Deep eutectic solvent formulations for the development of drug delivery systems

Abstract

The pharmaceutical industry is characterized by constant changes and demands, driven by the need to develop new drugs, or drug formulations of existing drugs, that are more efficient and safer. In this context, strategies such as drug reformulation are frequently applied to overcome many of the drawbacks associated with the existing pharmaceuticals, given the lower cost of this approach. Approaches to enhance drug solubility, stability, and permeation are crucial to improve their therapeutic efficacy. Therefore, understanding the problems associated with the existing active pharmaceutical ingredients, developing more effective strategies for their solubilization and administration, as well as to select proper solvents or excipients, are main aspects to improve therapeutic efficacy. Additionally, the possibility to incorporate these components, namely the solvents, in the drug delivery system, to tune their properties is appealing. Recently, alternative solvents, such as deep eutectic solvents (DES), have been explored in the pharmaceutical field, showing high solvation ability and high drug permeation across biological membranes, as well as drug stabilization. Furthermore, the versatility displayed by these solvents enables their incorporation into different drug delivery systems, being even possible the use of hydrophilic biopolymers. This partnership results in positive effects in the properties of biopolymer-based materials, allowing to particularly tune the mechanical properties and the respective drug release profiles. In this context, the main goal of this thesis is focused on the development of DES formulations of existing drugs and their incorporation in delivery systems, envisioning the improvement of their efficacy. The works developed involved the rational design of these formulations and the evaluation of their impact on system’s performance. Given the rising concerns associated with antimicrobial agents, including antibiotics, this was the class mainly studied. The first study focused on the development of DES aqueous solutions of cholinium chloride:urea:malonic acid, proline:urea:malonic acid and citric acid:xylitol, to remarkably improve the solubility, stability, and therapeutic efficacy of the antibiotic ciprofloxacin. The developed formulations enhanced the drug solubility up to 430-fold, in comparison to water, and the susceptibility of Gram-negative and Gram-positive bacteria to ciprofloxacin by 2- to 4-fold, respectively, while being non-toxic to human cells at the studied concentrations. The ability to improve the therapeutic efficacy of the antibiotic while avoiding the development of antimicrobial tolerance was demonstrated. The following study aimed to use betaine-based DES aqueous solutions, such as betaine:glycerol and betaine:xylitol, in the development of ocular drug delivery systems, namely thermo-responsive microemulsions that increase their viscosity upon contact with the ocular environment. These systems allowed a sustained-release and a higher permeation of the antibiotic chloramphenicol through the cornea. Finally, a higher antimicrobial activity and faster action in case of infection caused by multi-resistant bacteria was demonstrated using these microemulsions in comparison to a commercialized formulation. The versatility of DES formulations was also explored in the development of biopolymer-based drug delivery systems. In this sense, pullulan-based adhesive films were developed for application in antimicrobial photodynamic therapy (aPDT). For this purpose, betaine-based DES (betaine:levulinic acid) were applied to improve the solubility and photostability of the natural photosensitizer, curcumin. The incorporation of the DES formulations in the films, permitted to tune pullulan’s properties, obtaining systems with higher extensibility than the pristine materials. These films also present capability to absorb skin moisture and transit into a hydrogel with and higher adhesiveness than commercial hydrogels. The use of these systems in combination with an aPDT approach, allowed to eradicate common drug-resistant strains below the detection limit in ex vivo skin samples while being non-toxic to skin cells. The partnership between DES and biopolymers was also investigated for the transdermal delivery of anti-inflammatory drugs. DES aqueous solutions, based on arginine:glycerol, were used to increase the solubility of ibuprofen (up to 7917-fold, in comparison to water). These formulations were non-cytotoxic to macrophages and shown to preserve the anti-inflammatory action of the drug. Their incorporation into alginate-based hydrogels resulted in materials with higher flexibility, that presented a sustained release of the drug. Additionally, these hydrogels promoted an enhancement in the drug permeation across human skin in comparison to their counterpart containing only ibuprofen. In conclusion, the present thesis demonstrates the versatility and advantages of DES formulations in the improvement of drug delivery and therapeutic efficacy of known drugs.

