Alginate de calcium et perles d’alginate de calcium-chitosan contenant du célécoxib solubilisé dans une phase auto-émulsifiante
Abstract
Dans ce travail, des perles d’alginate et d’alginate-chitosan contenant du célécoxib solubilisé dans une phase auto-émulsifiante ont été développées afin d’obtenir un système d’administration de médicament par voie orale, capable de retarder la libération du médicament en milieu acide et de la favoriser dans le compartiment intestinal. La raison d’être de ce travail était liée au désir d’améliorer l’efficacité thérapeutique du célécoxib en réduisant ses effets indésirables gastriques et de favoriser son utilisation dans la prophylaxie du cancer du côlon et comme adjuvant dans la thérapie de la polypose familiale. Les systèmes ont été préparés par gélification ionotrope en utilisant des aiguilles de différents diamètres (400 et 600 μm). La morphologie, la taille des particules, le comportement de gonflement et les performances de libération de médicament in vitro des billes en milieu aqueux avec différents pH ont été étudiés. Les résultats expérimentaux ont démontré que la présence de chitosan dans la formulation a provoqué une augmentation de la résistance mécanique de la structure de la perle et, par conséquent, une limitation de la capacité de gonflement de la perle et une diminution du taux de libération du médicament à pH neutre. Les billes d’alginate-chitosan pourraient être un bon outil pour garantir une délivrance du célécoxib au niveau du côlon.
1. Introduction
Les systèmes d’administration de médicaments contenant des polymères naturels biodégradables font l’objet de plus en plus d’études de recherche compte tenu des avantages que ces matériaux peuvent offrir . Parmi eux, ceux contenant de l’alginate et du chitosan ont été largement exploités dans le domaine pharmaceutique .
L’alginate est un biopolymère naturel hydrosoluble extrait d’algues brunes et composé de blocs alternés de 1-4 résidus d’acide α-L-guluronique et β-D-mannuronique . Ce polymère forme des hydrogels en présence de cations divalents comme Ca2+, Ba2+, Sr2+ et Zn2+ et cette caractéristique permet de préparer des billes chargées de médicaments . Le mécanisme de ce processus de gélification implique des résidus guluroniques avec la chélation spécifique du Ca2+ formant la structure dite « boîte à œufs ». De nombreux chercheurs ont concentré leur attention sur le développement de perles d’alginate de calcium comme systèmes de délivrance contrôlée de médicaments pour l’administration orale de molécules médicamenteuses et de protéines .
Le chitosan est un polysaccharide linéaire biocompatible, biodégradable et non toxique composé d’unités de D-glucosamine et de N-acétyl-D-glucosamine liées par des liaisons β-(1-4) glycosidiques . Le chitosan peut être dérivé par désacétylation partielle de la chitine des carapaces de crustacés et il est largement utilisé pour la culture cellulaire, l’administration de médicaments et les additifs alimentaires .
La réticulation de l’alginate et du chitosan dans un hydrogel est utilisée pour fournir des matériaux utiles pour des applications médicales et pharmaceutiques ; les systèmes obtenus sont caractérisés par une stabilité accrue par rapport à ceux obtenus avec un seul polymère . Dans le domaine de l’administration contrôlée de médicaments, le complexe polyélectrolyte alginate-chitosane a fait l’objet d’une grande attention ces dernières années. Les deux polymères forment le complexe polyélectrolyte via l’interaction ionique entre les résidus carboxyle de l’alginate et les résidus amino du chitosan. Les perles d’alginate-chitosane peuvent être produites par différentes méthodes : la procédure en deux étapes et la procédure en une étape. Dans la première, les perles de gel d’alginate de calcium sont produites en laissant tomber une solution d’alginate dans un bain gélifiant contenant des ions calcium. Les perles ainsi obtenues sont ensuite transférées dans une solution de chitosan pour former la membrane à leur surface. La procédure en une étape nécessite que les gouttelettes de solution d’alginate tombent dans une solution aqueuse contenant à la fois l’agent gélifiant de l’alginate (par exemple, des ions calcium) et le chitosan . Le choix de la méthode de production est responsable des propriétés des perles en raison de la quantité de chitosan lié dans le produit résultant. En même temps, les caractéristiques des perles sont affectées par le poids moléculaire des polymères sélectionnés et/ou par les pourcentages des différents résidus dans les molécules polymériques .
