A Pharmaceutical Study on Novel Nano-metric Systems to Enhance the Bioavailability of a Drug Administered Intranasally / by Mohamed Mahmoud Ali; Under The Supervision of Prof. Dr. Raguia Aly Shoukri, Dr. Carol Yousry Ghattas.

Thesis (M.Sc.)-Cairo University, 2023.

Bibliography: pages 141-168.

Parkinson’s disease (PD) is one of the most common neurological disorders. PD is characterized by tremors, sleep disorders and depression. Rasagiline mesylate (RM) inhibits MAO-B irreversibly and selectively to restore dopamine levels. Unfortunately, orally administered RM usually suffers from extensive first pass effect and low oral bioavailability (≈ 35%). The intranasal (IN) route of drug administration has gained more interest than other conventional routes owing to its numerous advantages over the oral or parenteral routes.
Nanoparticle applications are now widely explored in all medical fields for the improvement of drug delivery. The encapsulation of the drugs inside nanovesicles is a significant parameter to increase the amount of drug load inside the vesicles and enhance its therapeutic outcomes. Consequently, the aim of the work in this thesis is to formulate RM-loaded nanovesicular systems with high encapsulation efficiency to enhance its oral bioavailability and improve the brain targeting efficiency. To achieve this aim, our thesis was divided into three chapters as follows:
Chapter I:
Formulation and Evaluation of Rasagiline Mesylate Transfersomes: In-Vitro Characterization, I-optimal versus D-optimal Formulation Parameters’ Optimization.
The main aim of the work in this chapter was the formulation of RM transfersomes, in-vitro characterization of their properties, statistical analysis of the data as well as optimization of the formulation variables using two designs namely; I-optimal and D-optimal design. In the course of our study, we managed to formulate negatively and positively charged vesicles using different EAs to study the effect of the particle size and vesicles’ surface charge on their brain targeting behavior.
I-optimal and D-optimal designs were set to study the effects of Drug amount (X1; 10-50 mg), sonication time (X2; 0-60 second), and different types of edge activators (X3; Span®80, Sodium taurocholate; NaTC, Stearylamine; SA) on the characteristics of the transfersomal vesicles namely, particle size (Y1; PS), polydispersity index (Y2; PDI), zeta potential (Y3; ZP) and entrapment efficiency (Y4; EE %).
Both I-optimal and D-optimal designs showed high similarity with respect to the significant and insignificant factors, which supports our conclusion of their similarity in terms of statistical analysis and characterization. Design Expert software suggested an optimum negative transfersomes (NT) and positive transfersomes (PT) with desirability factor of 0.708 and 0.670; respectively upon the optimization of the I-optimal design, whereas the respective desirability factor values for the D-optimal design were 0.678 and 0.653. These data showed that I-optimal design construction could be more suitable to study and optimize the formulation variables with better accuracy and sensitivity as reflected in the higher desirability factor values when compared to the D-optimal design. Thus, NT and PT generated by I-optimal design were used for further evaluation.The optimized NT and PT were characterized for their in-vitro release, elasticity in the terms of deformability index (DI), morphological characteristics using transmission electron microscope and pH. The optimized NT and PT were tested in-vivo upon intranasal administration in rats to evaluate the brain targeting efficiency.
Chapter II:
Formulation and Evaluation of Rasagiline mesylate Spanlastic Nanovesicles: Characterization and Statistical Optimization.
The work in this chapter aims to formulate a new vesicular nanosystem to enhance the distribution of RM to the brain rather than the systemic circulation. To achieve our goal, RM-loaded spanlastic vesicular systems were prepared using different preparation techniques namely; thin film hydration (TFH) and modified spraying technique (MST) to fabricate vesicles with small vesicular size and high drug encapsulation.
A two-level, three-factor design (23) was built to study the effects of the different formulation variables on the characteristics of the prepared spanlastic nanovesicles in each preparation method. The independent formulation variables investigated were Span type (Span®80 or Span®60; X1), Span: Brij®35 ratio (1:1 or 4:1; X2) and the sonication time (0 or 60 sec.; X3), whereas the formulated vesicles were characterized in terms of: particle size (PS; Y1), polydispersity index (PDI; Y2), zeta potential (ZP; Y3) and entrapment efficiency (EE%; Y4).
In TFH, Design-Expert 12® Software suggested “TFH 8” as the optimum system with desirability factor 0.758, which is prepared using Span®80 in ratio 4:1 with Brij®35 and sonicated for 1 minute. Whereas “MST 2” was chosen from those prepared using MST method with desirability factor of 0.773. MST 2 was formulated using Span®60 in a ratio 1:1 with Brij®35 and sonicated for 1 minute.
