Formulatıon and antıcancer effıcacy evaluatıon of polymerıc and cyclodextrın nanocapsules desıgned for oral applıcatıon

Abstract

Bu tezin amacı oral kemoterapide kullanılmak üzere farklı yüzey yüklerine sahip antikanser ilaç yüklü polimerik veya siklodekstrin nanokapsül formülasyonları geliştirmek ve hazırlanan nanokapsülleri in vitro ve in vivo açıdan değerlendirmektir. Model ilaç olarak seçilen Kamptotesin (CPT) birçok kanser türünde yüksek etkiye sahip bir antikanser ajan olmasına rağmen sudaki düşük çözünürlüğü ve stabilite sorunu nedeniyle tedavide etkin bir şekilde kullanılamamaktadır. Kamptotesinin bu sorunları nanoteknolojik yaklaşımlarla çözülmeye çalışılmıştır. Bu alanda membran tipi ilaç taşıyıcı sistemler olan nanokapsüllerin ilaç taşıyıcı sistemler olarak kullanılması düşünülmüş ve bu sistemlerin yapısal avantajları sebebiyle CPT'in stabilitesinin sağlanarak etkin ve güvenilir formülasyonlarının geliştirilmesi amaçlanmıştır. Tezin ilk aşamasında CPT yüklü nanokapsül formülasyonları amfifilik siklodekstrinler (CD) ve polikaprolaktan (PCL) kullanılarak hazırlanmıştır. Katyonik yüzey yüküne sahip formülasyonların eldesi için pozitif yüklü bir polimer olan Kitosan (CS) kaplama materyali olarak kullanılmıştır. CPT yüklü anyonik ve katyonik nanokapsüller nanoçöktürme yöntemi ile hazırlanmış ve formülasyon paramatreleri incelenerek ön formülasyon çalışmaları sonucu optimum formülasyonlar seçilmiştir. Hazırlanan partiküller ortalama partikül büyüklüğü, polidispersite indeksi ve zeta potansiyel değerleri açısından in vitro karakterize edilmiştir. İlaç yüklü nanokapsüller yüzey özelliklerinin incelenmesi ve morfolojik analizleri için Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM) ile görüntülenmiştir. Nanokapsüllere yüklenen CPT miktarının belirlenmesi valide edilmiş bir HPLC yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. CPT' in nanokapsüllerden in vitro salımı diyaliz membran metodu ile sink koşullarda belirlenmiştir. CPT'in taşıyıcı sisteme enkapsüle edilmesinin stabilitesi üzerine etkilerini araştırmak için valide edilmiş bir HPLC metodu kullanılmıştır. Bununla birlikte, oral uygulanan taşıyıcı sistemlerin gastrointestinal (GI) kanal boyunca stabilitelerinin incelenmesi, simüle edilmiş gastrik sıvıda (SGF) ve simüle edilmiş intestinal sıvıda (SIF) gerçekleştirilmiştir.Tezin ikinci aşamasında öncelikle oral absorpsiyon için önemli bir basamak olan mukusun nanopartiküllerle etkileşim çalışmaları gerçekleştirilmiştir. İtalya'da Napoli Federico II Üniversitesi'nde gerçekleştirilen çalışmalarda ilk olarak müsin-partikül etkileşimi türbidimetrik analizle aydınlatılmıştır. Ayrıca nanokapsüllerin mukusla etkileşimi mukus varlığında ve yokluğunda partikül büyüklüğü, polidispersite indeksi ve zeta potansiyel değerleri açısından karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Ardından CPT yüklü nanokapsüllerin yapay mukustan geçişi incelenip ilacın yapay mukustan geçişi kantitatif olarak belirlenmiştir. Nanokapsüllerin etkinlik, güvenilirlik ve permeabilite özellikleri farklı hücre hatlarında çalışılarak aydınlatılmaya çalışılmıştır. Boş nanokapsüllerin sitotoksisitesi ile ilgili çalışma L929 hücre hattında gerçekleştirilmiştir. CPT yüklü nanokapsüllerin antikanser etkinliği ise MCF-7 hücre hattında CPT çözeltisi ile karşılaştırmalı olarak gerçekleştirilmiştir. Bununla birlikte yapay mukus modeli ile mukustan penetrasyonu incelenen nanokapsüllerin, Caco-2 hücre hattından permeabilitesi CPT çözeltisi ile karşılaştırılmalı olarak hesaplanmıştır. Son olarak floresan madde (Nil Kırmızısı) yüklü nanokapsüllerin intestinal absorpsiyonu in vivo hayvan modelinde çalışılmıştır. Oral uygulama sonrası dişi farelerde yapılan intestinal alım çalışmaları ile nanokapsüllerie yüklü molekülün in vivo ortamda mide-barsak kanalından alımı hesaplanmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda CPT yüklü anyonik ve katyonik nanokapsül formülasyonları 180-220 nm arasında ortalama partikül büyüklüğünde, düşük polidispersite indeksine sahip ve istenilen yüzey yükünde elde edilmiştir. CPT'in yüksek oranda nanokapsüllere enkapsüle edilebildiği ve nanokapsüllerden 48 saat süresince kontrollü bir şekilde salındığı gözlenmiştir. İlacın nanokapsül formülasyonları sayesinde hidrolitik stabilitesinin sağlandığı valide edilen HPLC yöntemi ile gösterilmiştir. Gastrointestinal kanal boyunca değişkenlik gösteren pH gibi sert koşulları taklit edilen simüle sıvılar, nanokapsüllerin fiziksel ve kimyasal stabilitesinde partikül büyüklüğü, PDI ve yüzey yükü açısından belirgin değişikliğe neden olmamıştır. İtalya'da gerçekleştirilen türbidimetri çalışmaları sonucu hazırlanan nanokapsüllerin müsinle etkileşimini doğrulanmıştır. Buna ek olarak musin varlığında partiküllerin çapı, polidispersitesi ve zeta potansiye değerlerinde meydana gelene değişmeler de müsin-partikül ilişkisini desteklemektedir. CPT'in yapay mukozadan penetrasyonu kaplama materyali CS sayesinde katyonik nanokapsüller ile anlamlı ölçüde artmıştır. (p<0.05). Caco-2 hücre hattından yapılan permeabilite çalışmaları CPT'in intestinal permeabilitesinin nanokapsüllere enkapsüle edilmesi ile çözelti haline göre 3 kat artırdığını göstermiştir. L929 hücre hattında gerçekleştirilen güvenirlik çalışmaları boş nanokapsüllerin uygulanan konsantrasyonlarda sitotoksik olmadığını kanıtlamıştır. İlaç yüklü nanokapsüllerin MCF-7 hücre hattında antikanser etkinliği serbest ilaca göre anlamlı ölçüde artmıştır (p<0.05). İn vivo hayvan deneylerinden elde edilen verilere göre tez kapsamında hazırlanan nanokapsüllere yüklü etkin maddenin barsaktan yüksek oranda alındığı ve katyonik nanokapsüllerin ilacın GI kanaldan hücresel alımını artırdığı gözlenmiştir.Tez kapsamında gerçekleştirilen in vitro ve in vivo çalışmaların sonuçları göz önüne alındığında nanokapsüllerin, çözünürlük ve stabilite sorunları nedeniyle tedavide etkin bir şekilde kullanılamayan CPT 'in çözünürlüğünü artırmada, stabilitesinin sağlanıp ilacın intestinal permeabilitesinin artırılmasında ümit verici bir nanoteknolojik yaklaşım olarak kullanılabileceği öngörülmektedir. Elde edilen veriler aynı zamanda oral kemoterapide yeni ve etkili bir tedavi yönteminin gerçekleşebileceğini düşündürmektedir.Bu tez çalışması, literatürde nanopartiküler taşıyıcı sistemler açısından rapor edilmiş fazla sayıda çalışması bulunmayan antikanser ilaç Kamptotesinin, oral kemoterapide güvenli ve etkili bir şekilde kullanılabilmesine yönelik olarak siklodekstrin ve polikaprolaktan nanokapsüllerle formüle edilmesi ve in vitro ve in vivo olarak değerlendirilmesi açısından yeni bir çalışmadır. Yine bu tez kapsamında oral uygulanan negatif ve pozitif yüklü CD nanokapsüller karşılaştırmalı olarak ilk kez incelenmiştir.

