Nanokryształy w inhalacjach – przełom w leczeniu infekcji płuc

Czy nowoczesne nanotechnologie rewolucjonizują leczenie infekcji płuc?

Technologia nanokryształów leku w inhalacjach może zrewolucjonizować leczenie infekcji płucnych. Badacze opracowali innowacyjną formulację nanocząsteczkowego ciprofloxacinu (CIP) w postaci proszku do inhalacji, która może istotnie poprawić skuteczność terapii przeciwbakteryjnej przy jednoczesnym zmniejszeniu działań ogólnoustrojowych.

Niską rozpuszczalność leków, dotykającą około 90% nowo opracowywanych substancji (klasy BCS II i IV), można skutecznie przezwyciężyć poprzez nanonizację, czyli redukcję wielkości cząstek. Globalny rynek nanotechnologii w systemach dostarczania leków osiągnął wartość 105,95 miliarda USD w 2025 roku i przewiduje się jego podwojenie do 2034 roku. W przypadku ciprofloxacinu, który w warunkach fizjologicznych płuc występuje w formie obojętnego jonu obojnaczego o słabej rozpuszczalności, zmniejszenie rozmiaru cząstek do skali nano okazało się kluczowe dla poprawy jego właściwości farmakokinetycznych.

Nanosuspensje (NS) składają się z czystych leków i minimalnej proporcji surfaktantów lub polimerów, tworząc system koloidalny w zakresie wielkości 10-1000 nm. Zgodnie z definicją Unii Europejskiej, nanomateriały muszą mieć wielkość cząstek poniżej 100 nm, natomiast według FDA nanocząstki farmaceutyczne to indywidualne cząstki o wielkości poniżej 1 μm, co jest istotne dla biodostępności.

“Dzięki niemal 100% zawartości leku, nanokryształy wymagają mniejszej ilości substancji pomocniczych, które mogą być szkodliwe, a jednocześnie zapewniają wyższe stężenie składników aktywnych w miejscu działania” – podkreślają autorzy badania, wskazując na główną zaletę tej technologii.

Czy nanotechnologia odmienia zastosowanie ciprofloxacinu?

Ciprofloxacin (CIP) to fluorochinolon drugiej generacji, opatentowany w 1983 roku i wprowadzony na rynek w 1987 roku przez firmę Bayer, znajdujący się na liście podstawowych antybiotyków Światowej Organizacji Zdrowia. CIP jest skuteczny w szerokim zakresie infekcji, w tym trudnych do leczenia. Ze względu na szerokie spektrum działania bakteriobójczego, skuteczność doustną i dobrą tolerancję, jest szeroko stosowany w terapii empirycznej zakażeń układu moczowego, ostrego niepowikłanego zapalenia pęcherza, przewlekłego bakteryjnego zapalenia gruczołu krokowego, zakażeń dolnych dróg oddechowych, zakażeń skóry, duru brzusznego, zakażeń kości i stawów oraz odmiedniczkowego zapalenia nerek. Jest również uznawany za lek drugiego rzutu w leczeniu cholery i gruźlicy w przypadkach oporności lub braku odpowiedzi na leki przeciwgruźlicze pierwszego rzutu.

Zespół badawczy zastosował metodę mokrego mielenia z użyciem alkoholu poliwinylowego (PVA) jako stabilizatora, bez stosowania rozpuszczalników organicznych, co czyni proces produkcji przyjaznym dla środowiska. Zastosowano młyn kulowy planetarny o wysokiej wydajności (Fritsch GmbH Planetary Micro Mill Pulverisette 7) z następującym składem materiałowym: 2,00 g CIP, 18,0 g 5% (w/w%) roztworu PVA i 20,00 g kulek ZrO₂ (d = 0,3 mm). Parametry mielenia zostały wcześniej zoptymalizowane za pomocą projektowania czynnikowego, aby skrócić czas mielenia poprzez zwiększenie prędkości obrotowej. Ostateczny czas mielenia wynosił 30 minut przy prędkości obrotowej 800 obr/min.

Uzyskana nanosuspensja (NS) zawierała cząsteczki CIP o średnicy zaledwie 120-260 nm, co drastycznie zwiększyło powierzchnię właściwą leku (do około 35 m²/g) w porównaniu z surowym materiałem. PVA pokrył cząsteczki CIP podczas mielenia, co hamowało agregację cząstek. Technika ta pozwala uzyskać NS w 30 minut mielenia, zwiększając efektywność kosztową preparatu.

