Injectable in-situ forming composite systems for treating bone infections / By Reem Khaled Mohamed Wassif ; Under the Supervision of Prof. Dr. Seham Elkheshen, Prof. Dr. Rehab Nabil Shamma, Dr. Maha Osama Elkayal

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

Bibliography: pages 149-178.

The work in this study aims to produce injectable and in-situ forming hydrogel
formulation loaded with linezolid or particulate systems encapsulating linezolid for
the local management of osteomyelitis. For reaching the optimum research scheme,
an extensive literature review was performed which led to publishing a
comprehensive review under the title “Recent advances in the local antibiotics
delivery systems for management of osteomyelitis”. The review presents the current
clinical management of osteomyelitis including the approved products in the market
both for systemic treatments and for local application on the bone surface after
performing surgeries for removing the deteriorated bones. However, the review
mainly focusses on the ongoing research for developing locally applied/administered
drug delivery systems for management of osteomyelitis including: scaffolds,
composite scaffolds, particulate systems and combined scaffolds with particulate
systems besides the challenges facing their development and commercialization.
While developing a novel antibiotic delivery system for the local treatment of
osteomyelitis, whether in the early stages of the disease or following surgical
debridement of the dead tissues in the late stages of the disease, it is beneficial for
these systems to be: biodegradable to guard against the need for another surgery to
remove them, biocompatible to avoid tissues-interactions and have the ability to
promote the growth of new bone tissues as well as the capacity to mechanically
support the injured long bone during its healing process through being composite
with biomaterials such as bioceramics. In addition, the system should deliver the
antibiotic in a sustained release manner to cover the required long period of
treatments which might reach 4 to 8 weeks. Last but not least, developing injectable
treatment modality to the site of bone infection or its close vicinity for the
management of cases which need not surgical intervention offers two major benefits;
xi
being less-invasive than surgery, thus improving patient compliance and enabling
repeated injections into the affected area following surgical debridement throughout
the course of treatment to avoid the side effects of the systemic therapy.
The objective of the current study was to create an efficient, minimally
invasive composite and combined system comprising in-situ forming hydrogel
loaded with linezolid or spray-dried polymeric nanoparticles encapsulating
linezolid, respectively and nano-hydroxyapatite in each case for local injection to
bones or their close vicinity. The developed systems were designed for dual function
namely; releasing the drug in a sustained manner for long-term treatment of bone
infections and supporting bone proliferation and new tissues generation. To achieve
these objectives, two release sustainment systems for linezolid were optimized
namely; a composite in-situ forming chitosan hydrogel and spray dried Poly-
Lactide-co-glycolide/Poly-Lactide solid nanoparticles both incorporating linezolid.
The composite, in-situ forming hydrogel of chitosan was prepared using two
different gelling agents namely; glycerophosphate (GP) and sodium bicarbonate
(NaHCO3) at 3 different concentrations each. The spray dried linezolid-loaded Poly-
Lactide-co-glycolide/ Poly-Lactide nanoparticles were developed using a water-
soluble carrier (PVP K30) and a lipid soluble one (Cetyl alcohol) along with 3 types
of DL-lactide or DL-lactide-co-Glycolide co-polymer using nano spray drying
technique. Finally, the optimized spray-dried linezolid nanoparticles were
incorporated into the optimized composite hydrogel containing nano-hydroxy
apatite (nHA). The combined hydrogel/nanoparticle systems displayed reasonable
injectability with excellent gelation time at 37 Co. The optimum formulae sustained
the release of linezolid for 7-10 days, which reveals its ability to reduce the
frequency of injection during the course of treatment of bones infections and
increase the patients’ compliance. They succeeded to alleviate the bone infections
xii
and the associated clinical, biochemical, radiological and histopathological changes
within 1-4 weeks of injection in osteomyelitis rabbit’s model. As to the state of art
in this study and to the best of our knowledge, no such complete and systematic
study on this type of in-situ forming hydrogel loaded with spray-dried nanoparticles
of linezolid is available yet in the literature.