The objective of this thesis was to design and in vitro-in vivo evaluate oral nanocapsules prepared from amphiphilic cyclodextrins (CD) or poly-ε-caprolactone (PCL) with anionic or cationic surface charge for the effective oral delivery of an anticancer agent, Camptothecin (CPT). CPT loaded anionic and cationic nanocapsules coated with Chitosan (CS) were prepared by nanoprecipitation method and characterized in terms of mean particle size, polydispersity index and zeta potential. Morphological analysis of nanocapsules was performed by Scanning Electron Microscope (SEM). The percentage of CPT incorporated in nanocapsules was measured by a previously validated HPLC method. In vitro release of CPT from nanocapsules was evaluated using dialysis method under sink conditions. To determine the protective effect and drug stability provided by nanocapsules, all the formulations were incubated in simulated gastric fluid (SGF) and simulated intestinal fluid (SIF). Furthermore, CPT stability when incorporated in nanocapsules was determined with a validated HPLC method in phosphate buffer solutions (PBS) with different pH values of 1.2, 6.8 and 7.4 representing the pH range of the GI tract. In order to investigate mucin-particle interactions, measurement of mucoadhesive tendency of CPT loaded nanocapsules was realized by turbidimetric method. The interaction between mucin and particles were also evaluated in terms of mean particle size, polydispersity index and zeta potential values in the presence of mucin or not. Penetration of nanocapsules through an artificial mucus model was performed according to an artificial mucus model. Cytotoxicity of blank nanocapsules were investigated in L929 cell line. The permeability of CPT in solution form and bound to nanocapsule formulations were demonstrated across Caco-2 cell line. Anticancer efficacy of CPT loaded nanocapsules was determined against MCF-7 cell line in comparison to CPT solution. Finally, the intestinal uptake of nanocapsules was evaluated in vivo, in a mouse model with oral gavage in female CD1 mice.Both anionic and cationic CPT loaded CD and PCL nanocapsules were in the range of 180 to 220nm with a narrow size distribution and desired zeta potential values. CPT loaded nanocapsules were found to be stable in simulated gastrointestinal media. Turbidimetric measurements confirmed the interaction between nanoparticles and mucin. Penetration of CPT through an artificial mucus gel layer was higher when incorporated in CD nanocapsules than PCL nanocapsules, coating with cationic polymer Chitosan further increased penetration. Permeation of CPT across Caco-2 cell line was found to be higher when incorporated in nanocapsules than CPT solution in DMSO. In vivo animal studies confirmed that the intestinal uptake of nanocapsules was significantly higher with cationic nanocapsules. Both in vitro and in vivo results suggested that CPT loaded positively charged CD nanocapsules might be an attractive and promising treatment to improve the stability and bioavailability of anticancer drug camptothecin and create a new platform for oral chemotherapy.