Both TFH 8 and MST 2 were evaluated for their in-vitro release, morphological characteristics via TEM and pH. MST 2 was selected for further in-vivo evaluation.
Chapter III
In-vivo performance of RM-loaded transfersomes and RM-loaded spanlastics.
The aim of the work in this chapter was to evaluate the in-vivo performance of the prepared optimized systems (NT and PT from Chapter I in addition to MST 2 from Chapter II).
The results showed that Tmax of NT (1 hr.) and MST 2 (1 hr.) in brain were longer than PT (0.5 hr.) and IV solution (0.5 hr.). Despite the shorter Tmax of PT, its AUC0-∞ was significantly higher than that of NT, MST 2 and IV RM solution and achieved significantly higher absolute brain bioavailability than NT and MST 2. Additionally, MRT of PT (4.41 hr.) was significantly higher than the MRT of NT (2.01 hr.; p=0.029), MST 2 (2.42 hr.; p= 0.048) and IV solution (2.27 hr.; p= 0.040), which indicates the longer residence of positive transfersomes inside the brain. The BTE % for the optimized PT (607.7 %) was higher than the BTE% calculated for the optimized NT (156.5 %) and MST 2 (458.4 %) which proposes the significant effect of the positive surface charge in enhancing the direct transfer of RM from the nasal cavity into the brain tissues. Finally, DTP % of PT and MST 2 were positive proving that their main entry to brain was directly through the olfactory pathway, while the negative DTP % of NT indicates that the negative transfersomes reach brain after being absorbed into systemic circulation.
The above results suggest that loading RM into deformable nanovesicular systems (either positively or negatively charged) have enhanced the brain targeting efficiency of the drug However, the surface charge of the formulated transfersomal systems is a more determinantal factor -than particle size- in enhancing and optimizing the brain targeting performance of RM-loaded transfersomes. Thus, it was concluded that the IN administration of RM loaded nanovesicular system can achieve superior results to IV administration of RM solution and can be considered as a non-invasive and non-irritant alternative.

يعتبر مرض الشلل الرعاش من أكثر الأمراض شيوعا التى تصيب الجهاز العصبى و يتميز شلل الرعاش ببعض الأعراض الحركية مثل عدم الاستقرار الوضعى، الارتعاش، بطء وتصلب بالحركة كما يتميز ببعض الأعراض النفسية والتى تتمثل فى اضطرابات بالنوم، اكتئاب، اضطرابات بالرؤية، اختلال بمستوى الإدراك و فقدان للذاكرة. ومن بين العائلات الدوائية المستخدمة فى علاج الشلل الرعاش، تعتبر المثبطات لإنزيم الأوكسيداز أحادى الأمين (ب) من أكثر العائلات الدوائية استخداما حيث تمتلك مثبطات الأوكسيداز أحادى الأمين (ب) مثل السيليجلين والراساجيلين أعراض جانبية أقل عند مقارنتها بمثبطات الأوكسداز أحادى الأمين الغير متخصصة. وتقوم مثبطات الأوكسيداز أحادى الأمين (ب) بتثبيط الإنزيم بشكل نهائى مما يؤدى إلى ارتفاع معدلات الدوبامين بالمخ. يقوم الراساجيلين ميثيلات بتثبيط الأوكسيداز أحادى الأمين بشكل متخصص ونهائى حيث قد اثبت الرساجيلين ميثيلات فاعليته فى التخلص من أعراض الشلل الرعاش وتأخير استخدام الليفودوبا فى خطة العلاج.
ولكن لسوء الحظ فإن الراساجيلين ميثيلات يعانى من ظاهرة أيض المرور الاولى بعد تناوله عن طريق الفم كما يمتلك أيضا عمر نصف حيوى قصير ومعدل قليل من الإتاحة الحيوية بالإضافة الى طبيعة المركب الكيميائى المحبة للماء مما ادى إلى قصور فى الآثار العلاجية لعقار الراساجيلين ميثيلات. فى العقود الاخيرة ازداد الإهتمام بتناول العقاقير عن طريق الأنف وذلك لما فيه من مميزات قد تغلبت على معظم التحديات التى تواجه العقاقير التى يتم تناولها عن طريق الفم أو الحقن. كما تم التوسع مؤخرا في التطبيقات الخاصة بالأنظمة النانومترية وخصوصا فى مجالات تحسين وصول بعض العقاقير لتقوم بمفعولها العلاجى حيث أن الأنظمة النانومترية خاصة التى تمتلك حجما أقل من مائة نانومتر تمتلك معدلات عالية من النشاط والحركية مما يجعلها فعالة للاستخدام كمركبات للتصوير التشخيصى أو حوامل مؤثرة فى توصيل العقاقير لأماكن فاعليتها
ولذلك فإن هذه الدراسة تهدف إلى صياغة أنظمة نانومترية تقوم بتحسين الإتاحة الحيوية واستهداف الأنسجة العصبية بشكل أكثر فاعلية كما أنها قد تخفف من الآثار الجانبية مما يؤدى إلى رفع معدلات امتثال المرضى لعلاج الشلل الرعاش.