يهدف العمل في هذه الدراسة إلى إنتاج تركيبة هيدروجيل صالحة للحقن وتكون قابلة للتكون في الموقع محملة باللينيزوليد (linezolid) أو بنظم الجسيمات المغلفة باللينيزوليد للتحكم الموضعي لالتهاب العظم الناتج عن عدوى بكتيرية. لتحقيق الخطة البحثية المثلى، تم إجراء مراجعة شاملة للدراسات السابقة تحت عنوان "التطورات الحديثة في أنظمة توصيل المضادات الحيوية الموضعية للتحكم في التهاب العظم الناتج عن عدوى بكتيرية". تتضمن المراجعة البروتكولات الحالية لالتهاب العظم الناتج عن عدوى بكتيرية، بما في ذلك المنتجات المعتمدة في السوق لكل من العلاجات والتطبيق الموضعي على سطح العظم بعد إجراء العمليات الجراحية لإزالة العظام المتدهورة. ومع ذلك، تركز المراجعة بشكل رئيسي على الأبحاث الجارية لتطوير أنظمة توصيل الأدوية المطبقة / المسيطرة موضعيا لإدارة التهاب العظم الناتج عن عدوى بكتيرية، بما في ذلك: التركيبات، التركيبات المركبة، وأنظمة الجسيمات، والتركيبات المركبة المدمجة مع أنظمة الجسيمات، بالإضافة إلى التحديات التي تواجه تطويرها وتسويقها.
أثناء تطوير نظام جديد لتوصيل المضادات الحيوية للعلاج المحلي للالتهاب العظم الناتج عن عدوى بكتيرية، سواء في مراحل مبكرة من المرض أو بعد استئصال جراحي للأنسجة الميتة في مراحل متأخرة من المرض، فإنه من المفيد أن تكون هذه الأنظمة: قابلة للتحلل الحيوي للحماية من الحاجة إلى جراحة أخرى لإزالتها، ومتوافقة مع الأنسجة لتجنب التفاعلات النسيجية ولديها القدرة على تعزيز نمو الأنسجة العظمية الجديدة، بالإضافة إلى القدرة على دعم العظم الطويل المصاب ميكانيكيًا أثناء عملية الالتئام من خلال التركيب المركب مع مواد حيوية مثل المواد السيراميكية. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن توصل النظام المضاد الحيوي بطريقة مستمرة على مدار فترة العلاج المطلوبة التي قد تصل إلى 4 إلى 8 أسابيع. وأخيرًا، تطوير طريقة علاجية قابلة للحقن في موقع العدوى العظمية أو محيطها القريب لإدارة الحالات التي لا تحتاج إلى تدخل جراحي يوفر فائدتين رئيسيتين. الأولى هي أنها أقل تدخلا من الجراحة، مما يحسن التزام المريض ويتيح الحقن المتكررة في المنطقة المتأثرة بعد استئصال جراحي طوال فترة العلاج لتجنب الآثار الجانبية للعلاج النظامي.
كان الهدف من الدراسة الحالية هو إنشاء نظام مركب ومركب فعال وبأدنى حد من التدخل يشتمل على هيدروجيل مكون في الموقع محمل بجسيمات نانوية بوليمرية مجففة أو مجففة بالرش تغلف linezolid ، على التوالي و nanohydroxyapatite في كل حالة للحقن الموضعي في العظام أو قربهم. تم تصميم الأنظمة المطورة لوظيفة مزدوجة وهي ؛ إطلاق الدواء بطريقة مستدامة من أجل علاج طويل الأمد لالتهابات العظام ودعم تكاثر العظام وتكوين أنسجة جديدة. لتحقيق هذه الأهداف ، تم تحسين نظامين لاستدامة الإصدار لـ linezolid وهما ؛ مركب مركب في الموقع مكون من هيدروجيل الكيتوزان وجزيئات نانوية صلبة مجففة بالرش بولي لاكتيد / بولي لاكتيد تحتوي على لينزوليد. تم تحضير هيدروجيل مركب في الموقع من الكيتوزان باستخدام اثنين من عوامل التبلور المختلفة وهما ؛ فوسفات الجلسرين (GP) وبيكربونات الصوديوم (NaHCO3) بتركيزات مختلفة لكل منهما. تم تطوير الجسيمات النانوية المجففة بالرش المجففة من بولي لاكتيد-جليكوليد / بولي لاكتيد المحمل بالرش باستخدام حامل قابل للذوبان في الماء (PVP K30) وواحد قابل للذوبان في الدهون (كحول سيتيل) إلى جانب 3 أنواع من DL-lactide أو DL- البوليمر المشترك اللاكتيد- co-Glycolide باستخدام تقنية التجفيف بالرش النانو. أخيرًا ، تم دمج الجسيمات النانوية الصلبة المحسّنة المجففة بالرش في هيدروجيل المركب المحسن الذي يحتوي على أباتيت نانو هيدروكسي (nHA). أظهرت أنظمة الهيدروجيل / الجسيمات النانوية المدمجة إمكانية الحقن المعقولة مع وقت تكوّن ممتاز عند 37 درجة مئوية. حافظت الصيغ المثلى على إطلاق لينزوليد لمدة 7-10 أيام ، مما يكشف عن قدرته على تقليل وتيرة الحقن أثناء علاج التهابات العظام و زيادة امتثال المرضى. نجحوا في التخفيف من التهابات العظام والتغيرات السريرية والكيميائية الحيوية والإشعاعية والمرضية المرتبطة بها في غضون 1-4 أسابيع من الحقن في نموذج التهاب العظم والنقي في الأرنب. بالنسبة إلى حالة الفن في هذه الدراسة وعلى حد علمنا ، لا توجد دراسة كاملة ومنهجية حول هذا النوع من هيدروجيل التكوين في الموقع والمحمّل بجسيمات نانوية مجففة بالرش متوفرة حتى الآن في الدراسات السابقة.

Issued also as CD

Text in English and abstract in Arabic & English.