Następnie nanosuspensję przekształcono w proszek do inhalacji metodą suszenia rozpyłowego, dodając L-leucynę (LEU) i D-mannitol (MAN) jako substancje pomocnicze. Przygotowano trzy kompozycje spray-dried (SPD) poprzez dodanie różnych ilości LEU i MAN do NS. Mikrocząstki do inhalacji wytworzono przy użyciu suszarki rozpyłowej wyposażonej w dyszę dwupłynową o średnicy 0,7 mm. Parametry suszenia rozpyłowego były następujące: temperatura wlotowa 130°C, temperatura wylotowa 70°C, wydajność aspiratora 75%, natężenie przepływu powietrza 500 l/h i prędkość pompy podającej 5%.

Jak wpływa nanoredukcja cząstek na efektywność terapii?

LEU zmniejsza kohezję między cząstkami i poprawia przepływ proszku, natomiast MAN działa jako matryca poprawiająca właściwości aerozolowe i stabilność preparatu. LEU ma niską energię powierzchniową i tworzy hydrofobową powłokę wokół cząstek leku, minimalizując kohezję i adhezję między cząstkami oraz przyleganie do kapsułki. MAN sprzyja prawidłowemu, sferycznemu kształtowi i zmniejsza kohezję międzycząsteczkową, prowadząc do poprawy właściwości aerozolu. Jest również mniej higroskopijny niż niektóre inne cukry, co korzystnie wpływa na lepszą stabilność fizyczną i chemiczną formulacji DPI.

Czy takie podejście rzeczywiście poprawia właściwości aerodynamiczne i rozpuszczalność ciprofloxacinu? Badania wykazały, że opracowane formulacje osiągnęły optymalny zakres wielkości cząstek (1-5 μm) niezbędny do efektywnej depozycji w płucach. Cząstki miały sferyczną lub donutową morfologię, co jest korzystne dla głębokiej penetracji płuc. Rozpuszczalność nanocząsteczkowego CIP wzrosła niemal trzykrotnie (0,056-0,061 mg/mL vs. 0,021 mg/mL surowego leku) w sztucznym płynie płucnym.

Badania morfologii za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) wykazały, że nanoCIP_SPD pokazywał wydłużone igłowate cząstki związane z aglomeratami. Jednak w przypadku próbek zawierających LEU i MAN zaobserwowano niemal sferyczny kształt, będący wynikiem kombinacji substancji pomocniczych i zoptymalizowanej metody suszenia rozpyłowego. Zastosowanie MAN spowodowało przesunięcie morfologii sferycznej w kierunku wyglądu przypominającego pączek. Wewnętrzne puste przestrzenie, odzwierciedlające niską gęstość, mogą prowadzić do poprawy właściwości aerodynamicznych.

Istotnym aspektem jest również częściowa amorfizacja CIP podczas procesu produkcji, co dodatkowo przyspiesza uwalnianie leku – około 20% substancji czynnej uwalniało się już w pierwszych 5 minutach testu dysocjacji. Badania XRPD wykazały, że intensywność charakterystycznych pików krystalicznych CIP zmniejszyła się z powodu wpływu mielenia i suszenia rozpyłowego na krystaliczność API. Amorfizacja może prowadzić do szybszego rozpuszczania CIP w porównaniu z krystalicznym lekiem, ale może również wpływać na stabilność produktu końcowego, co wymaga dalszych badań.

Jakie korzyści i wyzwania niesie terapia inhalacyjna?

Uzyskane stężenia przekraczają minimalne stężenie hamujące (MIC) dla Pseudomonas aeruginosa, częstego patogenu w mukowiscydozie. Poprawiona rozpuszczalność przekracza minimalne stężenie hamujące różnych patogenów, takich jak Pseudomonas aeruginosa, który jest częstą przyczyną zakażeń bakteryjnych w mukowiscydozie.

Badania aerodynamiczne wykazały, że frakcja cząstek drobnych (FPF) oraz frakcja emitowana (EF) były wysokie – ponad 40% i 80% odpowiednio, co przewyższa niektóre komercyjnie dostępne produkty DPI. “Dzięki zastosowaniu odpowiednich substancji pomocniczych, cząstki nie przywierały ani do kapsułki, ani do urządzenia, a wartości EF przekraczały 80%” – raportują badacze. Wartości GSD obliczono na mniej niż 2, co wskazuje, że rozkład średnicy aerodynamicznej nanocząstek był wąski.