ولهذا فإن هذه الدراسة تنقسم إلى ثلاثة فصول:
الفصل الأول: صياغة وتقييم المتحولات المحملة بعقار الراساجيلين ميثيلات.
يعتبر الهدف الرئيسى من هذا الفصل هو تحسين وصول عقار الراساجيلين ميثيلات إلى المخ بعد تناوله عن طريق الأنف من خلال تحوصله داخل متحولات مرنة لها قدرة عالية على استهداف الأنسجة المخية وقد تم تحضير هذه المتحولات المحملة بعقار الراساجيلين بطريقة ترطيب الفيلم الرفيع بالإضافة إلى أن الدراسة اشتملت على تصميم أنظمة نانومترية لها شحنة موجبة وشحنة سالبة عن طريق بناء نظامين احصائيين (ال I-optimal و D-optimal) وتم استخدام النظامين لدراسة تأثير كلا من كمية العقار المحملة ، وقت التعرض للموجات فوق الصوتيه و نوع منشط السطح على خصائص المتحولات وهى الحجم، دليل التشتت المتعدد، الشحنات السطحية ومعدلات التحوصل المئوية لهذه المتحولات.
وقد اظهرت نتائج التحليل الإحصائى أن كلا من نظامى I-optimal وD-optimal قد اظهرا نفس التأثير للعوامل الذى تم دراستها مما يؤيد الاستنتاج الخاص بهذا الفصل وهو أن النظامين يمتلكان نفس القدرة على تحليل وتقييم خصائص المحولات المصاغة وقد تم استخدام كلا من النظامين للحصول على النظام الآمثل الذى يتميز بصغرالحجم، أقل دليل تشتت، أعلى شحنة سطحية (موجبة وسالبة) وأعلى معدل تحوصل مئوى للعقار وقد تم مقارنتهم بناء على حساب معامل الرغبة.
ففى حالة نظام I-optimal تم اقتراح متحولات مثالية موجبة بمعامل رغبة يساوى 0.670 ومتحولات مثالية سالبة بمعامل رغبة يساوى 0.708 اما فى حالة نظام D-optimal فقد تم اقتراح متحولات مثالية موجبة بمعامل رغبة 0.653 ومتحولات مثالية سالبة بمعامل رغبة 0.678 ولذلك فإن نظام I-optimal قد تفوق على نظام D-optimal في التنبؤ بالمتحولات المثلى ولذلك فإن المتحولات المثلى المصاغة بنظام I-optimal قد استخدمت فى مراحل التقييم الأخرى وقد استخدمت هذه المتحولات المثالية بعد ذلك لتقييم معدل الانطلاق، مرونة الجزيئات، الشكل الخارجى باستخدام الميكرسكوب الإلكترونى و الأس الهيدروجينى. وأخيرا فقد تم تقييم استهداف هذه المتحولات المثالية للانسجة المخية بتناولهم عن طريق الانف وتجربتهم على فئران.
الفصل الثانى: صياغة وتقييم السبانلستكس المحملة بعقار الراساجيلين ميثيلات.
يهدف العمل الخاص بهذا الفصل إلى تحسين استهداف المخ الخاص بعقار الرساجيلين ميثيلات عن طريق تحوصله بداخل سبانلستكس تم تحضيرها بطريقة ترطيب الفيلم الرقيق وطريقة الرذاذ المعدلة ولتحقيق ذلك تم استخدام تصميم ثلاثى العوامل ثنائى المستوى لدراسة تأثير كلا من العوامل الاتية : نوع السوربيتان ، النسبة بين السوربيتان ومنشط السطح ووقت التعرض للموجات فوق الصوتيه على خصائص السبانلستكس والتى تشمل الحجم، دليل التشتت المتعدد، شحنة السطح و نسبة التحوصل المئوية.
