Scalable polymeric nanoparticles for potential nose-to-brain delivery applications

Abstract

Nose-to-brain (N2B) delivery offers a non-invasive route to treat central nervous system (CNS) diseases via bypassing the blood-brain barrier (BBB). Polymeric nanoparticles (NPs) such as poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) NPs are biodegradable, making them promising carriers. Incorporating hydrophobic and hydrophilic small and large molecular weight (Mw) substances with innovative methods could enhance bioavailability. However, scalable manufacturing of these NPs remains a challenge. Therefore, this study investigates encapsulating model substances with different Mw into these PLGA NPs using two continuous manufacturing technologies: the spinning disc system (SDS) and the micro-spray-reactor (MSR). By employing the modified-nanoprecipitation method with the SDS, a small Mw hydrophobic substance (curcumin), and by the double emulsion method and MSR, small and large Mw drugs (Ciprofloxacin HCl and albumin-FITC) were successfully encapsulated with high encapsulation efficiencies. Blank and model-substance-loaded (albumin-FITC and wheat germ agglutinin-488 (WGA488)) fluorescent PLGA NPs were prepared using the MSR system to assess their potential for future N2B delivery applications. The NPs showed biocompatibility and sustained drug release profiles and were not internalized in test cells, which is ideal for N2B delivery. Overall, these proof-of-concept studies show scalable NP manufacturing and flexible drug loading for future applications such as N2B delivery

Das Delivery von Wirkstoffen über die Nase zum Gehirn (N2B) bietet einen nicht-invasiven Weg zur Behandlung von Erkrankungen des zentralen Nervensystems durch Umgehung der Blut-Hirn-Schranke. Polymere Nanopartikel (NP) wie PLGA NP sind bioabbaubar und daher vielversprechende Träger. Die Einbindung hydrophober und hydrophiler Substanzen mit kleinen und großen Molekulargewichten (Mw) mittels innovativer Technologien könnte die Bioverfügbarkeit verbessern. Die skalierbare Produktion dieser NPs bleibt jedoch eine Herausforderung. Diese Studie untersucht die kontinuierliche Herstellung von PLGA NPs mit Modellsubstanzen unterschiedlichen Mw mittels Spinning-Disc-System (SDS) und Micro-Spray-Reactor (MSR). Mit der modifizierten Nanopräzipitationsmethode mit SDS und einer hydrophoben Substanz mit kleinem Mw (Curcumin) sowie der Doppelemulsionsmethode und dem MSR wurden Substanzen mit kleinem und großem Mw (Ciprofloxacin HCl und Albumin-FITC) erfolgreich mit hoher Verkapselungseffizienz verkapselt. Leere und mit Albumin-FITC und WGA488 beladene fluoreszierende PLGA NP wurden mit dem MSR-System hergestellt, um ihr Potenzial für künftige N2B-Transportanwendungen zu bewerten. Die NPs wiesen Biokompatibilitäts- und anhaltende Wirkstofffreisetzungsprofile auf und wurden nicht zellular internalisiert, was für die N2B-Verabreichung ideal ist. Insgesamt zeigen diese Studien, dass die Herstellung von NPs mit verschiedenen Wirkstoffmolekülen für zukünftige Anwendungen skalierbar machbar ist.