Diseño y desarrollo de un sistema de administración de fármacos autoemulsionante para mejorar la solubilidad y biodisponibilidad de la ciprofloxacina

Resumen

Este estudio presenta y describe la formulación de sistemas de administración de fármacos autoemulsionantes con ciprofloxacino.

Resumen

La ciprofloxacina, un potente antibiótico fluoroquinolona, se usa para tratar varias infecciones bacterianas. Este fármaco tiene baja solubilidad acuosa y biodisponibilidad oral limitada. Para superar estas limitaciones, este estudio se centró en el desarrollo de un sistema de administración de fármacos autoemulsionante (SEDDS) para la ciprofloxacina, con el objetivo de mejorar su solubilidad y biodisponibilidad. El proceso de formulación implicó seleccionar aceite de silicona, Tween 80, propilenglicol (PG) y polietilenglicol (PEG) como componentes principales basados en estudios de solubilidad. La optimización de las formulaciones de SEDDS se guió por diagramas de fase pseudoternarios, que ayudaron a identificar las regiones autoemulsionantes efectivas y a determinar las proporciones óptimas de surfactante y co-surfactante. La evaluación de las formulaciones de SEDDS implicó mediciones del tamaño de las gotas y del potencial zeta junto con espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR), lo que confirmó la compatibilidad entre el fármaco y el excipiente y la incorporación exitosa del fármaco. Las formulaciones F2 y F5 exhibieron tamaños de gota de 320 nm y 202 nm, respectivamente, con potenciales zeta correspondientes de -11,4 mV y -13,38 mV, indicativos de estabilidad. Los estudios de liberación mostraron una liberación rápida inicial, con un 88,2% liberado de F5 dentro de las primeras 2 h, seguido de una liberación sostenida, alcanzando el 93,1% después de 5 h. Las formulaciones actuales mejoran significativamente la solubilidad y biodisponibilidad del fármaco.

Introducción

La ciprofloxacina es una quinolona fluorada con una actividad significativa contra bacterias Gram-negativas y Gram-positivas, en gran parte debido a la presencia de un átomo de flúor en la posición 6 de su estructura de anillo de naftiridina. Esta modificación aumenta su espectro de actividad antibacteriana ^1,2. Como antibiótico sintético de fluoroquinolonas, se dirige a la ADN girasa bacteriana o topoisomerasa II, lo que lo convierte en un tratamiento eficaz para diversas infecciones bacterianas. A pesar de su eficacia de amplio espectro y su perfil generalmente seguro, enfrenta desafíos con baja solubilidad acuosa y biodisponibilidad oral, lo que dificulta su aplicación clínica ^3,4.

Para abordar estos problemas, se han utilizado sistemas de administración de fármacos autoemulsionantes (SEDDS). Está compuesto por una mezcla de aceites naturales y sintéticos, tensioactivos no iónicos y codisolventes/tensioactivos, que mejoran significativamente la solubilidad de los medicamentos ^5,6,7. Estos sistemas están diseñados para formar emulsiones finas de aceite en agua (O/W) o microemulsiones al contacto con fluidos gastrointestinales, facilitadas por la motilidad gastrointestinal. Este mecanismo no solo mejora la solubilidad del fármaco, sino que también facilita la absorción a través de la vía linfática intestinal, evitando así el metabolismo hepático de primer paso y mejorando la biodisponibilidad ^8,9.

El creciente número de fármacos hidrofóbicos debido a los avances en la química combinatoria y medicinal plantea un desafío para la biodisponibilidad oral debido a la mala absorción de GIT. Esta situación muestra la importancia de sistemas innovadores de administración de fármacos como SEDDS para mejorar la solubilidad y biodisponibilidad de dichos compuestos^10,11.

Este estudio se centró en la formulación de un SEDDS estable con proporciones variadas de lípidos, surfactantes y co-surfactantes para mejorar su solubilidad en agua y biodisponibilidad oral. Investigaciones anteriores demostraron el potencial de SEDDS para aumentar significativamente la biodisponibilidad de los fármacos hidrofóbicos, como se ha visto con el aciclovir¹². Además, la naturaleza anhidra de las formulaciones de SEDDS facilita su encapsulación en cápsulas de gelatina, ofreciendo un buen cumplimiento por parte del paciente y el potencial de efectos sostenidos y rápidos del fármaco¹³.

