Studi di preformulazione di sistemi a rilascio sito-specifico e prolungato di vancomicina e teicoplanina

Abstract

La vancomicina (VCM) e la teicoplanina (TCP) sono antibiotici glicopeptidici ad ampio spettro particolarmente attivi contro i microrganismi Gram-positivi resistenti ai più comuni antibiotici (in particolare lo Staphylococcus Aureus resistente alla meticillina, MRSA) e ampiamente utilizzati nella profilassi e nella terapia di infezioni localizzate nel tessuto osseo e in particolare nella revisione di protesi infette di anca o di ginocchio. Alla terapia sistemica con adeguati antibiotici viene di norma associata una somministrazione sito-specifica di vancomicina cloridrato (VCM∙HCl) o di TCP con un sistema di drug delivery ottenuto caricando i due antibiotici in cementi ossei allo scopo di ottenere una notevole azione antibatterica locale. Al fine di prolungare il rilascio dei due antibiotici si è pensato di utilizzare combinazioni di ciascun principio attivo (entrambi di natura amorfa e molto solubili in acqua) con opportuni carrier in grado, grazie alle loro proprietà, di rallentarne il rilascio. In particolare nelle nostre ricerche abbiamo considerato il possibile impiego come co-formulanti dei triacetil derivati della alfa-, beta- e gamma-ciclodestrina (TAalfa-, beta- e gamma-Cd), sostanze di natura cristallina praticamente insolubili in acqua, e del landa-carragenano (CRG), un idrocolloide in grado di modificare il rilascio di un farmaco attraverso interazioni ioniche. I sistemi binari antibiotico-TACd e antibiotico-CRG nei rapporti in peso 1:1, 1:2 e 1:3 e i sistemi ternari antibiotico-CRG-TAgammaCd nei rapporti in peso 1:1:1 e 1:1:3 sono stati allestiti con diversi metodi di preparazione quali la semplice miscelazione fisica, la cosiddetta “cristallizzazione sferica” e le tecniche più comunemente impiegate per ottenere prodotti di interazione allo stato solido come la ricristallizzazione da solventi, la coevaporazione da soluzioni per irraggiamento con microonde o in Rotavapor e lo kneading (impasto molle). I sistemi antibiotico-TACd sono stati inoltre fatti “invecchiare” per 3 mesi in contenitori chiusi di vetro ambrato nell’atmosfera di laboratorio (22-23 °C, 45-50% UR) al fine di confrontare il rilascio del farmaco con quello dai rispettivi campioni appena preparati (freschi). La caratterizzazione fisico-chimica dei singoli componenti e di tutti i sistemi ottenuti è stata condotta impiegando tecniche di calorimetria differenziale a scansione standard (DSC) e a modulazione di temperatura (MDSC), l’analisi termogravimetrica (TGA), l’analisi termomicroscopica (HSM) e la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FT-IR). Test di dissoluzione (apparecchiatura 2 secondo FU XI)e di dissoluzione intrinseca (IDR) sono stati condotti in tampone fosfato a pH 7,4 a 37 °C determinando la quantità di farmaco disciolta per via spettrofotometrica all’UV.

La valutazione dell’IDR dei sistemi TCP-TACd appena preparati (freschi) ha evidenziato la capacità delle tre TACds di rallentare la cessione in vitro del farmaco dalle rispettive combinazioni solide. La maggiore efficienza sotto questo aspetto è stata riscontrata per la TAgammaCd, il carrier con caratteristiche idrofobiche più spiccate, che già nella miscela fisica contenente la minor proporzione di farmaco permette di realizzare un rallentamento della cessione del farmaco in termini di riduzione del valore di IDR da 2,76 mg cm-2 min-1 per la TCP da sola a 0,081 mg cm-2 min-1 (circa 34 volte). Anche il CRG si è rivelato adatto allo scopo di rallentare il rilascio dei due antibiotici attraverso un meccanismo di gelificazione che prolunga il cammino che il farmaco deve percorrere per diffusione all’interno del gel. La maggiore efficienza nel rallentamento del rilascio del farmaco è stata riscontrata nelle miscele fisiche antibiotico-CRG, mentre la presenza della TACd non si è rivelata determinante ai fini del prolungamento del rilascio dei due antibiotici nei sistemi ternari farmaco-CRG-TAgammaCd.

