Nanohíbridos basados en minerales de la arcilla como transportadores de fármacos antituberculosos; clay minerals-based nanohybrids as carriers of tuberculostatic drugs

Resumen

La tuberculosis es una enfermedad infecciosa causada por Mycobacterium tuberculosis y representa una de las diez principales causas de mortalidad en el mundo. Es una enfermedad curable, pero es necesario un tratamiento de larga duración (al menos seis meses) y la administración de cuatro fármacos antituberculosos de primera línea (isoniazida, rifampicina, pirazinamida y etambutol), dando lugar a un cumplimiento terapéutico bajo, lo que propicia la aparición de resistencias, que dificultan el tratamiento al aumentar su coste y duración. La Organización Mundial de la Salud recomienda la administración conjunta de los cuatro fármacos en una misma forma farmacéutica, en las denominadas “combinaciones a dosis fíjas” (FDC: “Fixed-dose combinations”), con el objetivo de aumentar el cumplimiento del régimen terapéutico. Las FDC desarrolladas hasta ahora presentan problemas tecnológicos de inestabilidad física y química entre los fármacos, así como una elevada variabilidad interindividual en la biodisponibilidad de los fármacos incluidos. El fármaco más utilizado en la terapia antituberculosa es la isoniazida, por ser el de mayor actividad bactericida. Sin embargo, presenta una baja biodisponibilidad oral debida a su baja permeabilidad intestinal, que junto a su elevada solubilidad, determinan su inclusión en la clase III del Sistema de Clasificación Biofarmacéutica. Entre los excipientes inorgánicos naturales, determinados materiales constituidos fundamentalmente por minerales de la arcilla son usados en formas farmacéuticas con distintos objetivos y han sido propuestos como nanomateriales de empleo en la elaboración de sistemas híbridos capaces de optimizar las características tecnológicas y/o biofarmacéuticas de fármacos de distinta naturaleza. En esta Tesis Doctoral se han desarrollado sistemas nanohíbridos con dos excipientes naturales constituidos por minerales de la arcilla (halloysita y palygorskita) y el fármaco más usado para el tratamiento de la tuberculosis (isoniazida). El diseño y desarrollo de estos sistemas pretendía mejorar el perfil biofarmacéutico del fármaco y paralelamente aumentar su estabilidad en presencia de los otros fármacos tuberculostáticos con los que se administra. Los sistemas se han obtenido mediante la técnica de intercalación sólidolíquido. Las materias primas y los nanohíbridos obtenidos han sido caracterizados por diversas técnicas de caracterización al estado sólido. Asimismo se ha completado un estudio teórico y experimental de las propiedades cinéticas y termodinámicas del roceso de adsorción de la isoniazida en las dos arcillas. En ambos casos, el proceso de adsorción global se produce en dos etapas: adsorción de moléculas de isoniazida en los sitios activos de los adsorbentes, seguida de la precipitación de moléculas de fármaco sobre la monocapa previamente adsorbida. Ambas etapas son espontáneas para ambos sistemas en las condiciones estudiadas. El nanohíbrido isoniazida-halloysita ha sido objeto de estudios complementarios: se han estudiado, mediante modelado computacional, las características del proceso de adsorción de moléculas de isoniazida en los nanotubos de halloysita, confirmando los resultados experimentales; se ha completado un estudio cinético y del mecanismo de liberación del fármaco desde dicho nanohíbrido, demostrando que la liberación del fármaco tiene lugar mediante un único proceso de desorción; se han realizado ensayos in-vitro de citotoxicidad y permeabilidad intestinal en la línea celular de adenocarcinoma de colon Caco-2, no obteniendo efectos citotóxicos, sino incluso resultados positivos de proliferación celular en algunos casos y un aumento significativo de la permeabilidad intestinal de la isoniazida en el nanohíbrido; por último, se ha estudiado la estabilidad de la isoniazida cargada en la halloysita en presencia de los otros tres fármacos antituberculosos de primera línea, observándose un efecto protector de los nanotubos y consiguiente disminución de la degradación de isoniazida. El doble propósito, tecnológico y biofarmacéutico, planteado se cumple de forma satisfactoria al utilizar halloysita como nanotransportador de la isoniazida. Tuberculosis is an infectious disease caused by the bacillus Mycobacterium tuberculosis and is one of the top ten causes of death worldwide. It is curable, but its treatment present severe difficulties as its long duration and need of polymedication (six- to nine month course of four drugs in combination: isoniazid, rifampicin, pyrazinamide and ethambutol) leading to poor adherence, lack of patient compliance and development of antibiotic resistances, which hamper the treatment by an increase of its length and cost. The World Health Organization recommends the administration of fixed-dose combinations (FDC) containing the four first-line tuberculostatic drugs as an attempt to increase the patient compliance. However, tuberculostatic drugs included in these FDC suffer not only from physical and chemical instability but also from high interindividual variability of bioavailability values of the drugs included. Isoniazid, which is the most widely used tuberculostatic drug, possesses high solubility and low intestinal permeability and is included in the class III of the Biopharmaceutical Classification System. Among the natural inorganic excipients, certain materials consisting mainly of clay minerals are used in pharmaceutical forms with different objectives and have been proposed as nanomaterials for use in the development of hybrid systems capable of optimizing the technological and/or biopharmaceutical characteristics of drugs of different nature. With these premises, in this Doctoral Thesis, two pharmaceutical-grade clay minerals (halloysite and palygorskite), were selected as inorganic nanocarriers of isoniazid. Clay minerals-isoniazid nanohybrids were prepared by the solid-liquid intercalation technique. Raw materials and the resulting nanohybrids were subjected to full and comprehensive solid state characterization studies. Besides, kinetic and thermodynamic assessment of the adsorption process of this drug onto the two sorbents was performed revealing that, in both cases, the global adsorption process was thermodynamically spontaneous and the sum of two steps: adsorption of isoniazid molecules onto the active sites of the clay minerals, and precipitation of drug molecules over the previously adsorbed monolayer. Halloysite-isoniazid nanohybrid was subjected to further complementary studies: a computational modeling study corroborated the experimental adsorption data; in-vitro release tests of isoniazid from the nanohybrid were performed revealing that drug release consisted on a simple desorption process; Caco-2 cell line was selected to performed in-vitro cytotoxicity and permeability tests; results showed that the nanohybrid did not exert any cytotoxic effect towards human Caco-2 cell line, and even in some cases proliferative effects were obtained; in-vitro intestinal permeability of the drug was enhanced when loaded onto the nanotubes; accelerated stability tests were carried out by means of binary and quaternary physical mixtures of pure INH or halloysite-isoniazid nanohybrid with the other first-line tuberculostatics. It was found that halloysite exerted a protective role in terms of decreasing the degradation rate of isoniazid. In basis of the results obtained, it could be stated that both technological and biopharmaceutical aims of the doctoral Thesis have been fulfilled by using halloysite nanotubes as isoniazid nanocarrier.