Jakie korzyści kliniczne może przynieść ta technologia? Bezpośrednia dostawa antybiotyku do płuc oferuje lokalne działanie przy minimalnej ekspozycji ogólnoustrojowej, co zmniejsza ryzyko działań niepożądanych. Nanocząsteczki zwiększają rozpuszczalność i absorpcję leku w płucach, co może prowadzić do szybszego początku działania terapeutycznego i poprawy skuteczności, szczególnie u pacjentów z przewlekłymi lub opornymi na leczenie infekcjami bakteryjnymi.

W porównaniu z konwencjonalnymi doustnymi i dożylnymi terapiami antybiotykowymi, bezpośrednie podawanie do płuc oferuje zaletę zlokalizowanego działania leku, zmniejszając ekspozycję systemową i związane z nią działania niepożądane. Dodatkowo, nanocząsteczki leku zwiększają rozpuszczanie i wchłanianie w płucach, co może prowadzić do szybszego początku działania terapeutycznego i poprawionej skuteczności, szczególnie u pacjentów z przewlekłymi lub opornymi infekcjami bakteryjnymi.

Wyzwaniem pozostaje skalowalność procesu produkcji oraz stabilność długoterminowa preparatów amorficznych. Mimo obiecujących wyników, kilka wyzwań musi zostać rozwiązanych, aby ułatwić przeniesienie tej technologii do praktyki klinicznej. Jednym z głównych problemów jest skalowalność procesu produkcji. Chociaż mokre mielenie i suszenie rozpyłowe są dobrze ugruntowanymi technikami, utrzymanie spójności między partiami w zakresie wielkości nanocząstek, krystaliczności i właściwości aerodynamicznych podczas produkcji na dużą skalę wymaga dalszej optymalizacji. Parametry procesu, takie jak czas mielenia, warunki suszenia rozpyłowego i proporcje substancji pomocniczych, muszą być starannie kontrolowane, aby zapewnić powtarzalność i długoterminową stabilność formulacji.

Konieczne są również badania in vivo, aby potwierdzić skuteczność i bezpieczeństwo opracowanej formulacji w warunkach klinicznych. Chociaż badanie dostarcza kompleksowej charakterystyki in vitro, walidacja in vivo jest niezbędna do potwierdzenia skuteczności i bezpieczeństwa formulacji. Ponadto, formulacje amorficzne mogą stanowić wyzwania związane ze stabilnością, takie jak rekrystalizacja i absorpcja wilgoci; dlatego należy przetestować stabilność produktu.

Przyszłe kierunki badań obejmują badania in vivo na szczurach w celu określenia stężenia leku w płucach oraz badania stabilności długoterminowej. Badacze planują przeprowadzić testy porównawcze z różnymi produktami rynkowymi, zapewniając kliniczną istotność formulacji.

Podsumowując, opracowana technologia “nano-in-micro” dla ciprofloxacinu stanowi obiecującą alternatywę dla konwencjonalnych terapii antybiotykowych, oferując bardziej efektywne i przyjazne dla pacjenta podejście do leczenia infekcji dróg oddechowych. Bezpośrednia dostawa leku do płuc w postaci nanocząstek może szczególnie korzystnie wpłynąć na leczenie pacjentów z mukowiscydozą i innymi przewlekłymi schorzeniami płuc.

Podsumowanie

Naukowcy opracowali innowacyjną formulację nanocząsteczkowego ciprofloxacinu w postaci proszku do inhalacji, która może znacząco zwiększyć skuteczność terapii przeciwbakteryjnej. Technologia bazuje na redukcji wielkości cząstek leku do skali nano (120-260 nm), co drastycznie zwiększa jego powierzchnię właściwą i rozpuszczalność. Proces produkcji wykorzystuje metodę mokrego mielenia z alkoholem poliwinylowym jako stabilizatorem, a następnie suszenie rozpyłowe z dodatkiem L-leucyny i D-mannitolu. Uzyskane preparaty wykazują doskonałe właściwości aerodynamiczne, z frakcją cząstek drobnych przekraczającą 40% i frakcją emitowaną powyżej 80%. Rozpuszczalność nanocząsteczkowego ciprofloxacinu wzrosła trzykrotnie w porównaniu z surowym lekiem. Bezpośrednia dostawa antybiotyku do płuc minimalizuje ekspozycję ogólnoustrojową i związane z nią działania niepożądane, co jest szczególnie istotne w leczeniu pacjentów z mukowiscydozą i innymi przewlekłymi schorzeniami płuc. Główne wyzwania obejmują skalowalność procesu produkcji oraz stabilność długoterminową preparatów amorficznych.