Budesonide loaded pH-sensitive PLGA nanoparticles for the treatment of inflammatory bowel disease

Abstract

Local drug delivery in contrast to the established systemic drug delivery provides distinctive advances for the safe and effective therapy of inflammatory bowel disease (IBD). The preferred accumulation of small sized nanoparti cles in the inflamed gut mucosa explored a new area of targeted drug delivery in the treatment of IBD. The objective of this study was to design a local and targeted nanoparti culate carrier system for the treatment of IBD. For this purpose, budesonide loaded poly (lacti c-co-glycolic acid) (PLGA) nanoparticles were prepared by oilin water (O/W) emulsion evaporati on techniques. Similarly, pH-sensitive nanoparti cles were also prepared by coati ng budesonide loaded PLGA nanoparti cles with methyl-methacrylate-copolymer. The prepared uncoated and coated PLGA nanoparticles were characterized for their size, size distribution, shape, drug loading and in-vitro drug release profile. The coated nanoparticles showed a differenti al pH-dependent release profile, while uncoated PLGA nanoparti cles showed no effect upon pH change. Furthermore, budesonide loaded uncoated PLGA nanoparticles were first tested for therapeuti c efficacy in an inflamed 3D cell culture model, where the drug loaded PLGA nanoparti cles significantly affected the secreti on of the inflammatory marker IL-8 in comparison to other formulations. After allin vitro characterizati on and stability tests, in vivo therapeutic efficacy was assessed using arti ficially induced colitis animal models. Results from the in vivo studies demonstrated the potential of nanoparticles for targeted drug delivery to the inflamed mucosa and moreover this concept can be improved by pH sensitive nanocarriers as observed in this study. However, further experiments are necessary to build up a bridge between research and application to the patient.

Die lokale Wirkstofffreisetzung bietet bei der Behandlung von chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED) im Hinblick auf die Sicherheit und Effektivität der Therapie deutliche Vorteile im Vergleich zur etablierten systemischen Therapie. Die Akkumulation von Nanopartikeln in der entzündeten Darmschleimhaut eröffnet hierbei neue Anwendungsmöglichkeiten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines nanopartikulären Drug Delivery Systems zur gezielten Behandlung von CED. Mit Budesonid beladene Nanopartikel aus Polylactid co Glycolid (PLGA) wurden mit einer Öl in Wasser Emulsionsmethode hergestellt. Durch das Beschichten von mit Budesonid beladenen PLGA Nanopartikeln mit Methacrylsäuremethylestern konnten zudem pH-sensitive Nanopartikel entwickelt werden. Sowohl die nicht beschichteten als auch die beschichteten Nanopartikel wurden hinsichtlich ihrer Größe, Größenverteilung, Morphologie und Wirkstoffbeladung sowie der Wirkstofffreisetzung in-vitro charakterisiert. Bei den beschichteten Nanopartikel wurde, im Gegensatz zu beschichteten Partikel, eine deutliche pH-Abhängigkeit des Freisetzungsprofils festgestellt. Die therapeutische Wirksamkeit von Budesonid beladenen, nicht beschichteten PLGA Nanopartikel wurde in einem 3D-Zellkulturmodell getestet. Im Vergleich zu anderen Formulierungen beeinflussten die PLGA Nanopartikel signifikant die Ausschüttung des inflammatorischen Markers Interleukin-8. Anschließend wurde die therapeutische Wirksamkeit der Partikel auch in vivo in tierischen Colitis-Modellen untersucht. Die Ergebnisse dieser in-vivo-Studien zeigten das Potential von Nanopartikeln als Drug Delivery Systeme zur gezielten Wirkstofffreisetzung in der entzündeten Darmmukosa. Darüber hinaus konnte durch die in vivo-Ergebnisse auch gezeigt werden, dass der Einsatz pH-sensitiver Nanopartikel die therapeutische Wirksamkeit weiter erhöht. Um die noch bestehende Lücke zwischen Forschung und tatsächlicher Anwendung am Patienten zu überbrücken, sind jedoch noch weitere Untersuchungen nötig.