Incluye sistemas auto-micro-emulsionantes y auto-nano-emulsionantes, producen emulsiones con diferentes tamaños de glóbulos, ofreciendo estabilidad física y facilidad de fabricación. Estas características conducen a mejores tasas de disolución y biodisponibilidad, como lo demuestra el éxito comercial de las formulaciones de SEDDS¹⁴. Se caracterizó ampliamente mediante estudios de estabilidad, tamaño de gota y análisis de potencial zeta, con el objetivo de mejorar su solubilidad acuosa y biodisponibilidad oral¹⁵.

Ofrece varias ventajas sobre los métodos convencionales de mejora de la solubilidad, como las dispersiones sólidas, los liposomas y los complejos de ciclodextrina. A diferencia de las dispersiones sólidas, que requieren procesos de fabricación complejos, estas son fáciles de formular y escalar. En comparación con los liposomas, los SEDDS exhiben una estabilidad física superior y una emulsificación espontánea en los fluidos gastrointestinales, lo que mejora la absorción del fármaco. Además, mejora el transporte linfático, evitando el metabolismo hepático y aumentando la biodisponibilidad¹⁶. Un estudio previo ha demostrado la eficacia de SEDDS en la mejora de la biodisponibilidad de fármacos poco solubles como el aciclovir, demostrando su potencial en aplicaciones de administración de fármacos¹⁶. Su eficacia clínica está limitada por su escasa solubilidad acuosa y su baja biodisponibilidad oral, lo que conduce a una absorción inconsistente y una menor eficacia terapéutica. Los enfoques convencionales, como las dispersiones sólidas y los complejos de ciclodextrina, tienen limitaciones en cuanto a escalabilidad y estabilidad¹⁷. Ofrece una alternativa prometedora al formar finas emulsiones de aceite en agua al entrar en contacto con fluidos gastrointestinales, mejorando la solubilización y absorción del fármaco. Evita el metabolismo hepático de primer paso a través de la vía linfática intestinal, mejorando la biodisponibilidad¹⁸. Este estudio desarrolla una formulación de SEDDS para superar los desafíos de solubilidad, asegurando mejores resultados terapéuticos con una mayor estabilidad, disolución y cumplimiento por parte del paciente. El objetivo principal de este estudio es mejorar la solubilidad y la biodisponibilidad oral de la ciprofloxacina mediante el desarrollo de un SEDDS. Tiene baja solubilidad acuosa y absorción gastrointestinal limitada, lo que restringe su eficacia terapéutica¹⁹. Al formular un SEDDS optimizado, el medicamento se puede solubilizar de manera eficiente en los fluidos gastrointestinales, lo que conduce a una mejor disolución, una mayor absorción a través del sistema linfático intestinal y, en última instancia, una mayor biodisponibilidad. Este estudio se centra en la optimización de la composición de lípidos, surfactantes y co-surfactantes de SEDDS para lograr una formulación estable con características mejoradas de liberación de fármacos.

Protocolo

NOTA: Los detalles de los reactivos y equipos utilizados en este estudio se enumeran en la Tabla de Materiales.

1. Estudios de solubilidad

1. Mida y mezcle una cantidad excesiva de medicamento (ciprofloxacina) con la siguiente combinación de aceites seleccionados: aceite de ácido oleico (2 mL), aceite de oliva (2 mL), aceite de ricino (2 mL), aceite de girasol (2 mL), aceite de gliol (2 mL), surfactante como T-80 (2 mL), T-20 (2 mL) y co-surfactante incluyendo PG (2 mL), PEG200 (2 mL), PEG400 (2 mL), y PEG600 (2 mL).
2. Agite la mezcla a fondo con el mezclador de vórtice. Incubar las muestras mezcladas a una temperatura constante de 25 ± 2 °C utilizando el termomezclador.
3. Compruebe las muestras en puntos de tiempo predeterminados (2 h, 6 h, 12 h, 18 h y 24 h) para determinar cuándo se alcanza la solubilidad de equilibrio.
4. Centrifugar las muestras a 16.770 x g durante 15 min a temperatura ambiente para separar el sobrenadante de las partículas no disueltas. Filtre el sobrenadante a través de un filtro de membrana de 0,22 μm para eliminar cualquier partícula restante.
5. Mida la concentración en las muestras utilizando el espectrofotómetro UV-Vis a 277 nm. Mezcle la muestra en una proporción de 50:50 con metanol antes del análisis para evitar la interferencia del aceite en las lecturas de absorbancia.