La caratterizzazione dello stato solido amorfo utilizzando la MDSC ha escluso effetti termici attribuibili a “glass transition” per i due antibiotici (di natura amorfa), rilevandola invece sia in ciascun carrier (di natura cristallina), amorfizzato con diverse tecniche, sia nelle rispettive combinazioni binarie di questi con i due antibiotici. Per quanto concerne le combinazioni dei due antibiotici con le TACds valutate in termini di IDR dopo invecchiamento in condizioni controllate di temperatura e umidità relativa, il massimo rallentamento è stato riscontrato per le miscele fisiche farmaco-carrier contenenti TAgammaCd nel rapporto in peso 1:3 per le quali si ottiene una diminuzione dell’IDR dell’antibiotico da solo di 10 volte per la VCM∙HCl e di 28 volte per la TCP. Dal confronto dei valori di IDR delle varie combinazioni farmaco-TACd appena preparate e dopo invecchiamento, si è potuto dimostrare che la performance in termini di rallentamento di rilascio della VCM∙HCl non subisce sostanziali variazioni con l’invecchiamento, mentre nelle combinazioni farmaco-carrier contenenti TCP l’IDR tende ad aumentare (quindi si ha un rallentamento meno spiccato) con l’invecchiamento dei sistemi, fatta eccezione per la combinazione TCP-TAbetaCd ottenuta per coevaporazione nel rapporto in peso farmaco-carrier 1:1 nella quale l’IDR passa da 0,826 mg cm-2 min-1 (fresco) a 0,631 mg cm-2 min-1 (invecchiato). I sistemi in rapporto equiponderale (circa equimolare) farmaco-carrier che si possono proporre per successivi studi sui cementi caricati con gli antibiotici considerati, sulla base della capacità di rallentamento del rilascio del principio attivo in vitro anche dopo invecchiamento, sono: (a) per la VCM∙HCl in combinazione con TAalfaCd: preparato per kneading (0,229 mg cm-2 min-1); in combinazione con TAbetaCd: miscela fisica (0,204 mg cm-2 min-1); in combinazione con TAgammaCd: miscela fisica (0,174 mg cm-2 min-1) (b) per la TCP in combinazione con TAalfaCd: preparato per kneading (0,378 mg cm-2 min-1); in combinazione con TAbetaCd: miscela fisica (0,349 mg cm-2 min-1); in combinazione con TAgammaCd: miscela fisica (0,298 mg cm-2 min-1).

Vancomycin (VCM) and teicoplanin (TCP) are broad-spectrum glycopeptide antibiotics used to eradicate gram-positive bacteria resistant to traditional antibiotics such as methicillin-resistant Staphilococcus aureus bacteria (MRSA), particularly used in clinical situations such as prosthetic infections and osteomyelitis. The aim of this work was to prepare systems for site-specific prolonged release of vancomycin hydrochloride (VCM∙HCl) and TCP able to achieve therapeutic concentration of each antibiotic in the infected bone. Triacetyl alfa- (TAalfaCd), beta- (TAbetaCd) and gamma-cyclodextrin (TAgammaCD) were chosen as hydrophobic carriers to slow down the release of amorphous, water soluble VCM∙HCl and TCP. Landa-carrageenan (CRG), a hydrocolloid which is able to modify drug release through ionic interactions, was also tested both alone and in association with TAgammaCd for a possible synergistic effect with this carrier in slowing down the drug release. Antibiotic-TACd and antibiotic-CRG binary systems in the 1:1, 1:2 and 1:3 drug-to-carrier mass ratios and antibiotic-CRG-TAgammaCd ternary systems in the 1:1:1 and 1:1:3 drug-to-carrier mass ratios were prepared by physical mixing, spherical agglomeration, and recrystallization, kneading or coevaporation. Antibiotic-TACd binary systems were also stored for 3 months at 22-23 °C at 45-50% RH in order to compare drug release from stored and freshly prepared systems. Individual components and all drug-carrier preparations were characterized using differential scanning calorimetry (DSC) and modulated temperature differential scanning calorimetry (MDSC), thermogravimetric analysis (TGA), thermomicroscopic analysis (HSM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). Dissolution test (USP apparatus 1) and intrinsic dissolution rate (IDR) test in pH 4.7 phosphate buffer at 37 °C were used for assessing the in vitro profiles of drug release. The dissolved drug was determined by UV spectroscopy.

All TACds were found to be able to slow down the release of TCP from freshly prepared systems and the TCP-TAgammaCd physical mixture in the 1:3 drug-to-carrier mass ratio was particularly efficient in this respect. IDR value reduced from 2,76 mg cm-2 min-1 for TCP alone to 0,081 mg cm-2 min-1 (about 34 times). Also CRG revealed a suitable carrier for prolonging drug release with a marked retarding effect from drug-carrier physical mixtures. Gelification of CRG in contact with the dissolution media can be assumed to be responsible for the slowing down effect on drugs release due to the diffusion through the gel. The presence of TAgammaCd as a ternary component does not play a significant role in this respect. IDR values for stored VCM∙HCl-TACd and TCP-TACd systems showed the best performance of the drug-TAgammaCd physical mixtures 1:3 drug-to-carrier mass ratio (10 times and 28 times reduction of IDR of VCM∙HCl alone and TCP alone, respectively). Comparing IDR values of stored and freshly prepared drug-TACd binary systems, no significant differences in the drug release profiles for VCM∙HCl after storage were found, whereas TCP-TACd combinations showed an increase in the IDR values after storage, except the TCP-TAbetaCd coevaporated system in the 1:1 drug-to-carrier mass ratio whose IDR value decrease from 0,826 mg cm-2 min-1 (freshly prepared system) to 0,631 mg cm-2 min-1 (stored system). The systems in the drug-to-carrier 1:1 (by weight) ratio (approximately 1:1 (mol/mol) ratio) which can be proposed for further studies on antibiotate PMMA cements, on the basis of the capacity of slowing down the in vitro drug release, are: (a) for VCM∙HCl with TAalfaCd: kneading product (0,229 mg cm-2 min-1); with TAbetaCd: physical mixture (0,204 mg cm-2 min-1); with TAgammaCd: physical mixture (0,174 mg cm-2 min-1) (b) for TCP with TAalfaCd: kneading product (0,378 mg cm-2 min-1); with TAbetaCd: physical mixture (0,349 mg cm-2 min-1); with TAgammaCd: physical mixture (0,298 mg cm-2 min-1).