Structural and cellular characterization of Idiopathic Pulmonary Fibrosis

La Fibrosi Polmonare Idiopatica (IPF) è una malattia polmonare cronica, irreversibile la cui eziologia risulta essere ignota, caratterizzata da un processo fibrotico progressivo che inizia nel tratto respiratorio inferiore. Le persone affette da IPF presentano età media compresa tra 55 e 77 anni. L’incidenza annuale di IPF è stata recentemente stimata tra 14 e 42,7 casi per 100.000 persone e tale dato risulta essere in aumento. IPF fa parte delle malattie Polmonari Idiopatiche Interstiziali (IIP) che comprendono patologie con quadri istologici e clinici differenti. Le affezioni su cui si concentrerà questo studio sono: UIP (Usual Interstitial Pneumonia) caratterizzata da fibrosi interstiziale e dalla presenza di foci fibrotici connessi alla pleura e corrispondente al quadro anatomopatologico della maggior parte dei casi di IPF; NSIP (Non Specific Interstitial Pneumonia) simile alla UIP ma con maggiore uniformità temporale e spaziale delle manifestazioni; Sarcoidosi, malattia granulomatosa ad eziologia ignota. Attualmente la gravità della IPF, che implica una mortalità del 50% dei pazienti a 5 anni dall’esordio, e la scarsa efficacia farmacologica nel rallentarne la progressione vedono il trapianto polmonare come unica possibilità di sopravvivenza nelle forme più severe. Al momento non è chiaro il meccanismo patogenetico di insorgenza e progressione della IPF anche se sono stati individuati alcuni fattori scatenanti quali fumo di sigaretta, infezioni respiratorie e inquinanti atmosferici; tuttavia nessuno di tali elementi può da solo determinare un così esteso e progressivo rimodellamento del parenchima polmonare. Numerose sono le evidenze di come il substrato genetico, le alterazioni del rapporto morte/proliferazione cellulare e le citochine svolgano un ruolo nella genesi e nella progressione della malattia, ma non sono ancora chiari i fenomeni biologico-cellulari che la sostengono e, quindi, quali siano i punti di attacco per poter incidere terapeuticamente nel modificare l’evoluzione della IPF. Poiché il nostro laboratorio ha partecipato alla scoperta dell’esistenza di cellule staminali nel polmone umano normale, uno degli obiettivi finali di questo progetto si basa sull’ipotesi che un’alterazione del compartimento staminale svolga un ruolo cruciale nella eziopatogenesi di IPF. Per questo in precedenti esperienze abbiamo cercato di identificare nella IPF cellule che esprimessero antigeni associati a staminalità quali c-kit, CD34 e CD133. Questo lavoro di tesi si è proposto di condurre un’indagine morfometrica ed immunoistochimica su biopsie polmonari provenienti da 9 pazienti affetti da UIP, 3 da NSIP e 5 da Sarcoidosi al fine di valutare le alterazioni strutturali principali imputabili alle patologie. Preparati istologici di 8 polmoni di controllo sono stati usati come confronto. Come atteso, è stato osservato nelle tre patologie esaminate (UIP, NSIP e Sarcoidosi) un significativo incremento nella sostituzione del parenchima polmonare con tessuto fibrotico ed un ispessimento dei setti alveolari rispetto ai campioni di controllo. L’analisi dei diversi pattern di fibrosi presenti fa emergere come vi sia una netta differenza tra le patologie con una maggiore presenza di fibrosi di tipo riparativo e quindi altamente cellulata nei casi di UIP, e NSIP mentre nelle Sarcoidosi il pattern maggiormente rappresentato è risultato essere quello della fibrosi replacement o sostitutiva. La quantificazione delle strutture vascolari è stata effettuata tenendo separate le aree di polmone alveolare rispetto a quelle occupate da focolai sostitutivi di danno (componente fibrotica). Nei campioni patologici analizzati era presente un significativo riarrangiamento di capillari, arteriole e venule rispetto al polmone di controllo, fenomeno principalmente riscontrato nel parenchima fibrotico. Tali modifiche erano maggiormente presenti nei casi di NSIP da noi analizzati. Inoltre le arteriole subivano una diminuzione di calibro ed un aumento dello spessore in special modo nei polmoni ottenuti da pazienti affetti da Sarcoidosi. Rispetto ai controlli, nella UIP e nella Sarcoidosi i vasi linfatici risultavano inalterati nell’area alveolare mentre aumentavano nelle aree di estesa fibrosi; quadro differente si osservava nella NSIP dove le strutture linfatiche aumentavano in entrambe le componenti strutturali. Mediante indagini immunoistochimiche è stata documentata la presenza e distribuzione dei miofibroblasti, positivi per actina muscolare liscia e vimentina, che rappresentano un importante componente del danno tissutale nella IPF. La quantificazione di questo particolare fenotipo è attualmente in corso. Abbiamo inoltre analizzato tramite immunoistochimica la componente immunitaria presente nei campioni polmonari attraverso la documentazione dei linfociti T totali che esprimono CD3, andando poi a identificare la sottopopolazione di T citotossici esprimenti la glicoproteina CD8. La popolazione linfocitaria CD3pos risultava notevolmente aumentata nelle tre patologie analizzate soprattutto nei casi di UIP e Sarcoidosi sebbene l`analisi della loro distribuzione tra i vari distretti tissutali risultasse differente. Risultati simili si sono ottenuti per l`analisi dei linfociti CD8pos. La componente monocito-macrofagica è stata invece identificata tramite la glicoproteina CD68 che ha messo in evidenza una maggiore presenza di cellule positive nella Sarcoidosi e nella UIP rispetto ai casi di NSIP. I dati preliminari di questo studio indicano che il rimodellamento strutturale emo-linfatico e cellulare infiammatorio nella UIP si differenziano rispetto alle altre malattie interstiziali del polmone, avanzando l’ipotesi che il microambiente vascolare ed immunitario giochino un ruolo importante nella patogenesi della malattia

