Development of mucoadhesive silk fibroin nanoparticles for sustained drug delivery to the ocular surface

Abstract

Presently, the conventional eye drops are the most popular dosage forms for ocular drug delivery, especially for the treatment of anterior segment disorders. Because of it is convenient and non-invasive. However, after topical administration, the rapid clearances of the drug by blink-induced tear drainage and tear dilution are common cause of poor drug absorption and low bioavailability. Therefore, to overcome these limitations, in this study, silk fibroin nanoparticles (SFNs) were developed as a mucoadhesive nanocarrier for topical drug delivery to the ocular surface, that are able to enhance drug retention on the ocular surface and reduce drug elimination. SFNs were easily prepared by nanoprecipitation technique by dropping silk fibroin (SF), a negatively charged polymer, in 95% (v/v) ethanol. After that, the nanoparticle was separated and their surface was coated with chitosan (CS), a positively charged polymer, by polyelectrolyte complexation technique. Finally, polyethylene glycol 400 (PEG400), a stabilizing agent, was also added as a stabilizing agent. The effects of the volume ratios of SF:Ethanol and the amounts of CS and PEG400 on the physiological property, including morphology, particle size and surface charge of SFNs were evaluated. The entrapment efficiency (EE) was determined using sodium fluorescein (NaF) and nile red (NR) as examples of hydrophilic and hydrophobic drugs, respectively. Fourier transform infrared spectroscopy spectra (FTIR) confirmed the intermolecular interactions between the positively charged amine groups of CS with the negatively charged sulfate group of SF. Mucoadhesiveness of nanoparticles was assessed ex vivo using porcine eyes. Whereas cell cytotoxicity study and cellular uptake were also determined in vitro using human corneal epithelium cells line (HCEC)

The optimized condition for SFNs synthesis was a volume ratio of SF:Ethanol as 1:2 and the amounts of CS (C) and PEG400 (P) as 0.625 and 0.032 mg/ml, respectively, as called SFN-CP4. The SFN-CP4 were nearly spherical with size 198.47 ± 35.54 nm and surface charge as 38.33 ± 0.67 mV. Results of a comparison between the FTIR spectra of CS and SFN-CP4 were clearly indicated that the SFN-CP4 were coated with CS by peaks shifts of amide group in CS-FTIR spectra. The highest EE of NaF and NR into SFN-CP4 was ~95% and ~67%, respectively. SFN-CP4 showed long-term adherence to the surface of porcine cornea over 240 min. It entry into the HCEC within 30 min without induced cytotoxicity. Overall, the characteristics of SFN-CP 4 make them suitable for application in topical ocular surface drug delivery. Moreover, it can be adopted for delivery other drugs to improve therapeutics effect for ocular surface diseases.