Le célécoxib, un dérivé de benzènesulfonamide fluoré, est un médicament anti-inflammatoire non stéroïdien (AINS) avec une action inhibitrice de la cyclooxygénase-2 (COX-2) hautement sélective. Il possède des activités anti-inflammatoires, analgésiques et antipyrétiques dues à l’inhibition de la synthèse des prostaglandines catalysée par la COX-2. Récemment, ce médicament a été fréquemment étudié pour son activité anticancéreuse en utilisant des modèles in vitro et in vivo. Les études précliniques sur le célécoxib ont rapporté une activité anticancéreuse importante contre le carcinome épidermique de la tête et du cou, le cancer du côlon, le cancer du sein et le cancer du poumon.
Dans ce travail, des perles d’alginate et d’alginate-chitosan contenant du célécoxib solubilisé dans une phase auto-émulsifiante ont été développées afin d’obtenir un système d’administration de médicament pour l’administration orale, capable de retarder la libération du médicament dans un environnement acide et de la favoriser dans le compartiment intestinal. La raison d’être de ce travail était liée au désir d’améliorer l’efficacité thérapeutique du célécoxib en réduisant ses effets indésirables gastriques et de favoriser son utilisation dans la prophylaxie du cancer du côlon et comme adjuvant dans le traitement de la polypose familiale. L’objectif de cette étude était d’évaluer et de comparer les propriétés des perles d’alginate de calcium et d’alginate de calcium-chitosan chargées de célécoxib. La morphologie, la taille des particules, le comportement de gonflement et la performance de libération de médicament in vitro des perles dans des milieux aqueux avec différents pH ont été étudiés.
2. Matériaux et méthodes
2.1. Matériaux
Le célécoxib a été obtenu auprès de Chemos GmbH (Regenstauf, Allemagne). Le chlorure de calcium anhydre et l’alginate de sodium (poids moléculaire 120000-190000 g/mol ; rapport résidus mannuronique-guluronique de 1,56) ont été achetés auprès de Sigma Aldrich (Milan, Italie), tandis que le chitosan de faible poids moléculaire provenait de Fluka (Milan, Italie). Le Labrasol (caprylocaproyl macrogol-8 glycerides) est un don de Gattefossè (Milan, Italie) ; le TPGS (D-α-tocopheryl polyethylenglycol 1000 succinate) a été aimablement offert par Isochem (Gennevillers, France). Tous les autres produits chimiques étaient de qualité analytique.
2.2. Préparation des perles d’alginate de calcium
Les perles d’alginate de calcium ont été préparées par la méthode de gélification en utilisant des ions calcium comme agent de réticulation. En détail, une solution aqueuse d’alginate de sodium à 1,5% (p/p) a été mélangée avec une phase auto-émulsifiante chargée de médicament dans un rapport de 4 : 1 et ajoutée goutte à goutte à une solution de CaCl2 100 mM . La phase auto-émulsifiante a été préparée en mélangeant des quantités pesées de Labrasol et de TPGS à 50°C et en dissolvant le célécoxib dans la solution d’excipient. L’émulsion (solution d’alginate de sodium et phase auto-émulsifiante) a été extrudée manuellement dans le bain de durcissement à travers des aiguilles de 400 ou 600 μm de diamètre interne, sous une agitation douce constante, à température ambiante. Après 15 minutes, les billes ont été collectées, lavées avec de l’eau désionisée pour éliminer l’excès d’ions calcium, puis séchées à 40°C pendant une nuit. La composition des formulations préparées, codées CAl 600 et CAl 400, a été indiquée dans le tableau 1.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3. Préparation des perles d’alginate de calcium-chitosane
Les perles d’alginate de calcium-chitosane (identifiées comme CAlCh 600 et CAlCh 400) ont été préparées selon la méthode en une étape. La procédure était identique à celle adoptée dans le cas des billes d’alginate, à l’exception du fait que le bain de durcissement était une solution de chitosan à 0,2% (p/p) dans de l’acide acétique dilué (1%) contenant du CaCl2 à une concentration de 100 mM. La composition des formulations de chitosan a été rapportée dans le tableau 1.