Carbomer-modified spray-dried respirable powders for pulmonary delivery of salbutamol sulphate

The present study investigates the feasibility of using two types of carbomer (971 and 974) to prepare inhalable dry powders that exhibit modified drug release properties. Powders were prepared by spray-drying formulations containing salbutamol sulphate, 20-50% w/w carbomer as a drug release modifier and leucine as an aerosolization enhancer. Following physical characterization of the powders, the aerosolization and dissolution properties of the powders were investigated using a Multi-Stage Liquid Impinger and a modified USP II dissolution apparatus, respectively. All carbomer 974-modified powders and the 20% carbomer 971 powder demonstrated high dispersibility, with emitted doses of at least 80% and fine particle fractions of approximately 40%. The release data indicated that all carbomer-modified powders displayed a sustained release profile, with carbomer 971-modified powders obeying first order kinetics, whereas carbomer 974-modified powders obeyed the Higuchi root time kinetic model; increasing the amount of carbomer 971 in the formulation did not extend the duration of drug release, whereas this was observed for the carbomer 974-modified powders. These powders would be anticipated to deposit predominately in the lower regions of the lung following inhalation and then undergo delayed rather than instantaneous drug release, offering the potential to reduce dosing frequency and improve patient compliance.

Spray-dried powders for pulmonary drug delivery

Powders for inhalation are traditionally prepared using a destructive micronization process such as jet milling to reduce the particle size of the drug to 2-5 μm. The resultant particles are typically highly cohesive and display poor aerosolization properties, necessitating the addition of a coarse carrier particle to the micronized drug to improve powder flowability. Spray-drying technology offers an alternative, constructive particle production technique to the traditional destructive approach, which may be particularly useful when processing biotechnology products that could be adversely affected by high-energy micronization processes. Advantages of spray drying include the ability to incorporate a wide range of excipients into the spray-drying feedstock, which could modify the aerosolization and stability characterizations of the resultant powders, as well as modify the drug release and absorption profiles following inhalation. This review discusses some of the reasons why pulmonary drug delivery is becoming an increasingly popular route of administration and describes the various investigations that have been undertaken in the preparation of spray-dried powders for pulmonary drug delivery. © 2007 by Begell House, Inc.

Amino acid-modified spray-dried powders with enhanced aerosolisation properties for pulmonary drug delivery

In this study, the amino acids arginine, aspartic acid, leucine, phenylalanine and threonine were investigated as 'dispersibility enhancers' in spray-dried powders for inhalation. Parameters such as spray-dried yield, tapped density, and Carr's Index were not predictive of aerosolisation performance. In addition, whilst the majority of amino acid-modified powders displayed suitable particle size distribution for pulmonary administration and potentially favourable low moisture content, in vitro particle deposition was only enhanced for the leucine-modified powder. In summary, leucine can be used to enhance the dispersibility and aerosolisation properties of spray-dried powders for pulmonary drug delivery. © 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

The use of amino acids to enhance the aerosolisation of spray-dried powders for pulmonary gene therapy

Background Pulmonary delivery of gene therapy offers the potential for the treatment of a range of lung conditions, including cystic fibrosis, asthma and lung cancer. Spray-drying may be used to prepare dry powders for inhalation; however, aerosolisation of such powders is limited, resulting in poor lung deposition and biological functionality. In this study, we examine the use of amino acids (arginine, aspartic acid, threonine, phenylalanine) to enhance the aerosolisation of spray-dried powders containing model non-viral gene vectors. Methods Lipid/polycation/pDNA (LPD) vectors, in the presence or absence of amino acids, were dispersed in lactose solutions, and spray-dried to produce appropriately sized dry powders. Scanning electron microscopy and laser diffraction were used to determine particle morphology and diameter, respectively. Gel electrophoresis was used to examine the influence of amino acids on the structural integrity of the LPD complex. In vitro cell (A.549) transfection was used to determine the biological functionality of the dry powders, and the in vitro aerosolisation performance was assessed using a multistage liquid impinger (MSLI). Results Both gel electrophoresis and in vitro cell transfection indicated that certain amino acids (aspartic acid, threonine) can adversely affect the integrity and biological functionality of the LPD complex. All amino acids significantly increased the aerosolisation of the powder, with the arginine and phenylalanine powders showing optimal deposition in the lower stages of the MSLI. Conclusions Amino acids can be used to enhance the aerosolisation of spray-dried powders for respiratory gene delivery, allowing the development of stable and viable formulations for pulmonary gene therapy.