Development of liposomal formulations for therapeutic applications

Abstract

Os lipossomas são considerados um sistema de entrega adequado para vários fármacos. O nosso grupo de investigação desenvolveu uma formulação lipossomal com metotrexato (MTX), a primeira linha de tratamento da artrite reumatoide (AR). Os lipossomas têm uma estratégia inovadora de direcionamento por folato, recorrendo a um péptido hidrofóbico, que tem como alvo o recetor de folato β presente na superfície de macrófagos ativados, células efetoras chave na AR. Estes lipossomas acumulam-se nas articulações de ratinhos com artrite, melhorando as pontuações clínicas comparativamente a ratinhos que recebem MTX livre. Estes resultados conduziram ao desenvolvimento do projeto europeu FOLSMART, com ênfase no desenvolvimento não-clínico e ensaios clínicos de fase I. O trabalho desenvolvido no meu doutoramento está inserido neste projeto, tendo como objetivo otimizar a produção de lipossomas com MTX e completar os ensaios não-clínicos em ratinhos com artrite, de modo a alcançar a implementação do ensaio clínico em humanos. Primeiramente, foi estabelecido um método apropriado para a quantificação de fármacos encapsulados nos lipossomas, explorando as vantagens da espectrometria de ressonância magnética nuclear (RMN). Após determinar a concentração de um fármaco hidrofóbico e outro hidrofílico recorrendo ao uso de um padrão interno, foi realizado um estudo comparativo com duas técnicas tradicionais para validar os resultados obtidos por RMN. O armazenamento da formulação lipossomal a longo prazo também foi estudado, através da incorporação de sacarose como crio e lioprotetor, de modo a preservar a integridade do lipossoma após o processo de liofilização. Lipossomas com o fármaco localizado na bicamada lipídica apresentaram perdas insignificantes de fármaco, preservando a sua atividade biológica após o processo de liofilização. De seguida, o trabalho focou-se no aumento de MTX encapsulado nos lipossomas, através do desenvolvimento e otimização de um novo método de produção, baseado nos princípios do método de injeção etanólica. Os lipossomas obtidos apresentam valores pequenos de tamanho e índice de polidispersividade (sem extrusão), alta encapsulação de MTX e um aumento do benefício clínico em ratinhos com artrite. No final, foram realizadas experiências em ratinhos com artrite de modo a completar os ensaios não-clínicos. O melhor rácio fármaco-lípido de lipossomas direcionados por folato encapsulando MTX foi determinado, bem como a dose necessária para se obter efeito terapêutico. Além disso, foi avaliado o padrão de biodistribuição e a via de injeção subcutânea. Em resumo, este trabalho apresenta resultados que permitem a implementação do ensaio clínico em humanos, demonstrando que lipossomas direcionados por folato constituem um sistema promissor de entrega de MTX para o tratamento de AR.

Liposomes are considered a suitable drug delivery system for several drugs. Our research group developed a liposomal formulation encapsulating methotrexate (MTX), the first-line therapy of rheumatoid arthritis (RA). The liposomes have an innovative strategy for folate-targeted delivery, using a hydrophobic peptide, that targets folate receptor β (FRβ) present at the surface of activated macrophages, key effector cells in RA. These liposomes showed a stronger accumulation at paws of arthritic mice, improving clinical scores compared to those receiving unformulated MTX. These results pave the way to develop the European project FOLSMART, emphases on the non-clinical development and phase I clinical trials. The work developed in my PhD is inserted in this project, aiming to optimize the production of liposomes encapsulating MTX and complete the nonclinical package in arthritic mice to further reach the implementation of the First-in-Human (FiH) clinical trial. Opening findings involved the establishment of an appropriate method for drug quantification inside liposomes, exploiting the advantages of 1H Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectrometry. After determining the concentration of a hydrophobic and a hydrophilic drug using an internal standard, a comparative study was performed with two traditional techniques to validate the results obtained by 1H NMR. A suitable approach to long-term storage of the liposomal formulation was also addressed, by incorporation of sucrose as cryo and lyoprotectant, to preserve its integrity after the freeze-drying process. Liposomes with a drug located in the lipid bilayer demonstrated negligible leakage preserving their biological activity after the freeze-drying process. Following efforts were dedicated on increasing MTX encapsulated inside liposomes through the development and optimization of a novel production method, based on the principles of the ethanol injection method. The liposomes obtained present small values of size and polydispersity index (without extrusion), a higher MTX encapsulation and increases the biological benefit in arthritic mice. At the end, a set of deeper experiments were performed in collagen-induced arthritis (CIA) mice model to complete the nonclinical package. The better drug-to-lipid ratio of folate-targeted liposomes encapsulating MTX was determined as well as the dosage needed to obtain a therapeutic effect in CIA mice. Furthermore, the biodistribution pattern was evaluated as well as the subcutaneous injection route. In summary, this PhD work present findings that allow the implementation of the FiH clinical trial, demonstrating that folate-targeted liposomes constitute a promising MTX delivery system for RA treatment.