Iontophoresis as a non-invasive enhancement technique for the administration of drugs across biological membranes

Abstract

Iontophoresis, a technique that consists in applying low density current to a membrane, has been widely investigated in order to enhance the permeation of drugs through different biological barriers such as the skin, the buccal mucosa and the sclera in order to obtain a systemic or local (in case of trans-scleral administration) effect without the need of an injection. The aim of this thesis was to investigate the effect of iontophoresis on these three barriers, considering the different state of the art for each of them. Concerning trans-scleral iontophoresis, there are many studies with small molecules, and some on neutral and negatively charged macromolecules, while there’s a lack of data on positively charged macromolecules, which can be useful for the treatment of different posterior segment eye diseases. Cytochrome c (12.4 kDa, charge +7.9 at pH 8.2) was chosen as a model molecule. Passive transport of cytochrome c was evaluated across the sclera and the bilayer choroid-Bruch’s membrane. The affinity of cytochrome c for melanin was measured by means of in vitro binding experiments. Iontophoretic permeation was studied as a function of donor concentration (5 to 70 mg/ml) and current density (1.51 to 5.83 mA/cm²), and the contribution of electroosmosis on cytochrome c transport was determined using a high molecular weight fluorescent dextran (FD-150) as neutral marker. Moreover, also the possibility of a fine tuning of the release was assessed. The results showed that cytochrome c permeated across isolated sclera with a permeability coefficient of about 2.5*10-6 cm/s, comparable to molecules with a similar radius. Choroid-Bruch’s membrane bilayer was an important barrier to permeation, also because of the presence of melanin in this tissue. Iontophoresis (2.92 mA/cm²) enhanced cytochrome c permeation across the sclera at all the concentrations tested, increasing about 10 times the amount permeated after 2 hours. The effect was proportional to current density. Iontophoretic experiments performed with FD-150, an electroosmotic flow marker, demonstrated that the presence of cytochrome c dramatically reduced the EO flow and that, despite the high molecular weight, the main mechanism for cytochrome c iontophoretic permeation is electromigration. Finally, experiments performed with an alternation of current-assisted and passive permeation showed that a modulation of the release was possible. Buccal mucosa is an interesting alternative site to administer drugs, since it can avoid first pass effect. However, permeation is limited by the barrier properties of the buccal epithelium. Thus, iontophoresis may be useful to promote the permeation of drugs. Recently, pig esophageal epithelium has been proposed as a model for buccal epithelium, since it is easier to obtain and separate, and it has shown to be similar in structure and lipid composition compared to buccal tissue. There are limited data about buccal iontophoresis, so the aim of this part of the project was to characterize the properties of esophageal epithelium under the application of electrical current. Sumatriptan succinate was chosen as a model, because of its well characterized behavior during transdermal iontophoresis. The effect of raise in current density (0-5.83 mA/cm2) and of concentration in the donor solution were assessed. The increase in the amount permeated was proportional both to the increase in current and in donor concentration. On the other side, data in literature on transdermal iontophoresis are abundant, on both small molecules and macromolecules. In this case, we studied the effect of iontophoresis compared to laser microporation, another physical enhancement technique, on the permeation and deposition of Thymosin α1. This is a 28 amino acids peptide used to treat different pathological conditions and as an adjuvant for vaccination. Even though the amounts permeated were probably not enough to elicit a systemic response from the immune system, iontophoresis allowed higher permeation in a shorter period of time compared to laser microporation.