A indústria farmacêutica é caraterizada por mudanças e exigências constantes, originadas pela necessidade de desenvolver novos fármacos, ou formulações de fármacos existentes, que sejam mais eficazes e seguras. Neste contexto, são frequentemente utilizadas estratégias como a reformulação farmacêutica para ultrapassar muitas das desvantagens associadas aos fármacos existentes, dado o menor custo desta abordagem. As estratégias usadas para aumentar a solubilidade, estabilidade e permeação de fármacos são cruciais para melhorar a sua eficácia terapêutica. Assim, compreender os problemas associados aos princípios ativos já existentes, desenvolver estratégias mais eficazes para a sua solubilização e administração, assim como a seleção de solventes ou excipientes apropriados, são aspetos cruciais para melhorar a eficácia terapêutica. Adicionalmente, a possibilidade de incorporar estes componentes, nomeadamente os solventes, em sistemas de administração de fármacos é apelativa para modelar as suas propriedades. Recentemente, solventes alternativos como os solventes eutécticos profundos (DES) têm sido explorados na área farmacêutica, mostrando uma elevada capacidade de solvatação e de permeação de fármacos através de membranas biológicas, bem como da sua estabilização. Adicionalmente, a versatilidade destes solventes possibilita a sua incorporação em diferentes sistemas de administração de fármacos, sendo inclusive possível o uso de biopolímeros hidrofílicos. Esta combinação resulta em efeitos positivos nas propriedades dos materiais biopoliméricos, permitindo em particular o ajuste das suas propriedades mecânicas e dos perfis de libertação dos respetivos fármacos. Neste contexto, o principal objetivo da presente tese centrou-se no desenvolvimento de formulações de DES e na sua utilização em novos sistemas de administração de fármacos já existentes, visando a melhoria da sua eficácia. Os trabalhos desenvolvidos envolveram o design racional dessas formulações e a avaliação do seu impacto no desempenho do sistema. Dada as crescentes preocupações associadas aos agentes antimicrobianos, incluindo antibióticos, esta classe de fármacos foi uma das mais estudadas. O primeiro trabalho focou-se no desenvolvimento de soluções aquosas de DES, tais como cloreto de colina:ureia:ácido malónico, prolina:ureia:ácido malónico e ácido cítrico:xilitol, para melhorar a solubilidade, a estabilidade e a eficácia terapêutica do antibiótico ciprofloxacina.As formulações desenvolvidas permitiram aumentar a solubilidade do fármaco 430 vezes comparativamente à sua solubilidade em água, e a suscetibilidade de bactérias Gram-negativas e Gram-positivas à ciprofloxacina 2 a 4 vezes, respetivamente, sendo não tóxicas para células humanas nas concentrações estudadas. Foi ainda demonstrada a capacidade de melhorar a eficácia terapêutica do antibiótico sem promover o desenvolvimento de tolerância antimicrobiana ao mesmo. O trabalho seguinte teve como objetivo a utilização de soluções aquosas de DES à base de betaína, nomeadamente betaína:glicerol e betaína:xilitol, no desenvolvimento de sistemas de administração de fármacos para administração ocular, especificamente microemulsões com carácter termo-responsivo, cuja viscosidade aumenta quando em contato com o ambiente ocular. Estes sistemas permitiram obter uma libertação contínua e uma maior permeação do antibiótico cloranfenicol através da córnea. Por fim, foi demonstrada uma maior atividade antimicrobiana e uma ação mais rápida em caso de infeção por bactérias multirresistentes, usando estas microemulsões, comparativamente com uma formulação comercial. A versatilidade das formulações aquosas de DES foi também explorada no desenvolvimento de sistemas tópicos de administração de fármacos à base de biopolímeros. Neste sentido, foram desenvolvidos filmes adesivos baseados em pululano para aplicação em terapia fotodinâmica antimicrobiana (TFDa). Com este propósito, foram utilizados DES à base de betaína (betaína:ácido levulínico)) para melhorar a solubilidade e fotoestabilidade da curcumina, um fotossensibilizador natural. A incorporação das formulações de DES nos filmes de pululano permitiu ajustar as suas propriedades, tendo-se obtido sistemas com maior extensibilidade do que os correspondentes originais. Estes filmes possuem ainda capacidade de absorver a humidade da pele e passar para a forma de hidrogel com maior adesividade do que os hidrogéis comerciais. O uso destes sistemas em combinação com uma abordagem de TFDa permitiu erradicar estirpes resistentes a antibióticos comuns, abaixo do limite de deteção do método, em amostras de pele ex vivo, sendo estes sistemas não tóxicos para as células da pele. A combinação de DES e biopolímeros foi também investigada para a administração transdérmica de fármacos anti-inflamatórios. Foram utilizadas soluções aquosas de DES à base de arginina:glicerol para aumentar a solubilidade do ibuprofeno (até 7917 vezes em comparação com a solubilidade em água). Estas formulações não apresentaram citotoxicidade para macrófagos e preservaram a ação anti-inflamatória do fármaco. A sua incorporação em hidrogéis de alginato resultou em materiais com maior flexibilidade, e que apresentam uma libertação sustentada do fármaco. Adicionalmente, estes hidrogéis promoveram um aumento da permeação do fármaco na pele humana em comparação com o sistema homólogo contento apenas ibuprofeno. Em suma, a presente tese demonstra a versatilidade e as vantagens das formulações aquosas de DES na melhoria da administração e na eficácia terapêutica de diferentes fármacos existentes.