Nanokryształy celulozy zwiększają skuteczność furosemidu

Jak nanokryształy celulozy usprawniają działanie furosemidu?

W prezentowanym badaniu naukowym przeprowadzono systematyczną analizę możliwości wykorzystania nanokryształów celulozy pozyskanych z ramii (RNCC) do poprawy rozpuszczalności i biodostępności furosemidu, leku diuretycznego z klasy IV według Biofarmaceutycznego Systemu Klasyfikacji (BCS). Leki tej klasy charakteryzują się zarówno niską rozpuszczalnością, jak i niską przepuszczalnością, co znacząco ogranicza ich skuteczność terapeutyczną.

Badacze zastosowali metodę hydrolizy kwasowej α-celulozy, wykorzystując dwa różne katalizatory: kwas siarkowy (H₂SO₄) i kwas solny (HCl), w różnych stężeniach i czasach reakcji. Wykazano, że tylko kwas siarkowy umożliwił skuteczne uzyskanie nanokryształów celulozy o pożądanych właściwościach, podczas gdy kwas solny nie pozwolił na osiągnięcie cząstek w skali nanometrycznej. Optymalne warunki syntezy RNCC obejmowały zastosowanie 50% kwasu siarkowego w temperaturze 45°C przez 45 minut, co pozwoliło na uzyskanie cząstek o wielkości około 120 nm i gęstości siarczanowej 133,09 mmol/kg.

Jak przygotowano i oceniono nanokrystaliczną celulozę z ramii?

Materiał roślinny do badań stanowiła Boehmeria nivea L. Gaud, zebrana w Wonosobo w Indonezji. Proces przygotowania RNCC obejmował kilka etapów: dekortykcję, wstępną hydrolizę w kwasie octowym, obróbkę z NaOH, wybielanie przy użyciu NaClO, a następnie hydrolizę kwasową z wykorzystaniem różnych stężeń HCl (15-25%) i H₂SO₄ (45-55%) przy różnych czasach reakcji (2-6 h dla HCl i 30-60 min dla H₂SO₄). Otrzymaną zawiesinę poddano dializie, sonikacji i liofilizacji w celu uzyskania końcowego produktu.

Charakterystyka uzyskanych nanokryształów celulozy z ramii wykazała ich igiełkowatą morfologię, specyficzne grupy funkcyjne oraz wyjątkowo wysoką krystaliczność na poziomie 96,2%, co przewyższa wartości typowe dla komercyjnej mikrokrystalicznej celulozy (MCC), która wykazuje krystaliczność około 56,68%. Analiza FTIR potwierdziła obecność charakterystycznych pasm dla NCC, w tym pasm w zakresie 3500-3300 cm^-1 odpowiadających drganiom rozciągającym O-H oraz pasm przy 1420-1059 cm^-1 typowych dla wiązań wodorowych w grupie celulozowej. Analiza termiczna potwierdziła dobrą stabilność termiczną RNCC do temperatury około 180°C, co jest typowe dla nanokrystalicznej celulozy.

Czy mikrosfery zwiększają rozpuszczalność leku w praktyce?

W kolejnym etapie badania sformułowano mikrosfery furosemid/RNCC, wykorzystując dwa różne środki zawieszające: alkohol poliwinylowy (PVA) i glikolan sodowo-skrobiowy (SSG). Proces przygotowania mikrosfer obejmował dyspersję RNCC w roztworze PVA lub SSG, mieszanie, dodanie furosemidu (1%), homogenizację przy różnych prędkościach (9450 rpm dla PVA i 5400 rpm dla SSG), a następnie mieszanie magnetyczne i filtrację. Badania wykazały, że mikrosfery znacząco zwiększyły rozpuszczalność furosemidu – do 9-krotnie w przypadku formulacji z PVA (FP7) i do 12-krotnie w przypadku formulacji z SSG (FS8) w porównaniu z czystym furosemidem (52,04 ppm).

Analiza wielkości cząstek wykazała, że zwiększenie stężenia RNCC w zawiesinie mikrosfer prowadziło do większych rozmiarów cząstek, podczas gdy wyższe stężenie PVA zmniejszało rozmiar cząstek. Mikrosfery z SSG wykazywały zróżnicowane rozmiary cząstek, przy czym formuła FS2 miała najmniejsze (22,26 ± 15,68 μm), a FS1 największe (36,11 ± 30,09 μm). Większy rozmiar mikrosfer furosemid/RNCC w porównaniu z czystym furosemidem sugeruje pomyślne przyłączenie RNCC do cząstek furosemidu.

