A pharmaceutical study on carrier systems loaded with an anti-inflammatory druge /
Basma Ibrahiem Abo Alanen,
A pharmaceutical study on carrier systems loaded with an anti-inflammatory druge / دراسة صيدلانية عن انظمة الناقل محملة بدواء مضاد للإلتهابات / by Basma Ibrahiem Abo Alanen ; Supervision of Prof. Dr. Rehab Nabil Shamma, Prof. Dr. Hanan Mohamed Kamal Refai. - 167 pages : illustrations ; 25 cm. + CD.
Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2024
Bibliography: pages 137-167.
Osteoarthritis is a bone and joint condition characterized pathologically by articular cartilage degenerative damage and can develop into a devastating and permanently disabling disorder. This investigation aimed to formulate the anti-inflammatory drug, lornoxicam (LOR), into bile salt enriched vesicles loaded in an in-situ forming hydrogel as a potential local treatment of osteoarthritis. This was achieved by formulating LOR-loaded bilosomes that were further loaded onto superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) for intramuscular (IM) administration to improve joint targeting and localization by applying an external magnet to the joint.
A 31.22 full factorial design was employed to develop the bilosomal dispersions and the optimized formula including SPION (LSB) was loaded into a thermosensitive in-situ hydrogel. In-vivo evaluation of the optimized system revealed that the IM administration of LSB combined with the application of an external magnet to the joint succeeded in reversing carrageen-induced suppression in motor activity and osteoprotegerin by significantly reducing the elevations in mitogen-activated protein kinases, extracellular signal-regulated kinase, and receptor activator of nuclear factor kappa beta /osteoprotegerin expressions. In addition, the histopathological evaluation of knee joint tissues showed a remarkable improvement in the injured joint tissues. The results prove that the developed LSB could be a promising IM drug delivery system for osteoarthritis management.
.The work in this thesis was divided into three chapters
Chapter I: Formulation and evaluation of Lornoxicam-loaded bilosomes
This study aimed to develop a bile salt enriched nanovesicles loaded with lornoxicam (LOR) for the management of osteoarthritis via IM delivery. Various formulations of LOR-loaded bilosomes were evaluated to achieve maximal solubilization of the hydrophobic drug and present a sustained release manner.
Using Design Expert® software (version 13), a 31.22 full factorial design was exploited to assess the impact of various parameters in formulating LOR-loaded bilosomes. In this design, three independent variables were analyzed; X1: the type of surfactant with two levels, X2: the type of bile salt with 3 levels, and X3: the quantity of bile salt with two levels. Their influence on entrapment efficiency (%, Y1), particle size (nm, Y2), and zeta potential (mV, Y3) as a dependent parameter was observed.The design illustrates the influence of the independent factors individually (X1 or X2 or X3) and their interaction effect (X1X2, X1X3, X2X3) on the particle size (PS), entrapment efficiency percent (EE%), and zeta potential (ZP).
Based on the desirability function, the optimized system (LB4) was selected demonstrating EE% of 87.1 ± 1.67%, PS of 254.0 ± 14.0 nm, and ZP of -40.30 ± 0.12 mV.
The further in-vitro characterizations of the optimized system (LB4) exhibited good solubilization of LOR in the bilosomal dispersion with no interference between the drug and the other excipients. Moreover, its morphological evaluation utilizing a transmission electron microscope revealed spherical, unilamellar, uniform vesicles with no clustering. Additionally, the LB4 stayed stable for up to 90 days at 4oC.
Chapter II: Formulation and evaluation of LOR SPION - loaded bilosomes incorporated into a thermosensitive in-situ forming hydrogel.
The optimized formula (LB4) was loaded with SPION for the development of LOR/SPION-loaded bilosomes (LSB). The formulated LSB was evaluated presenting EE% of 87.24 ± 0.85%, PS of 323.0 ± 7.2 nm, and ZP of 32.5 ± 1.6 mV.