وقد اتضح من نتائج التحليل الإحصائى أن حجم تلك الأنظمة النانومترية قد تاثر بشكل فعال بكل العوامل المختارة ولكن شحنة السطح قد تاثرت بالنسبة بين السوربيتان ومنشط السطح فى طريقة ترطيب الفيلم الرقيق فى حين أنها تاثرت بنوع السوربيتان فى طريقة الرذاذ المعدل وأخيرا فقد اتضح أن معدل التحوصل المئوى قد تأثر فقط وبشكل فعال بنوع السوربيتان فى كل من الطريقتين.
وقد تم استخدام التصميم الإحصائي للوصول إلى الأنظمة المثلى التى تمتلك أصغر حجم، أقل دليل تشتت متعدد، أعلى شحنة للسطح وأعلى نسبة تحوصل مئوية فى كل من الطريقيتين وبناءا على ذلك فقد تم اختيار النظام الثامن فى طريقة ترطيب الفيلم الرقيق والتى تكونت من السوربيتان مونوأوليات ونسبة 4:1 بين السوربيتان ومنشط السطح ووقت التعرض للموجات فوق الصوتيه لمدة دقيقة واحدة وقد حققت معامل رغبة مساوى 0.758 في حين أن النظام المثالى الذى تم اختياره فى طريقة الرذاذ المعدلة هو النظام الثانى والذى تكون من سوربيتان مونوستيارات وتم استخدامه بنسبة 1:1 لمنشط السطح مع وقت التعرض للموجات فوق الصوتيه أيضا لمدة دقيقة واحدة وقد حققت معامل رغبة مساوى ل 0.773 .
وقد تم تقييم معدل الانطلاق المعملي، شكل السطح عن طريق الميكروسكوب الإلكترونى و الأس الهيدروجينى فى كلا من النظامين المثاليين وقد اظهر الفحص الميكروسكوبى أن الانظمة النانومترية المحضره بطريقة الرذاذ المعدلة قد امتلكت مركزا مجوفا محاطا بطبقة رقيقة معتمة من الخارج للاختلاف فى طريقة التحضير وأخيرا، فقد تم استخدام النظام المثالى المصاغ بطريقة الرذاذ المعدلة لتقييم استهداف الأنسجة المخية لتحقيقه معامل رغبة أعلى.
الفصل الثالث: تقييم الإتاحة الحيوية للمتحولات والسبانلستكس المحملة بعقار الراساجيلين ميثيلات.
يهدف العمل بهذا الفصل إلى اختبار أداء المتحولات والسبانلستكس المحملة بعقار الراساجيلين ميثيلات فى تحسين الإتاحة الحيوية لهذا العقار وذلك عن طريق تناول الأنظمة المثلى (NT/PT/MST 2) عن طريق الانف ومقارنة النتائج بمحلول الراساجيلين ميثيلات الذى تم تناوله عن طريق الوريد فى عدد معين من الفئران. حيث تم احضار ستة وتسعين فآرا وتم تقسيمهم إلى اربعة مجموعات وكل مجموعة تم تقسيمها إلى ثمانية مجموعات (n=3) وتم تحليل عقار الراساجيلين عن طريق LC-MS/MS.
وقد أوضحت النتائج وجود اختلاف واضح بين الأنظمة المثلى ومحلول الراساجيلين حيث اظهرت النتائج أن المتحولات الموجبة الشحنة ساهمت فى تحسين استهداف عقار الراساجيلين ميثيلات للمخ بنسبة % 607.7 فى حين ان المتحولات السالبة الشحنة قد حسنت استهداف المخ بنسبة 156.6 % وأن السبانلستكس قد حققت استهدافا لأنسجة المخ بنسبة 458.472 % مما يدل على أن شحنة السطح الخاصة بالجسيمات النانومترية هو عامل مؤثر فى قدرتها على تحسين الإتاحة الحيوية لعقار الراساجيلين ميثيلات بالإضافة إلى أن المتحولات الموجبة الشحنة قد امتلكت زمن إقامة بالمخ أكثر من ضعف زمن الإقامة الخاص بالمتحولات السالبة مما يدل على أن الشحنة الموجبة قد ساهمت بشكل واضح فى إطالة زمن الإقامة للعقار داخل المخ مما قد يساعد فى تقليل عدد الجرعات المطلوبة وتحسين امتثال المرضى للعلاج باستخدام عقار الراساجيلين ميثيلات .

Issued also as CD

Text in English and abstract in Arabic & English.