ปัจจุบันยาน้ำหยอดตาเป็นรูปแบบการนำส่งยาตาที่เป็นที่นิยมมากที่สุด โดยเฉพาะการรักษาความผิดปกติบริเวณดวงตาส่วนหน้า เนื่องจากมีความสะดวกในการใช้งานและไม่รุกล้ำดวงตา แต่อย่างไรก็ตาม ยาน้ำหยอดตายังคงมีข้อจำกัด ซึ่งหลังจากหยดยาลงที่ดวงตา ตัวยาจะถูกเจือจางโดยน้ำตาและถูกกำจัดอย่างรวดเร็วโดยการกระพริบตา ตัวยาจึงถูกดูดซึมได้น้อย ส่งผลให้ค่าชีวประสิทธิผลของยาต่ำ ดังนั้นเพื่อแก้ไขข้อจำจำกัดดังกล่าว การพัฒนาอนุภาคนาโนให้มีคุณสมบัติเกาะติดเยื่อเมือก (mucoadhesive nanoparticles) ที่เรียกว่า ซิลค์ไฟโบรอินนาโนพาร์ทิเคิล (silk fibroin nanoparticles:SFNs) เพื่อเพิ่มระยะเวลาการเกาะติดที่ผิวหน้าดวงตา ลดการถูกเจือจาง จะสามารถช่วยเพิ่มชีวประสิทธิผลของยาได้ นอกจากนี้ยังสามารถลดการถูกกำจัดออกและสารมารถควบคุมการปลดปล่อยยาบนผิวกระจกตาได้อีกด้วย ดังนั้นในการศึกษานี้ จึงได้พัฒนาตำรับยาหยอดตาในรูปแบบการนำส่งด้วยอนุภาคนาโน (nanocarrier) โดย SFNs สามารถเตรียมจากเทคนิคการตกตะกอน (precipitation technique) ด้วยการหยดสารละลายซิลค์ไฟโบรอิน (silk fibroin; SF) ซึ่งเป็นพอลิเมอร์ที่มีคุณสมบัติประจุลบลงในเอทานอล 95% (ethanol) หลังจากนั้น เคลือบผิวอนุภาคนาโนด้วยสารละลายไคโตซาน (chitosan;CS) ซึ่งเป็นพอลิเมอร์ที่มีคุณสมบัติประจุบวก ด้วยวิธี polyelectrolyte complexation technique หลังจากนั้นเติมโพลิเอทิลีน ไกลคอล 400 (polyethylene glycol 400:PEG400) ซึ่งเป็นสารที่ช่วยเพิ่มความคงตัวให้แก่อนุภาคนาโน จากนั้นศึกษาปัจจัยที่ส่งผลต่ออนุภาคนาโนในอัตราส่วนโดยปริมาณของ SF:ethanol ,SFN:CS และ SFN-C:PEG400 ต่อคุณสมบัติทางกายภาพของ SFNs อาทิ ลักษณะทางสัณฐานวิทยา ขนาด และประจุบนผิวอนุภาคนาโน ศึกษาประสิทธิภาพกักเก็บยาของอนุภาค (entrapment efficiency; EE) โดยการบรรจุตัวแทนยา ได้แก่ โซเดียมฟลูออเรสซีน (sodium fluorescein; NaF) เป็นตัวแทนยาที่ละลายน้ำได้ดี และไนรีเรด (nile red:NR) เป็นตัวแทนยาที่ละลายน้ำได้ไม่ดี จากนั้นทำการศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางเคมี (Fourier-transform infrared spectroscopy; FTIR) เพื่อยืนยันการเกิดปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลของ CS ที่มีประจุบวกของกลุ่มเอมีน (NH2) กับ SF ที่มีประจุลบของกลุ่มซัลเฟต (SO42-) ทำการศึกษาความสามารถในการยึดเกาะเยื่อเมือกของอนุภาคนาโนโดยใช้ตาหมู ทำการศึกษาความเป็นพิษต่อเซลล์ และการเข้าสู่เซลล์ของอนุภาคนาโนโดยใช้ Human corneal epithelium cells line (HCEC)

ในการศึกษาคร้้งนี้ได้พัฒนาอนุภาค SFN-CP ได้สำเร็จ ในอัตราส่วนโดยปริมาณของ SF:ethanol เป็น 1:2 และปริมาณของ CS และ PEG400 ที่ความเข้มข้น 0.625 และ 0.032 mg/ml ตามลำดับ SFN-CP มีลักษณะค่อนข้างกลม โดยมีขนาด 198.47 ± 35.54 นาโนเมตร และมีประจุที่ผิวอนุภาค +38.33 ± 0.67 มิลลิโวลต์ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางเคมี เมื่อเปรียบระหว่าง CS-FTIR และ SFN-CP spectra พบว่า SFNs ถูกเคลือบด้วย CS โดยยืนยันจากการเปลี่ยนตำแหน่งโครงสร้างของกลุ่มเอมีนใน CS-FTIR การเก็บกักตัวยาของ NaF และ NR บน SFNs สามารถกักเก็บได้สูงสุดถึง 95% และ 67% ตามลำดับ SFN-CP สามารถยึดเกาะเยื่อเมือกของผิวกระจกตาหมูนานกว่า 240 นาที และสามารถเข้าสู่เซลล์ HCEC ภายใน 30 นาที โดยไม่เป็นพิษต่อเซลล์ ดังนั้น จากข้อมูลทั้งหมดนี้ แสดงให้เห็นลักษณะที่เหมาะสมของ SFN-CP สำหรับใช้ในการนำส่งยาทางผิวหน้าของดวงตา นอกจากนี้ ยังสามารถนำอนุภาคนี้ไปการประยุกต์ใช้เพื่อนำส่งยาอื่นๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพประสิทธิผลของการรักษาโรคผิวหน้าดวงตาได้