Additional in-vitro characterizations of the LSB demonstrated significant magnetic responsiveness to outside magnetic fields. Moreover, its morphological evaluation utilizing a transmission electron microscope demonstrated a capsule-like structure with peripheral localization indicating that the SPIONs were successfully integrated into the bilosomes. Additionally, the LSB stayed stable for up to 90 days at 4oC.
Furthermore, the LSB was loaded into a syringeable in-situ forming hydrogel for further sustainability of the drug release and prolonged residence after IM administration. Different concentrations of Synperonic™ PE/F 127 in addition to different concentrations of hyaluronic acid were added to the LOR/SPION-loaded bilosomes (LSB) to attain the desired gelation temperature. The optimum system LSB4c demonstrated the desired gelation temperature (37.00 ± 0.29oC) and an appropriate gelation time (38.0 ± 1.6 sec). Moreover, its rheological behavior exhibited a shear-thinning pseudoplastic flow.
Results of the in-vitro release study revealed that LB4, LSB, and LSB4c released approximately 92.87 ±1.51%, 81.14 ±2.82%, and 61.97±2.49% of the LOR within 48h.
Chapter III: In-vivo evaluation of the optimized LOR-loaded systems
The developed optimized LOR-loaded systems were subjected to further in-vivo evaluation on arthritic rats. The in-vivo results showed that the optimized LSB in-situ forming hydrogel (LSB4c) had superiority over the optimized LOR-loaded bilosome (LB4) and the free drug hydrogel in the management of inflammation and osteoarthritis with a significant elevation in OPG level and reduction in RANKL, MAPK, and ERK1 levels as well as significant enhancement in the histopathological evaluation of the knee joint. Hence, the LOR SPION bilosomes-loaded in-situ forming hydrogel system that is injected IM into the thigh muscle combined with the application of an external magnet to the knees could be regarded as a competent platform for the suppression of OA in addition to being a safe and more acceptable alternative to inta-articular injection. ان الهدف من هذه الدراسة هو صياغة نظام توصيل لقار اللورنوكسيكام قابل للحقن العضلى لعلاج التهاب المفاصل و العظام. تم تقيم صيغ مختلفة من الليبوزومات لتحقيق أقصى قدر من الذوبان للدواء الكاره للماء وإظهار طريقة اطلاق مستدامة . إطلاق مستدامة
تم استخدام تصميم احصائي (a 31.22 full factorial design) باستخدام برنامج Design-Expert® لدراسة تأثير المتغيرات المستقلة المختلفة لدراسة تأثير المتغيرات المستقلة المختلفة) نوع المؤثر السطحى (X1) ، نوع املاح الصفراء (X2) ، و كميه املاح الصفراء ((X3) على ثلاث استجابات مقابلة) حساب كفاءة التحوصل داخل البيلوزوم (Y1) (EE%) ، حجم الجسيمات (Y2) (PS) ، وقياس جهد الزيتا الكهربى (Y3) (z p) ،. (اقترح البرنامج إعداد 12 صيغة. تم اختيار افضل صيغة (LB) عن طريق حساب معامل الرغبة (desirability function) التي أظهرت كفاءة حوصلة (EE%)تعادل 87.1±1.67% ، حجم جسيمات (PS) يعادل 254±14 nm ، شحنات سطحية (ZP) تعادل -40.30±0.12 mV .
أوضحت الخصائص الإضافية ل LB4عند خضوعها لاختبار التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء والمسح الحراري التفاضلى مدى كفاءة ذوبان عقار لورنوكسيكام في الليبوزومات مع عدم وجود تداخل بين الدواء والمكونات الأخرى. علاوة على ذلك ،كشف فحص الجسيمات باستخدام مجهرالانتقال الالكتروني على وجود حويصلات كروية أحادية الطبقة موحدة الشكل بدون تجميع . بالإضافة إلى ذلك ، ظلت LB4مستقرة دون تغير ملحوظ عند دراسة ثباتها لمدة تصل إلى 90 يوما عند 4 درجات مئوية.