2.4. Analyse morphologique et granulométrique
La morphologie des billes humides et séchées et la granulométrie des billes séchées ont été analysées à l’aide d’un stéréomicroscope Motic SMZ168 et d’un logiciel d’analyse d’images (Motic Image Plus 2.0). Pour chaque formulation, la taille des particules a été calculée comme la valeur moyenne de la taille de 20 particules séchées.
2,5. Teneur en médicament
Six milligrammes de billes séchées chargées en médicament ont été solubilisés dans une solution tampon phosphate (100 mL) à pH 6,8 additionnée de laurylsulfate de sodium à 0,75% (p/v) à 70°C sous agitation pendant deux heures. Après refroidissement, les solutions obtenues ont été filtrées et analysées par spectrophotométrie à 255 nm ; les résultats sont la moyenne d’au moins trois déterminations.
2.6. Étude de gonflement
Des études de gonflement ont été réalisées à 37°C sur des billes séchées mises dans trois milieux aqueux caractérisés par différents pH : acide chlorhydrique à pH 1,0 et tampon phosphate à pH 6,8 et pH 7,4.
Des quantités exactement pesées de billes séchées d’alginate de calcium et d’alginate de calcium-chitosane ont été mises dans des flacons en verre contenant 5 mL de chaque fluide. Après des intervalles de temps fixes (5, 15, 30, 60 et 120 minutes), les échantillons ont été récupérés, délicatement essuyés avec du papier, et pesés à nouveau. Le changement de poids dynamique des billes par rapport au temps, défini comme le degré de gonflement (Sw), a été calculé selon l’équation suivante :où est le poids des billes à l’état gonflé au temps et est le poids initial des billes séchées .
2,7. Etude de libération du célécoxib
Les études de libération in vitro ont été réalisées dans de l’acide chlorhydrique à pH 1,0 et dans un tampon phosphate à pH 6,8 et à pH 7,4 ajouté de laurylsulfate de sodium à 0,75 % pour garantir le maintien des conditions d’évier. Les études ont été réalisées en plaçant des quantités exactement pesées de chaque formulation, équivalentes à 8 mg de célécoxib, dans 500 ml du fluide sélectionné à 37°C sous une vitesse de rotation de 100 rpm (appareil 2, palette). Les échantillons filtrés ont été prélevés à des intervalles de temps spécifiques sans remplacement et analysés pour la teneur en célécoxib à l’aide d’un spectrophotomètre UV à 255 nm lorsque le fluide était du HCl et du tampon phosphate à pH 6,8 ou à 256 nm dans le cas du tampon phosphate à pH 7,4. Chaque expérience a été réalisée en trois exemplaires.
Les performances de libération du médicament des billes d’alginate de calcium et d’alginate de calcium-chitosan ont été comparées en utilisant les paramètres de dissolution t10%, t50% et t90% qui indiquent les points de temps auxquels 10%, 50% et 90% du médicament ont été libérés et le paramètre de similarité f2 . Pour que les courbes soient considérées comme similaires, les valeurs f2 doivent être proches de 100, et les valeurs f2 supérieures à 50 (50-100) assurent la similitude ou l’équivalence des deux courbes.
2.8. Analyse statistique
Les résultats ont été analysés statistiquement pour tester les différences significatives par le test t de Student, à un intervalle de confiance de 95% ; les valeurs inférieures à 0,05 ont été considérées comme statistiquement significatives.
