for IB, indicating that approximately 30% of the crystalline content was disordered. This structural change was confirmed by broadening and intensity diminution of characteristic IB X-ray powder diffractometry (PXRD) peaks. Unexpectedly, the crystalline content of the drug continued to decrease upon storage under ambient conditions. The molecular environment of the mixture was further investigated using Fourier transform infrared (FT-IR) and Fourier transform Raman (FT-Raman) spectroscopy. These data suggest that the primary interaction between these components of the physical mix is hydrogen bonding, with a secondary mechanism involving electrostatic/hydrophobic interactions through the IB benzene ring. Such interactions and subsequent loss of crystallinity could confer a dissolution rate advantage for IB. (C) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.