Jak zoptymalizować zawartość leku i efektywność enkapsulacji?

Analiza obciążenia lekiem i efektywności enkapsulacji wykazała, że mikrosfery z SSG (FS8) miały wyższą zawartość furosemidu i lepszą efektywność enkapsulacji niż mikrosfery z PVA (FP7). Wynikało to prawdopodobnie z hydrofilowego charakteru PVA, który zwiększał rozpuszczalność furosemidu w wodzie podczas procesu produkcyjnego, powodując częściową utratę leku podczas filtracji. SSG wykazał lepszą zdolność wiązania furosemidu niż PVA, co przyczyniło się do wyższej efektywności enkapsulacji.

Badania rozpuszczania in vitro przeprowadzono w medium buforu fosforanowego (pH 5,8) z wykorzystaniem woreczka dializacyjnego 12.000 kDa. Wyniki potwierdziły, że mikrosfery furosemid/RNCC wykazywały znacznie wyższe szybkości rozpuszczania w porównaniu z czystym furosemidem i mieszaniną fizyczną furosemid-RNCC (1:1). Po 150 minutach, FS8 wykazało najwyższy stopień rozpuszczenia (71,7%), następnie FP7 (63,5%), furosemid (44,7%) i mieszanina furosemid-RNCC (35,8%). Statystyczna analiza ANOVA potwierdziła istotne różnice (p < 0,05) między formulacjami w całym badanym okresie, a test post-hoc Tukeya wykazał, że FS8 konsekwentnie przewyższał zarówno czysty furosemid, jak i mieszaninę furosemid-RNCC już od 5 minuty (p < 0,01).

Co wpływa na opóźnione uwalnianie furosemidu?

Niższa rozpuszczalność mieszaniny furosemid-RNCC w porównaniu z czystym furosemidem w badaniach rozpuszczania in vitro, w przeciwieństwie do wyników analizy rozpuszczalności w wodzie, może być związana z tworzeniem lepkiej bariery żelowej przez RNCC, która utrudnia dyfuzję leku przez membranę dializacyjną. Ograniczona przepuszczalność membrany dla większych struktur koloidalnych może również przyczyniać się do tej obserwacji. NCC ma tendencję do pęcznienia i tworzenia sieci podobnej do ciekłego kryształu w środowisku wodnym, co może utrudniać dyfuzję leku.

Badanie to ma istotne znaczenie dla praktyki klinicznej, ponieważ dostarcza nowej, obiecującej metody zwiększania biodostępności furosemidu – powszechnie stosowanego leku w leczeniu nadciśnienia tętniczego i obrzęków. Poprawa rozpuszczalności i szybkości rozpuszczania może przełożyć się na zwiększoną skuteczność terapeutyczną, potencjalnie umożliwiając stosowanie niższych dawek leku przy zachowaniu lub poprawie efektu terapeutycznego.

Warto podkreślić, że wykorzystanie nanokryształów celulozy z ramii stanowi zrównoważone i przyjazne dla środowiska podejście do opracowywania systemów dostarczania leków, wykorzystujące odnawialne źródła surowców. Ramia jest uprawiana w Indonezji od dawna, co stanowi zrównoważone źródło do produkcji RNCC. Ponadto, ma wysoką zawartość celulozy, co czyni ją obiecującym kandydatem do przyszłych zastosowań w systemach dostarczania leków. Dalsze badania mogą obejmować testowanie RNCC z innymi lekami o słabej rozpuszczalności oraz ocenę skuteczności i bezpieczeństwa tych formulacji w badaniach przedklinicznych i klinicznych.

Podsumowanie

Badanie koncentruje się na wykorzystaniu nanokryształów celulozy pozyskanych z ramii do poprawy właściwości furosemidu. Optymalne warunki syntezy RNCC osiągnięto przy użyciu 50% kwasu siarkowego w temperaturze 45°C przez 45 minut, uzyskując cząstki o wielkości około 120 nm. Charakteryzowały się one wysoką krystalicznością na poziomie 96,2% i dobrą stabilnością termiczną do 180°C. W badaniu przygotowano mikrosfery furosemid/RNCC z wykorzystaniem dwóch środków zawieszających: PVA i SSG. Mikrosfery z SSG (FS8) wykazały najlepsze rezultaty, zwiększając rozpuszczalność furosemidu 12-krotnie i osiągając 71,7% stopień rozpuszczenia po 150 minutach. Badanie przedstawia obiecującą metodę zwiększania biodostępności furosemidu, wykorzystującą zrównoważone i przyjazne dla środowiska podejście do opracowywania systemów dostarczania leków.