3. Résultats et discussion
Les billes d’alginate et d’alginate-chitosane ont été obtenues par la méthode de gélification ionotrope en faisant chuter une émulsion, composée d’une solution aqueuse d’alginate et de la phase auto-émulsifiante de charge médicamenteuse, à travers des aiguilles 23 G (600 μm) ou 27 G (400 μm), dans un bain gélifiant de chlorure de calcium ou de chlorure de calcium-chitosane. Les excipients sélectionnés pour la phase auto-émulsifiante étaient Labrasol, un composant liquide ayant des propriétés auto-émulsifiantes et améliorant la solubilité, et le D-α-tocophéryl polyéthylenglycol 1000 succinate comme agent coémulsifiant et améliorant l’absorption (Tableau 1). La composition de la phase auto-émulsifiante était la même que celle utilisée dans un travail précédent .
Les images stéréomicroscopiques des perles d’alginate et d’alginate-chitosan humides et sèches sont rapportées dans les figures 1 et 2. Immédiatement après la préparation, les billes CAl 600 (figure 1(a)) présentent une forme régulière et des dimensions homogènes ; elles sont blanches et opaques avec une surface lisse, brillante et homogène.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
.
(a)
(b)
(c)
(d)
Le processus de séchage ne change pas la forme des billes mais conduit à la réduction de leurs dimensions et modifie les caractéristiques de leur surface, qui est irrégulière et ridée (Figure 1(b)). La perte d’eau induit une diminution de la distance entre les chaînes polymériques et une variation de la structure des billes, qui n’est pas compacte et continue mais composée de petits micronoyaux adhérant les uns aux autres. Les particules de CAlCh 600 entièrement gonflées sont légèrement jaunes, de forme assez régulière et présentent une surface lisse (Figure 1(c)). Dans ce cas, le processus de séchage affecte la forme sphérique des billes (Figure 1(d)) ; elles deviennent ellipsoïdales, leur dimension diminue et leur surface est très rugueuse. De plus, après le séchage, une agglomération partielle de la surface des billes est observée : elle est attribuable aux propriétés adhésives du chitosan. Dans le cas des billes préparées à l’aide d’une aiguille de 400 μm (Figures 2(a)-2(c)), les images enregistrées immédiatement après la préparation donnent la preuve que pour les deux formulations (avec ou sans chitosan) les particules ne sont pas homogènes en diamètres même si elles sont de forme régulière. Les billes sèches CAl 400 et CAlCh 400 (Figure 2(b)) ont une surface caractérisée par une aspérité et une concavité ; de plus, dans le cas de la formulation alginate-chitosan, la forme des particules est complètement irrégulière et la présence de ponts solides de chitosan est bien évidente qui lient les billes empêchant leur séparation.
La taille moyenne des billes chargées de célécoxib est comprise entre 715 et 896 μm (Tableau 2). Le diamètre des billes a été significativement affecté par le diamètre de l’aiguille utilisée lors de la préparation (). L’ajout de chitosan aux billes d’alginate modifie significativement leurs dimensions uniquement lorsque l’aiguille de 400 μm a été utilisée (). De plus, comme l’indiquent les valeurs élevées de l’écart-type, en utilisant l’aiguille de 400 μm, le produit final est une famille de particules inhomogènes en dimensions.
|
||||||||||||||||||||||||
Toutes les formulations contiennent une quantité élevée de médicament (tableau 2) distribué de manière homogène dans la matrice excipient et les différences entre leur contenu en médicament n’étaient pas significatives sauf pour CAlCh 400 légèrement plus faible que les autres (). Le pourcentage de célécoxib dans les perles dépasse la valeur théorique et cela est dû à la perte de Labrasol pendant le temps de durcissement , justifiable compte tenu de la haute affinité entre cet excipient et l’eau qui le pousse hors des perles dans le bain de gélification.
Une propriété particulière des systèmes microparticulaires d’alginate ou d’alginate-chitosan sous forme sèche est leur capacité, après contact avec un fluide aqueux, à se réhydrater, à absorber le fluide et à subir un processus de gonflement, principalement associé à l’hydratation des groupes hydrophiles des polymères. Lorsque le fluide est de l’eau, il pénètre dans les particules en remplissant les pores entre les chaînes polymériques et en provoquant un gonflement important du système, sans érosion/désintégration. En sélectionnant des fluides de pH différent, le comportement de gonflement des billes peut changer. Pour cette raison, la capacité de gonflement de l’alginate de calcium et des billes d’alginate de calcium-chitosane a été évaluée dans du HCl à pH 1,0 et dans des solutions tampons de phosphate à pH 6,8 et 7,4 (Figures 3-5).