الفصل الثانى : صياغة وتقيم البيلوزوم المحملة بعقار اللورنوكسيكام و جسيمات نانوية من أكسيد الحديد فائقة المغناطيسية وتحميلها في نظام هلامي موقعي التحول
تم تحميل الصيغة المثلىLB4 بجسيمات نانوية من اكسيد الحديد فائقة المغناطيسية لتكوينLSB .تقيم الصيغة المكونة اظهرت كفاءة حوصلة تعادل ( % 0.85±87.24) , حجم جسيمات (nm 7.2 ± 323 ) , و شحنات سطحية (1.6 ±32.5- mv) .
أوضحت الخصائص الإضافية لLSB استجابة مغناطيسية كبيرة للمجالات المغناطيسية الخارجية .علاوة على ذلك ،كشف فحص الجسيمات باستخدام مجهرالانتقال الالكتروني على وجود يشير هيكل يشبه الكبسولة مع التوطين الطرفي جسيمات نانوية من أكسيد الحديد فائقة المغناطيسية التى تم ادماجها بنجاح داخل بيلوزوم. بالإضافة إلى ذلك ، ظلتLSB مستقرة دون تغير ملحوظ عند دراسة ثباتها لمدة تصل إلى 90 يوما عند 4 درجات مئوية .
علاوة على ذلك، تم تحميلLSB في نظام هلامي موقعي التحول قابل للحقن للحفاظ على إطلاق الدواء المستدامة والإقامة الطويلة بعد الحقن العضلى . تمت إضافة تركيزات مختلفة من Synperonic™ PE/F 127 بالإضافة إلى تركيزات مختلفة من حمض الهيالورونيك إلى الصيغة المثلى لتحقيق درجة حرارة الهلام المطلوبة. أظهر الصيغة الأمثل تحول هلامي عند درجة حرارة المطلوبة ( (37±0.29 درجة مئوية) ووقت هلامي مناسب (38 ± 1.6 ثانية). علاوة على ذلك، اثبتت الدراسات الفيضية الخاصة بالLSB4c أن زيادة معدل الحركة يصاحبه انخفاض في درجة اللزوجة ويتبع ذلك السلوك خواص شبه بلاستيكية.
الدراسة الخاصة بمعدل انطلاق الدواء اظهرت ان الصيغ التالية LB4 , LSB ,and LSB4c أطلق ما يقرب من ( 92.87 ±1.51%, 81.14 ±2.82%, and 61.97±2.49%) من الدواء فى غضون 48 ساعة
الفصل الثالث:دراسة تاثير الصيغة المثلى المحملة بعقار اللورنوكسيكام و جسيمات نانوية من أكسيد الحديد فائقة المغناطيسية محملة في نظام هلامي موقعي التحول
أخيرًا، خضعت التركيبات المطورة لمزيد من التقييم في الجسم الحي على الفئران المصابة بالتهاب المفاصل .اظهرت النتائج ان الصيغة المثلى لنظام الهلامى موقعى التحولLSB4c لديه قدرة التفوق على الصيغة المثلىLB4 المحملة بعقار اللورنوكسيكام و العقار الخام لعلاج التهاب المفاصل والعظام من خلال زيادة مستوىOPG و خفض مستوى RANKL, MAPK, and ERK1
بالاضافة الى ذلك التقييم المرضي لأنسجة مفصل الركبة اظهرت تحسنًا ملحوظًا في أنسجة المفاصل المصابة. لذلك يعد الحقن العضلى للصيغة المثلى لنظام الهلامى موقعى التحول فى عضلة الفخد مصاحبة بوضع مغناطيس خارجى على الركبة الذى يعد بديل امن ومقبول للحقن المفصلى لمعالجة التهاب المفاصل والعظام
Text in English and abstract in Arabic & English.
