La ionoforesi come tecnica non invasiva per la somministrazione trans-sclerale di composti biotecnologici

Abstract

Le patologie degenerative che colpiscono il segmento posteriore dell’occhio rappresentano un’importante sfida in oftalmologia. Negli ultimi anni sono state sviluppate nuove efficaci strategie farmacologiche che coinvolgono composti biotecnologici, la cui utilità terapeutica è però limitata da problemi legati alla loro somministrazione. Scopo di questa tesi è stato lo studio della ionoforesi trans-sclerale come approccio non invasivo per la somministrazione al segmento posteriore dell’occhio di farmaci biotecnologici. La tecnica è proposta come un’alternativa alle attuali vie di somministrazione, prima fra tutte, l’iniezione intravitreale, scarsamente tollerata e soggetta a severi, se pur rari, effetti collaterali. La caratterizzazione dei tessuti oculari suini ha permesso di evidenziarne l’analogia con i corrispondenti umani ed ha consentito di dimostrare che il bulbo oculare suino costituisce un ottimo modello animale in vitro per la valutazione della somministrazione trans-sclerale di farmaci. Sono stati pertanto sviluppati modelli in vitro utili per la valutazione delle barriere oculari, con particolare attenzione al ruolo della melanina. Poiché numerosi farmaci, impiegati in terapia o in fase di studio, sono macromolecole di origine biotecnologica, sono stati selezionati quali composti modello di riferimento un destrano ad alto peso molecolare, tre oligonucleotidi a singola catena ed un anticorpo monoclonale umanizzato. La valutazione dell’effetto di promozione del trasporto dei composti testati da parte della ionoforesi trans-sclerale è stata preceduta da esperimenti mirati a stabilire la capacità dei composti stessi di permeare la sclera e le altre barriere statiche in condizioni passive. Gli esperimenti sono stati realizzati utilizzando i modelli in vitro basati sull’impiego di tessuti oculari animali e umani, precedentemente sviluppati. La ionoforesi trans-sclerale ha dimostrato la propria capacità di promuovere l’assorbimento trans-sclerale di macromolecole e pertanto può essere considerata una strategia promettente da applicare al trattamento delle patologie del segmento posteriore. Infine sono stati preparati e caratterizzati idrogel quali piattaforme per il drug delivery oculare di macromolecole, controllato dalla ionoforesi. Gli esperimenti di rilascio condotti, seppur preliminari, hanno messo in luce l’abilità della ionoforesi di controllare il rilascio dagli idrogel dell’albumina bovina, utilizzata come modello di macromolecola proteica, e hanno pertanto posto le basi per lo sviluppo di un innovativo e non invasivo device oculare.

The degenerative diseases affecting the posterior segment of the eye represent a major challenge in ophthalmology. In recent years, new effective pharmacological strategies involving biotech compounds have been developed, but due to eye anatomy, they can be administered only by injective routes. The aim of this thesis was to study trans-scleral iontophoresis as a non-invasive approach for the administration of biotech drugs to the back of the eye. The technique is proposed as an alternative to current administration routes, in particular to the intravitreal injection, slightly tolerated and responsible for severe, although rare, side effects. The characterization of porcine ocular tissues demonstrated that pig eyeball is an excellent animal model of human eyeball and is suitable for in vitro evaluation of the trans-scleral delivery of active compounds. In vitro models useful for the evaluation of ocular barriers, with particular attention to the role of melanin, have been developed. Since many drugs used in therapy or under study, are biotech macromolecules, a high molecular weight dextran, three single-stranded oligonucleotides and a humanized monoclonal antibody have been selected as model compounds. Permeation experiments were conducted both in passive and iontophoretic condition. All macromolecules tested demonstrated their ability to passively cross the sclera and the other ocular barriers; iontophoresis has proven its ability to promote the trans-scleral transport and therefore it can be considered a promising strategy to non-invasively deliver biotech compounds for the treatment of the posterior segment eye diseases. Finally, agarose hydrogels have been prepared and characterized as ocular drug devices for delivery of macromolecules, controlled by iontophoresis. The experiments conducted, although preliminary, showed the ability of iontophoresis to control the release of bovine albumin, chosen as protein model, from hydrogel: this positive result is encouraging for the development of an innovative, non-invasive ocular delivery system hydrogel-based.