2. Construcción del diagrama de fase pseudo-ternario

1. Prepare una combinación de los siguientes aceites: aceite de ácido oleico (2 mL), aceite de oliva (2 mL), aceite de ricino (2 mL), aceite de girasol (2 mL), aceite de mygliol (2 mL), tensioactivos como T-80 (2 mL), T-20 (2 mL) y co-surfactante que incluyen PG (2 mL), PEG200 (2 mL), PEG400 (2 mL) y PEG600 (2 mL) según los parámetros de solubilidad.
2. Construya un diagrama de fase pseudo-ternario. Formule el diagrama de fases para todas las mezclas de surfactantes y co-surfactantes.
   NOTA: Un diagrama de fase pseudo-ternario es un diagrama triangular utilizado en la ciencia de la formulación, especialmente en el desarrollo de emulsiones, microemulsiones o sistemas de administración de fármacos autoemulsionantes (SEDDS), para representar visualmente el comportamiento de fase de mezclas que contienen tres componentes principales: típicamente, aceite, agua y una mezcla de surfactantes y co-surfactantes (Smix). El diagrama de fase pseudoternario ayuda a identificar las regiones donde se forma la formulación: microemulsiones claras, emulsiones turbias o separación de fases (mezclas inestables). Al trazar varias combinaciones de los tres componentes, puede determinar qué proporciones darán como resultado un sistema estable y homogéneo, ideal para la administración de fármacos.
3. Varíe las proporciones de aceite y Smix de 1/9 a 9/1 para el gráfico de la fase pseudo-ternaria. Agrega agua destilada gota a gota a la mezcla. Observe el cambio de una solución clara a una turbia.
4. Mida la cantidad de agua agregada pesando la mezcla de aceite y surfactante antes y después de agregar agua. Calcule la composición porcentual de todos los componentes utilizando un software relacionado para trazar un diagrama de fase pseudo-ternario.
5. Identifique el área de emulsificación estable para cada Smix en función del diagrama de fases.
   1. Para cada mezcla, observe visualmente si es clara y transparente (estable a la microemulsión), ligeramente turbia o azulada (nanoemulsión, posiblemente estable), lechosa o separación de fases (inestable).
   2. Registre los resultados en el diagrama utilizando diferentes marcas o colores. Traza los datos en el diagrama de fases. Para cada proporción de Smix, trace todas las composiciones probadas y marque las que formaron emulsiones/microemulsiones estables. La región donde se agrupan estas mezclas estables es la zona de emulsificación.
   3. Identifique el área de emulsificación estable. El área de emulsificación estable es la región del diagrama donde la mayoría de las formulaciones forman emulsiones claras o ligeramente azuladas rápidamente, permanecen estables a lo largo del tiempo (sin separación de fases). Esta área muestra las mejores proporciones de aceite:Smix: agua para ese Smix específico.Por lo general, cuanto mayor es el área, más robusta es la proporción de Smix para formar emulsiones.
   4. Compara diferentes diagramas de Smix. Después de trazar diagramas para diferentes proporciones de Smix, compare el tamaño y la forma de las zonas de emulsificación. Por lo general, se prefiere la proporción Smix con el área estable más grande, pero también se deben considerar el tamaño de la gota, la solubilidad del fármaco y la estabilidad.