Pharmaceutics
Osteoarthritis lornoxicam superparamagnetic iron oxide nanoparticles magnetic joint targeting bilosomes
615.7
A pharmaceutical study on carrier systems loaded with an anti-inflammatory druge / دراسة صيدلانية عن انظمة الناقل محملة بدواء مضاد للإلتهابات / by Basma Ibrahiem Abo Alanen ; Supervision of Prof. Dr. Rehab Nabil Shamma, Prof. Dr. Hanan Mohamed Kamal Refai. - 167 pages : illustrations ; 25 cm. + CD.
Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2024
Bibliography: pages 137-167.
Osteoarthritis is a bone and joint condition characterized pathologically by articular cartilage degenerative damage and can develop into a devastating and permanently disabling disorder. This investigation aimed to formulate the anti-inflammatory drug, lornoxicam (LOR), into bile salt enriched vesicles loaded in an in-situ forming hydrogel as a potential local treatment of osteoarthritis. This was achieved by formulating LOR-loaded bilosomes that were further loaded onto superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) for intramuscular (IM) administration to improve joint targeting and localization by applying an external magnet to the joint.
A 31.22 full factorial design was employed to develop the bilosomal dispersions and the optimized formula including SPION (LSB) was loaded into a thermosensitive in-situ hydrogel. In-vivo evaluation of the optimized system revealed that the IM administration of LSB combined with the application of an external magnet to the joint succeeded in reversing carrageen-induced suppression in motor activity and osteoprotegerin by significantly reducing the elevations in mitogen-activated protein kinases, extracellular signal-regulated kinase, and receptor activator of nuclear factor kappa beta /osteoprotegerin expressions. In addition, the histopathological evaluation of knee joint tissues showed a remarkable improvement in the injured joint tissues. The results prove that the developed LSB could be a promising IM drug delivery system for osteoarthritis management.
.The work in this thesis was divided into three chapters
Chapter I: Formulation and evaluation of Lornoxicam-loaded bilosomes
This study aimed to develop a bile salt enriched nanovesicles loaded with lornoxicam (LOR) for the management of osteoarthritis via IM delivery. Various formulations of LOR-loaded bilosomes were evaluated to achieve maximal solubilization of the hydrophobic drug and present a sustained release manner.
Using Design Expert® software (version 13), a 31.22 full factorial design was exploited to assess the impact of various parameters in formulating LOR-loaded bilosomes. In this design, three independent variables were analyzed; X1: the type of surfactant with two levels, X2: the type of bile salt with 3 levels, and X3: the quantity of bile salt with two levels. Their influence on entrapment efficiency (%, Y1), particle size (nm, Y2), and zeta potential (mV, Y3) as a dependent parameter was observed.The design illustrates the influence of the independent factors individually (X1 or X2 or X3) and their interaction effect (X1X2, X1X3, X2X3) on the particle size (PS), entrapment efficiency percent (EE%), and zeta potential (ZP).
Based on the desirability function, the optimized system (LB4) was selected demonstrating EE% of 87.1 ± 1.67%, PS of 254.0 ± 14.0 nm, and ZP of -40.30 ± 0.12 mV.
The further in-vitro characterizations of the optimized system (LB4) exhibited good solubilization of LOR in the bilosomal dispersion with no interference between the drug and the other excipients. Moreover, its morphological evaluation utilizing a transmission electron microscope revealed spherical, unilamellar, uniform vesicles with no clustering. Additionally, the LB4 stayed stable for up to 90 days at 4oC.
Chapter II: Formulation and evaluation of LOR SPION - loaded bilosomes incorporated into a thermosensitive in-situ forming hydrogel.
The optimized formula (LB4) was loaded with SPION for the development of LOR/SPION-loaded bilosomes (LSB). The formulated LSB was evaluated presenting EE% of 87.24 ± 0.85%, PS of 323.0 ± 7.2 nm, and ZP of 32.5 ± 1.6 mV.
