Preparation of novel multifunctional formulations intended for pulmonary delivery

Abstract

The eradication of pathogenic bacteria in cystic fibrosis (CF) lungs is often unsuccessful because of the poor permeability of the drug through the thick respiratory mucus barrier and biofilm. Nanoparticles are promising carriers due to their ability to cross these barriers and to deliver the loaded drug into the site of action. Nanoparticles exhibit a poor lung deposition; therefore, they need to be transformed into microparticles, which are suitable for dry powder inhalers and thus can be applied pulmonary. In this work, PLGA NPs loaded with Curcumin were produced using microfluidic technology. While using different factors during the manufacturing, their effect on the size and the encapsulation efficiency of the drug was evaluated. Also, the particles showed a fast permeability through the mucus barrier. Furthermore, a novel microparticulate matrix (composed of an antibiotic and N-acetylcysteine) was developed using a spray-drying technique in order to embed the NPs within it and to add even more functionality to the formulation. The aerodynamic properties of microparticles were tested using NGI. Then, their impact on the viscosity of mucus was tested. Additionally, a solid-state characterization and investigations regarding the physical stability of the obtained DPI formulations were performed. Finally, their effect against biofilm formation and inflammation was tested. Summarizing, the formulations represent a promising approach for the future treatment of pulmonary infections in CF.

Oft misslingt die Eradikation pathogener Bakterien in Atemwegen von Mukoviszidose Patienten. Grund ist die schlechte Permeabilität des Arzneistoffes durch den pulmonalen Mukus und den Biofilm. Nanopartikel sind hierfür vielversprechende Trägersysteme, da sie diese Barrieren durchdringen und den geladenen Arzneistoff an den Wirkort bringen können. Aufgrund der geringen Deposition von Nanopartikeln in der Lunge ist die Umformulierung der Mikropartikel nötig, damit sie pulmonal appliziert werden können. In dieser Arbeit wurden durch Verwendung von Mikrofluidik Kurkumin beladene PLGA Nanopartikel hergestellt. Der Einfluss verschiedener Herstellungsfaktoren auf Partikelgröße und Verkapselungseffizienz wurde bewertet. Die Partikel zeigten eine rasche Permeation in den Mukus. Mittels Sprühtrocknung wurde eine neuartige Matrix (aus Antibiotikum und N-Acetylcystein) entwickelt, die die Einbettung der Nanopartikel erlaubt und die Funktionalität der Formulierung weiter steigert. Die aerodynamischen Eigenschaften der Mikropartikel wurden mittels NGI untersucht und die Verflüssigung des Mukus wurde nach Anwendung gezeigt. Die Formulierungen für den Pulverinhalator wurden im festen Aggregatzustand charakterisiert und ihre physikalische Stabilität getestet. Schließlich wurde ihre biologische Wirkung (gegen Biofilme und Entzündungsreaktionen) untersucht. Die Formulierungen stellen einen vielversprechenden Ansatz für die künftige Behandlung von pulmonalen Infektionen bei Mukoviszidose dar.