La ionoforesi è una tecnica fisica di promozione dell’assorbimento che consiste nell’applicazione di corrente elettrica a bassa densità ad una membrana biologica, per esempio la pelle, la mucosa buccale o la sclera, per ottenere un effetto sistemico o locale (nel caso della ionoforesi trans-sclerale) senza dover ricorrere ad un’iniezione. Lo scopo di questo lavoro era quello di studiare l’effetto della ionoforesi sulle tre barriere precedentemente menzionate, tenendo in considerazione il diverso stato dell’arte per ciascuna di esse. Per quanto riguarda la ionoforesi trans-sclerale, sono presenti molti studi su piccole molecole, ed alcuni riguardanti macromolecole neutre o cariche negativamente, mentre mancano dati su macromolecole cariche positivamente, che possono essere utilizzate per il trattamento di patologie del segmento posteriore dell’occhio. Il citocromo c (12.4 kDa, carica +7.9 a pH 8.2) è stato selezionato come molecola modello. È stata valutata la sua permeazione passiva attraverso la sclera isolata e il bilayer coroide-membrana di Bruch. È stata anche determinata l’affinità del citocromo c per la melanina attraverso studi di legame in vitro. La permeazione ionoforetica è stata studiata in funzione della variazione di concentrazione (5-70 mg/ml) e della densità di corrente applicata (1.51-5.83 mA/cm²), inoltre è stato possibile determinare il contributo dell’elettroosmosi al trasporto di citocromo c utilizzando un destrano fluorescente ad alto peso molecolare (FD-150) come marker neutro. È stata infine valutata la possibilità di utilizzare la ionoforesi per modulare finemente il rilascio di citocromo c. I risultati ottenuti hanno dimostrato che il citocromo c era in grado di permeare passivamente attraverso la sclera. Il coefficiente di permeabilità ottenuto era circa 2.5*10-6, in accordo con quanto ottenuto per molecole con raggio idrodinamico simile. Il bilayer coroide-membrana di Bruch rappresentava una barriera significativa per la permeazione, anche a causa della presenza di melanina nel tessuto. L’applicazione di ionoforesi (2.92 mA/cm²) ha determinato un aumento nella permeazione di citocromo c a tutte le concentrazioni testate, inoltre l’effetto era proporzionale alla densità di corrente applicata. Gli esperimenti di permeazione ionoforetica svolti con FD-150 come marker di flusso elettroosmotico hanno dimostrato che la presenza di citocromo c riduceva significativamente il flusso elettroosmotico, e che il meccanismo principale di trasporto era l’elettromigrazione. Infine, esperimenti svolti alternando ionoforesi e permeazione passiva hanno mostrato che era possibile ottenere una modulazione precisa del rilascio. Per quanto riguarda la mucosa buccale, invece, i dati disponibili sono scarsi. Essa è considerata un’interessante alternativa per la somministrazione di farmaci, dal momento che è ampiamente vascolarizzata e permetterebbe di evitare l’effetto di primo passaggio epatico. Tuttavia, il passaggio di farmaci è limitato dalle proprietà di barriera di questa membrane. L’applicazione della ionoforesi potrebbe facilitare la permeazione di farmaci attraverso la mucosa buccale. Recentemente, l’epitelio esofageo porcino è stato proposto come modello di mucosa buccale, poiché è più facilmente ottenibile ed si è dimostrato simile come struttura e composizione lipidica all’epitelio buccale. I dati disponibili sulla ionoforesi buccale sono estremamente limitati, quindi l’obiettivo di questa parte del lavoro di tesi è stato quello di caratterizzare le proprietà dell’epitelio esofageo porcino durante l’applicazione della ionoforesi. Come molecola modello è stato scelto il sumatriptan succinato. Sono stati valutati sia l’effetto della densità di corrente che della variazione di concentrazione di sumatriptan succinato nel donor. L’aumento di permeazione è risultato proporzionale sia all’aumento di corrente che di concentrazione. Inoltre, all’interruzione dell’ applicazione di corrente il flusso di sumatriptan ritornava a valori simili rispetto alla permeazione passiva, indicando quindi l’assenza di danni significativi alla mucosa. La ionoforesi transdermica, al contrario di quella buccale, è stata ampiamente studiata, sia utilizzando piccole molecole che macromolecole. In questo caso, si è deciso di studiare l’effetto della ionoforesi sulla permeazione transdermica di timosina α1, un polipeptide (3108 Da, carica -5 a pH 6.5) utilizzato per il trattamento di diverse patologie e come adiuvante per la vaccinazione. I risultati ottenuti sono stati poi comparati con i risultati ottenuti applicando microporazione laser, un’altra tecnica fisica di promozione. La ionoforesi si è dimostrata più efficiente rispetto alla microporazione laser, infatti la quantità permeata dopo sole sei ore era doppia rispetto alla quantità permeata dopo 24 ore di permeazione passiva attraverso pelle microporata.