Beta cyclodextrin nanosponges and cyclic-nigerosyl-1,6-nigerose nanosponges as drug delivery systems : NMR and molecular dynamics study

Nanosponges are a particular class of hydrogels having macro/microscopic dimensions, but they are characterised by nanometric cavities. As many hydrogels, also nanosponges are particularly suited for drug release applications due to their capability of absorbing drug molecules inside the matrix while swelling. Furthermore, they can be considered smart hydrogels as they can have a different swelling degree basing on the pH and different environmental conditions that may cause different degradation kinetics. Not only release must be properly studied in order to understand the release process itself and degradation kinetics of the matrix but also diffusion of the molecules inside the matrix requires proper investigation. In the present work, two different kinds of nanosponges provided by Prof. Francesco Trotta have been studied. In particular, β-cyclodextrin nanosponges and cyclic-nigerosyl-1,6-nigerose nanosponges have been investigated. The influence of these two matrices on several drugs has been studied. In detail, piroxicam, 5-fluorouracil, ethosuximide and dimethyl fumarate behaviour in relation with β-cyclodextrin nanosponges has been studied. For cyclic-nigerosyl-1,6-nigerose nanosponges, piroxicam and 5-fluorouracil have been examined. A physical characterisation was performed with Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy. 1H high resolution NMR was used to study the drug motion in water solution. Furthermore,1H High Resolution Magic Angle Spinning (HR-MAS) technique, particularly suitable for gel systems, was utilized to characterise the drug dynamic behaviour in the nanosponge polymer matrix and the drug-polymer interactions. In order to have a deeper understanding of NMR data, considering only the β-cyclodextrin nanosponge, Molecular Mechanics (MM) and Molecular Dynamics (MD) simulations have been exploited. Starting from the model proposed by Raffaini et al[1]., the adsorption and desorption kinetics of 5-fluorouracil and piroxicam in β-cyclodextrin nanosponges was investigated. In addition to that, the release of piroxicam from β-cyclodextrin nanosponges was studied in order to assess the release mechanism of piroxicam from the polymeric carrier and to understand the polymer degradation process. In the present work it was found that the majority of the drugs experience a Gaussian diffusion motion, in particular 5-fluorouracil loaded in -cyclodextrin nanosponge polymer shows a decreased diffusion coefficient compared with water solution. Moreover, piroxicam and dimethyl fumarate exhibit an anomalous diffusive motion in nanosponge. MD simulations allowed to observe that the number of 5-fluorouracil molecules interacting with the nanosponge of -cyclodextrins is higher than in the case of piroxicam which might cause the decrease of diffusion coefficient. Release kinetics of piroxicam proved to be prolonged in time and release kinetics was comparable to zero-order release with some discrepancies.

Le nanospugne sono una particolare classe di idrogeli con dimensioni macro/micrometriche, caratterizzate da cavità nanometriche. Così come molti idrogeli, anche le nanospugne sono particolarmente indicate per applicazioni di rilascio di farmaci grazie alla loro capacità di assorbire molecole di farmaci all’interno della matrice polimerica rigonfiandosi. Inoltre, queste possono essere considerate idrogeli smart poiché possono avere diversi gradi di rigonfiamento in base al pH e diverse condizioni ambientali potrebbero portare ad una diversa cinetica di degradazione. Non solo il rilascio di farmaci deve essere studiato correttamente in modo tale da comprendere il processo stesso di rilascio e la degradazione della matrice, ma e’ necessario caratterizzare la diffusione di molecole all’interno della nanospogna. Nel seguente lavoro di tesi, due differenti nanospugne fornite dal Prof. Francesco Trotta sono state studiate. In particolare, nanospugne di β-ciclodestrine e nanospugne di ciclo-nigerosil-1,6-nigerosio sono state analizzate. L’influenza di queste due matrici su diversi farmaci è stata investigata. In dettaglio, è stato caratterizzato il comportamento di piroxicam, 5-fluorouracile, etosuccimide e dimetil fumarato in relazione con la nanospugna di β-ciclodestrine. Per la nanospugna di ciclo-nigerosil-1,6-nigerosio, si è esaminato il comportamento del piroxicam e del 5-fluorouracile. In primo luogo, è stata svolta una caratterizzazione chimico-fisica utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR). Spettri protonici ad alta risoluzione dei farmaci disciolti in soluzioni acquose sono stati usati per studiare il comportamento di farmaci in soluzione. Inoltre, la Spettroscopia NMR ad alta risoluzione con angolo magico (HR-MAS), sviluppata per sistemi “soft” come gli idrogel, è stata utilizzata per studiare il moto diffusivo dei farmaci nelle nanospugne e in particolare, le interazioni farmaco-matrice polimerica. Allo scopo di ottenere una miglior comprensione dei dati NMR, per la sola nanospugna di β-ciclodestrine, si è ricorsi a simulazioni di Meccanica Molecolare (MM) e Dinamica Molecolare (MD). Partendo dal modello proposto da Raffaini e collaboratori[1], si è studiata la cinetica di adsorbimento e desorbimento di molecule di 5-fluorouracile e piroxicam in nanospugne di β-ciclodestrine. Oltre a ciò, il rilascio di piroxicam da nanospugne di β-ciclodestrine è stato studiato per stabilire il meccanismo di rilascio del farmaco da questa matrice e per comprendere il meccanismo di degradazione della matrice polimerica. Nel seguente lavoro di tesi, si è trovato che la maggior parte dei farmaci studiati presentano un moto Gaussiano in un sistema confinato e in particolare 5-fluorouracile è stato l’unico farmaco in cui si è manifestata una riduzione del coefficiente di diffusione rispetto alla soluzione di farmaco in acqua. Inoltre, sia piroxicam che dimetil fumarato presentano un comportamento anomalo super-diffusivo in polimeri di CD nanospugne. Simulazioni di dinamica molecolare hanno permesso di osservare che il numero di molecole di 5-fluorouracile che interagiscono con la nanospugna di β-ciclodestrine è maggiore rispetto al caso del piroxicam e ciò potrebbe causare la diminuzione del coefficiente di diffusione nel sistema 5-fluorouracile-nanospugna. La cinetica di rilascio del piroxicam si è dimostrata essere prolungata nel tempo ed è assimilabile ad una cinetica di ordine zero con qualche discrepanza.