3. Preparación de SEDDS

1. Preparar formulaciones con concentraciones de mezclas de surfactante y co-surfactante entre el 30% y el 60%. Prepare cuatro formulaciones para cada diagrama de fase dentro de este rango.
2. Agregue 25 mg del medicamento a 100 mg de la fase oleosa. Mezcle bien la fase oleosa y el fármaco con un mezclador de vórtice.
3. Agregue una cantidad adecuada de Smix, dependiendo del análisis realizado en los pasos 2.3-2.5, a la mezcla de aceite y droga durante 10 min. Mezclar bien mediante homogeneización.
4. Mantenga el contenido de aceite sin cambios en las ocho formulaciones (F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8). Haga que la cantidad de Smix sea diferente en cada una de las ocho formulaciones.

4. Caracterización física

1. Estudios termodinámicos
   1. Centrifugar las formulaciones durante 15 min a 6.037 x g. Utilice el sobrenadante y seleccione solo las formulaciones sin separación de fases para la prueba de esfuerzo por congelación-descongelación.
   2. Someter las formulaciones seleccionadas a tres series de congelación-descongelación a 40 °C, temperatura ambiente, y 20 °C. Conserve las formulaciones durante 48 h a cada temperatura durante los fraguados de congelación-descongelación.
2. Identificación del tiempo de autoemulsificación
   1. Preparar el aparato de disolución II (USP). Vierta 500 mL de agua destilada en cada recipiente de disolución. Comience a remover el agua a 50 rpm y mantenga una temperatura de 37 ± 2 °C.
   2. Añadir 100 μL de la muestra de formulación al aparato. Observe el tiempo de formación de la emulsión. El tiempo observado representa el tiempo de autoemulsificación.
3. Robustez a la dilución
   1. Mezcle cada formulación con agua, tampón ácido pH 1,20 y tampón fosfato pH 6,80 en una proporción de 1.000:1, 100:1 y 50:1, respectivamente. Observe visualmente cada formulación.
   2. Rechace todas las formulaciones que muestren rotura de la emulsión.
4. Medición de puntos de nube
   1. Tome 1 mL de todas las formulaciones y mézclelas con 200 mL de agua. Coloque la mezcla en un baño de agua y aumente lentamente la temperatura de 0 °C a 75 °C.
   2. Observe la turbidez de la mezcla y registre la temperatura a la que se vuelve turbia. Repita la prueba para preparaciones estables por triplicado para obtener resultados precisos. Un punto de enturbiamiento es la temperatura a la que una emulsión transparente se vuelve turbia.
5. Análisis del tamaño de las gotas y del potencial zeta
   1. Diluir las formulaciones seleccionadas con agua 100x. Mezclar bien las formulaciones diluidas con un homogeneizador ultrasónico durante al menos 1 min.
   2. Analice el potencial zeta y la distribución del tamaño de partícula como se describe en²⁰.
   3. Tome 0,1 mL de la emulsión recién preparada en un vaso de precipitados de vidrio de 25 mL y dilúyalo con 9,9 mL de agua destilada. Tome 2,5 mL de esta solución diluida de la solución madre en una cubeta de cuarzo de 3 mL.
   4. Haga clic en el icono del escritorio DTS para iniciar el software. Transfiera la muestra preparada a la cubeta de cuarzo de 3 ml. Confirme que no queden burbujas de aire.
   5. Abra la tapa y coloque la cubeta dentro del dispositivo, asegurándose de que la cubeta esté orientada correctamente con respecto a la trayectoria del haz de luz. Haga clic en el icono Medición .
   6. Saca la cubeta. Recupere la muestra o deséchela adecuadamente. Guarde los datos como PDF en una carpeta personal para su uso posterior.
6. Estudios de morfología
   1. Diluya la formulación de la muestra 50 veces con agua desionizada para crear una muestra bien dispersa.
   2. Extienda una película delgada de la muestra diluida en un portaobjetos de vidrio, colocando la muestra obtenida en el portaobjetos de vidrio para obtener películas diminutas.
   3. Deshidrata la película delgada mediante liofilización. Coloque la película delgada en el congelador y seque el portaobjetos mediante liofilización a temperaturas ultrabajas (generalmente de -40 °C a -80 °C).
   4. Analice la muestra liofilizada utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM; 31.653x) para realizar estudios de morfología superficial.
7. Estudios de infrarrojos por transformada de Fourier (FT-IR)
   1. Ajuste los números de onda del instrumento entre 4.000 ^cm-1 y 400 ^cm-1 utilizando aire ambiente como fondo y una resolución de 1 ^cm-1. Véase²¹.
   2. Registre los espectros del fármaco puro y la formulación optimizada por separado. Coloque las muestras en el área de muestreo. Ajuste el conteo a 16 escaneos, resolución 4, fuerza manométrica 80 y brazo de presión con punta plana.
   3. Verifique que el Incremento automático permanezca establecido en la opción En blanco para que el espectro se almacene automáticamente en la carpeta deseada.
   4. Para comenzar la medición de la muestra, haga clic en el botón Muestra . Después de seleccionar la muestra, dado que no hay período de espera, asegúrese de tener la muestra lista y la pinza de presión reducida. Analice todas las muestras individualmente, una por una.
8. Liberación de fármacos in vitro
   1. Prepare una solución madre de fármaco puro (0,17 mg/mL), F2 y F5 (0,1 p/v) en un tampón de fosfato precalentado de 50 mM pH 7,4 a 37 ± 2 °C.
   2. Llene 1,0 mL de la solución madre base pura del fármaco y 1 mL de cada formulación en tubos de diálisis. Diálisis cada muestra a 300 rpm a 37 ± 2 °C en 25 mL de tampón de fosfato utilizando un termomezclador.
   3. Tome alícuotas de 0,1 mL del medio a intervalos de 0 h, 1 h, 2 h, 3 h, 4 h, 5 h y 6 h. Reemplace las alícuotas con un volumen igual de tampón de fosfato pH 7.4 de 50 mM.
   4. Utilice la espectroscopia de fluorescencia para determinar la cantidad de fármaco puro después de la corrección de fondo mediante excitación a una longitud de onda de 335 nm y emisión a una longitud de onda de 420 nm.