Additional in-vitro characterizations of the LSB demonstrated significant magnetic responsiveness to outside magnetic fields. Moreover, its morphological evaluation utilizing a transmission electron microscope demonstrated a capsule-like structure with peripheral localization indicating that the SPIONs were successfully integrated into the bilosomes. Additionally, the LSB stayed stable for up to 90 days at 4oC.
Furthermore, the LSB was loaded into a syringeable in-situ forming hydrogel for further sustainability of the drug release and prolonged residence after IM administration. Different concentrations of Synperonic™ PE/F 127 in addition to different concentrations of hyaluronic acid were added to the LOR/SPION-loaded bilosomes (LSB) to attain the desired gelation temperature. The optimum system LSB4c demonstrated the desired gelation temperature (37.00 ± 0.29oC) and an appropriate gelation time (38.0 ± 1.6 sec). Moreover, its rheological behavior exhibited a shear-thinning pseudoplastic flow.
Results of the in-vitro release study revealed that LB4, LSB, and LSB4c released approximately 92.87 ±1.51%, 81.14 ±2.82%, and 61.97±2.49% of the LOR within 48h.
Chapter III: In-vivo evaluation of the optimized LOR-loaded systems
The developed optimized LOR-loaded systems were subjected to further in-vivo evaluation on arthritic rats. The in-vivo results showed that the optimized LSB in-situ forming hydrogel (LSB4c) had superiority over the optimized LOR-loaded bilosome (LB4) and the free drug hydrogel in the management of inflammation and osteoarthritis with a significant elevation in OPG level and reduction in RANKL, MAPK, and ERK1 levels as well as significant enhancement in the histopathological evaluation of the knee joint. Hence, the LOR SPION bilosomes-loaded in-situ forming hydrogel system that is injected IM into the thigh muscle combined with the application of an external magnet to the knees could be regarded as a competent platform for the suppression of OA in addition to being a safe and more acceptable alternative to inta-articular injection. ان الهدف من هذه الدراسة هو صياغة نظام توصيل لقار اللورنوكسيكام قابل للحقن العضلى لعلاج التهاب المفاصل و العظام. تم تقيم صيغ مختلفة من الليبوزومات لتحقيق أقصى قدر من الذوبان للدواء الكاره للماء وإظهار طريقة اطلاق مستدامة . إطلاق مستدامة
تم استخدام تصميم احصائي (a 31.22 full factorial design) باستخدام برنامج Design-Expert® لدراسة تأثير المتغيرات المستقلة المختلفة لدراسة تأثير المتغيرات المستقلة المختلفة) نوع المؤثر السطحى (X1) ، نوع املاح الصفراء (X2) ، و كميه املاح الصفراء ((X3) على ثلاث استجابات مقابلة) حساب كفاءة التحوصل داخل البيلوزوم (Y1) (EE%) ، حجم الجسيمات (Y2) (PS) ، وقياس جهد الزيتا الكهربى (Y3) (z p) ،. (اقترح البرنامج إعداد 12 صيغة. تم اختيار افضل صيغة (LB) عن طريق حساب معامل الرغبة (desirability function) التي أظهرت كفاءة حوصلة (EE%)تعادل 87.1±1.67% ، حجم جسيمات (PS) يعادل 254±14 nm ، شحنات سطحية (ZP) تعادل -40.30±0.12 mV .
أوضحت الخصائص الإضافية ل LB4عند خضوعها لاختبار التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء والمسح الحراري التفاضلى مدى كفاءة ذوبان عقار لورنوكسيكام في الليبوزومات مع عدم وجود تداخل بين الدواء والمكونات الأخرى. علاوة على ذلك ،كشف فحص الجسيمات باستخدام مجهرالانتقال الالكتروني على وجود حويصلات كروية أحادية الطبقة موحدة الشكل بدون تجميع . بالإضافة إلى ذلك ، ظلت LB4مستقرة دون تغير ملحوظ عند دراسة ثباتها لمدة تصل إلى 90 يوما عند 4 درجات مئوية.
