Preparation and evaluation of polymeric nanoparticles for oral insulin delivery

Abstract

Diabetes mellitus (DM) tüm dünyada en çok ölümlere neden olan hastalıklar arasında 6. sırada yer alan kronik bir hastalıktır. İnsülin, gerek insüline bağımlı diyabet (Tip 1) ve gerekse insüline bağımlı olmayan diyabet (Tip 2) tedavisindeki en önemli araçlardan biridir. İnsülinin bilinen en yaygın uygulama şekli subkutan enjeksiyondur. Bununla birlikte, insülinin vücuda subkutan yol ile uygulanması pek çok yan etkiye neden olmaktadır. Fizyolojik yolağı taklit etmesi ve subkutan enjeksiyon ile görülen yan etkileri potansiyel bir şekilde azaltması nedeniyle, insülinin oral yol ile uygulanmasına giderek artan bir ilgi söz konusudur. Bununla birlikte, oral yol ile uygulanan insülinin midedeki hızlı asidik ve enzimatik yıkımı, intestinal lümendeki proteolitik enzimlerle inaktivasyonu, yüksek molekül ağırlığı ve hidrofilik özelliği nedeniyle intestinal epitelden yetersiz emilimi düşük biyoyararlanıma neden olmaktadır.Çalışmamızda, etkin ve güvenilir bir diyabet tedavisi sağlamak için oral yol ile uygulanacak insülin formülasyonlarının geliştirilmesi planlanmıştır. Bunun için bir polikatyon olan protamin ve çeşitli polianyonlar kullanılarak iyonik çapraz bağlama yöntemi ile insülin içeren nanopartiküller hazırlanmıştır. İnsülin nanopartiküllerinin hazırlanmasında protamin ile birlikte anyonik polimer olarak sodyum aljinat ve kondroitin sülfat kullanılmıştır. Kullanılan anyonik polimerin tipi, konsantrasyonu, protamin ile kütle oranları değiştirilerek ve farklı konsantrasyonlarda insülin çözeltisi kullanılarak optimum özelliklere sahip nanopartiküllerin hazırlanması planlanmıştır.Hazırlanan nanopartiküller partikül büyüklüğü ve dağılımı, zeta potansiyeli, enkapsülasyon etkinliği, morfolojisi, etkin madde salım profilleri, insülinin yapısal bütünlüğü ve stabilite açısından değerlendirilmiştir. Taguchi deney tasarımı yöntemi ile belirlenen optimum özelliklere sahip nanopartiküller sert jelatin kapsüller içine yerleştirilmiş ve nanopartikülleri midenin asidik pH'sından koruyarak bağırsaklarda açığa çıkmalarını sağlamak amacıyla kapsüller Eudragit L100-55 ile enterik olarak kaplanmıştır. Enterik kaplı kapsüller oral yol ile diyabetik ratlara uygulanarak hipoglisemik etkileri incelenmiştir. Hipoglisemik etki; diyabetik ratlardan belirli zaman aralıklarında alınan kan örneklerinde glukoz seviyesini ölçerek değerlendirilmiştir. Ayrıca, enterik kaplı sert jelatin kapsüller içinde diyabetik sıçanlara oral olarak uygulananan florosein izotiyosiyanat (FITC) ile işaretlenmiş nanopartiküller kullanılarak nanopartiküllerin in vivo dağılımı belirlenmiştir.Sonuç olarak; enterik kaplı sert jelatin kapsüllere yüklenen polielektrolit kompleks nanopartiküllerinin, insülinin oral yolla verilişinde etkin bir dozaj formu olarak değerlendirilebileceği görülmüştür.

Diabetes mellitus (DM) is a chronic disease that ranks 6th among the most deaths worldwide. Insulin is one of the most important drugs in the treatment of both insulin- dependent diabetes (Type 1) and non-insulin-dependent diabetes (Type 2). The most common administration of insulin is subcutaneous injection. However, subcutaneous administration of insulin to the body causes many side effects. There is increasing interest in oral administration of insulin, since it mimics the physiological pathway and potentially reduces the side effects associated with subcutaneous injection. However, rapid acidic and enzymatic degradation of oral insulin in the stomach, inactivation with proteolytic enzymes in the intestinal lumen, low molecular weight and inadequate absorption from the intestinal epithelium result in low bioavailability.In our study, it was planned to develop insulin formulations to be administered orally to provide effective and reliable diabetes treatment. For this purpose, insulin- containing nanoparticles were prepared by ionic cross-linking method using protamine, a polycation, and various polyanions. In the preparation of insulin nanoparticles, sodium alginate and chondroitin sulfate were used as anionic polymer together with protamine. It was planned to prepare nanoparticles with optimum properties by changing the type, concentration and mass ratio of anionic polymer to protamine and using different concentrations of insulin solution.The prepared nanoparticles were evaluated in terms of particle size and distribution, zeta potential, encapsulation efficiency, morphology, drug release profiles, insulin structural integrity and stability. The nanoparticles with the optimum properties determined by Taguchi experimental design method were placed in hard gelatin capsules and the capsules were enterically coated with Eudragit L100-55 to protect the nanoparticles from the acidic pH of the stomach and to release them in the intestines. Hypoglycemic effects of enteric coated capsules were analyzed by administering them to diabetic rats orally. Hypoglycemic effects were deterimined by measuring glucose levels in blood samples taken at certain time intervals. In addition, in vivo distribution of nanoparticles using fluorescein isothiocyanate (FITC) labeled nanoparticles administered orally to diabetic rats in enteric coated hard gelatin capsules was determined.As a result; it has been found that polyelectrolyte complex nanoparticles loaded into enteric coated hard gelatin capsules can be evaluated as an effective dosage form for oral administration of insulin.