Resultados

Estudio de solubilidad y diagrama de fases pseudoternarias
La solubilidad del fármaco puro en los componentes elegidos es más alta en el aceite de silicona a 85 mg/mL, seguido de Tween 80 a 70 mg/mL, PG a 50 mg/mL y PEG a 30 mg/mL. El diagrama de fase pseudo-ternario derivado reveló una proporción constante de surfactantes a co-surfactantes (Smix). En el diagrama, un sistema compuesto por PG/PEG 600 y T-80 en una proporción de 1:6 demostró una gran área capaz de emulsificación con aceite de silicona. ...

Discusión

Aproximadamente el 40% de las nuevas entidades químicas exhiben una solubilidad pobre en agua, lo que resulta en una menor biodisponibilidad oral²². Este desafío dificulta significativamente la aplicación clínica de muchos compuestos terapéuticos potenciales. Es un antibiótico sintético de fluoroquinolonas de amplio alcance categorizado como BCS IV, que ejemplifica este tipo de fármacos con problemas de solubilidad³. Para superar estos desa...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Ciprofloxacina	Feroze-Son Pharma (Nowshera 24,110, Pakistán	NA	Medicamento estándar
Mygliol oil,Dow	Chemical Ltd, Bangkok 10,110, Tailandia	NA
Aceite de ácido oleico, aceite de silicona, aceite de oliva, aceite de ricino y aceite de girasol	Gaziantep (Gunedogu Anadolu 34,810, Turquía)	NA	Fase oleosa
Óxido de polietileno 200	Sigma Aldrich (Saint Louis, Missouri 63,101, Estados Unidos	8,17001	Co-surfactante
Óxido de polietileno 400	Sigma Aldrich (Saint Louis, Missouri 63,101, Estados Unidos	182028	Co-surfactante
Óxido de polietileno 600	Ahad International Pharmaceutical, Dera Ismail Khan, 29,050, Pakistán	NA	Co-surfactante
Polietilenglicol (PG)	Sigma Aldrich (Saint Louis, Missouri 63,101, Estados Unidos	1546401	Co-surfactante
Tween 20	Sigma Aldrich (Saint Louis, Missouri 63,101, Estados Unidos	11332465001
Tween 80	Sigma Aldrich (Saint Louis, Missouri 63,101, Estados Unidos	P8074	Surfactante