الفصل الثانى : صياغة وتقيم البيلوزوم المحملة بعقار اللورنوكسيكام و جسيمات نانوية من أكسيد الحديد فائقة المغناطيسية وتحميلها في نظام هلامي موقعي التحول
تم تحميل الصيغة المثلىLB4 بجسيمات نانوية من اكسيد الحديد فائقة المغناطيسية لتكوينLSB .تقيم الصيغة المكونة اظهرت كفاءة حوصلة تعادل ( % 0.85±87.24) , حجم جسيمات (nm 7.2 ± 323 ) , و شحنات سطحية (1.6 ±32.5- mv) .
أوضحت الخصائص الإضافية لLSB استجابة مغناطيسية كبيرة للمجالات المغناطيسية الخارجية .علاوة على ذلك ،كشف فحص الجسيمات باستخدام مجهرالانتقال الالكتروني على وجود يشير هيكل يشبه الكبسولة مع التوطين الطرفي جسيمات نانوية من أكسيد الحديد فائقة المغناطيسية التى تم ادماجها بنجاح داخل بيلوزوم. بالإضافة إلى ذلك ، ظلتLSB مستقرة دون تغير ملحوظ عند دراسة ثباتها لمدة تصل إلى 90 يوما عند 4 درجات مئوية .
علاوة على ذلك، تم تحميلLSB في نظام هلامي موقعي التحول قابل للحقن للحفاظ على إطلاق الدواء المستدامة والإقامة الطويلة بعد الحقن العضلى . تمت إضافة تركيزات مختلفة من Synperonic™ PE/F 127 بالإضافة إلى تركيزات مختلفة من حمض الهيالورونيك إلى الصيغة المثلى لتحقيق درجة حرارة الهلام المطلوبة. أظهر الصيغة الأمثل تحول هلامي عند درجة حرارة المطلوبة ( (37±0.29 درجة مئوية) ووقت هلامي مناسب (38 ± 1.6 ثانية). علاوة على ذلك، اثبتت الدراسات الفيضية الخاصة بالLSB4c أن زيادة معدل الحركة يصاحبه انخفاض في درجة اللزوجة ويتبع ذلك السلوك خواص شبه بلاستيكية.
الدراسة الخاصة بمعدل انطلاق الدواء اظهرت ان الصيغ التالية LB4 , LSB ,and LSB4c أطلق ما يقرب من ( 92.87 ±1.51%, 81.14 ±2.82%, and 61.97±2.49%) من الدواء فى غضون 48 ساعة
الفصل الثالث:دراسة تاثير الصيغة المثلى المحملة بعقار اللورنوكسيكام و جسيمات نانوية من أكسيد الحديد فائقة المغناطيسية محملة في نظام هلامي موقعي التحول
أخيرًا، خضعت التركيبات المطورة لمزيد من التقييم في الجسم الحي على الفئران المصابة بالتهاب المفاصل .اظهرت النتائج ان الصيغة المثلى لنظام الهلامى موقعى التحولLSB4c لديه قدرة التفوق على الصيغة المثلىLB4 المحملة بعقار اللورنوكسيكام و العقار الخام لعلاج التهاب المفاصل والعظام من خلال زيادة مستوىOPG و خفض مستوى RANKL, MAPK, and ERK1
بالاضافة الى ذلك التقييم المرضي لأنسجة مفصل الركبة اظهرت تحسنًا ملحوظًا في أنسجة المفاصل المصابة. لذلك يعد الحقن العضلى للصيغة المثلى لنظام الهلامى موقعى التحول فى عضلة الفخد مصاحبة بوضع مغناطيس خارجى على الركبة الذى يعد بديل امن ومقبول للحقن المفصلى لمعالجة التهاب المفاصل والعظام
Text in English and abstract in Arabic & English.
Pharmaceutics
Osteoarthritis lornoxicam superparamagnetic iron oxide nanoparticles magnetic joint targeting bilosomes
615.7