En milieu acide (figure 3), il n’y a pas de différences dans la capacité de gonflement des quatre formulations ; à ce pH, le degré de gonflement maximal ne dépasse pas 60%. Les billes d’alginate et d’alginate-chitosan absorbent une partie du fluide ; leur poids augmente initialement puis reste constant. A ce pH, pour les systèmes alginate (CAl 600 et CAl 400), les groupes carboxylates du polymère localisés à la surface des particules sont protonés et une couche d’acide alginique se forme. L’insolubilité de l’acide alginique dans ce fluide et la formation de liaisons hydrogène, responsables d’une augmentation de la stabilité de la structure, empêchent la pénétration de fluide supplémentaire dans les couches plus profondes des particules, limitant leur gonflement. Le même comportement de gonflement est observé pour les systèmes CAlCh 600 et CAlCh 400. Même si, dans un environnement acide, le chitosan est hautement soluble et chargé pour la conversion de ses unités amine en forme soluble NH3+, l’interaction des groupes amino et des groupes carboxyliques protonés n’est pas assez forte pour promouvoir le gonflement. Ainsi, le comportement de gonflement total limité est dominé par la structure de l’alginate de calcium.
Les figures 4 et 5 montrent que les formulations présentent une capacité de gonflement élevée à pH 6,8 et pH 7,4. Pour la formulation CAl 600, le poids des particules augmente rapidement, atteint un pic après 30 minutes, puis diminue brusquement en raison de l’érosion/désintégration du système. Ce comportement peut être dû à une réaction d’échange d’ions entre le Na+ (présent dans le tampon phosphate) et le Ca2+ lié aux groupes carboxyliques de l’alginate. Les ions monovalents remplacent les ions bivalents, ce qui provoque la rupture de la structure « boîte à œufs » et l’augmentation de la distance entre les chaînes polymériques, favorisant ainsi l’absorption de liquide et le gonflement des systèmes. Ce processus se poursuit jusqu’à ce que la pression osmotique dans les billes équilibre la force des liens de réticulation et des enchevêtrements physiques, qui préservent la structure des billes. Ainsi, les particules commencent à se désintégrer et leur poids diminue.
Les résultats obtenus à partir de l’étude de gonflement mettent en évidence que les perles de CAlCh 600 et CAlCh 400 sont caractérisées par une structure plus résistante par rapport à CAl 600 et CAl 400, probablement attribuable aux interactions entre les chaînes d’alginate et de chitosan. Le degré de gonflement maximal des billes de chitosan est inférieur à celui de l’alginate ; les systèmes alginate-chitosan sont capables d’atteindre un équilibre de gonflement en 30 minutes environ et de maintenir leur poids à un niveau constant jusqu’à la fin du test. Il est probable que les interactions entre les deux polymères soient responsables de la formation de particules ayant une résistance mécanique considérable, ce qui limite l’absorption du fluide et la désintégration de la structure. Enfin, en comparant le comportement de gonflement des perles de CAl 400 par rapport à celles de CAl 600 et de CAlCh 400 par rapport à celles de CAlCh 600 (même composition, diamètre différent de l’aiguille utilisée dans le processus de préparation), il est possible de noter que dans les tampons de phosphate, CAl 400 et CAlCh 400 ont atteint un pic maximal de gonflement supérieur à celui de CAl 600 et CAlCh 600, respectivement.
Les profils de libération du médicament obtenus à partir des différentes formulations à des pH de 1,0, 6,8 et 7,4 sont présentés dans les figures 6-8. La libération in vitro du célécoxib est affectée par le pH du fluide sélectionné : le pourcentage de médicament libéré en milieu acide en deux heures est assez faible et varie entre 12,70% et 24,53% (Figure 6). Le retard de la libération du célécoxib peut être attribué à la capacité de gonflement réduite des systèmes dans ce fluide ; ni la composition des billes ni leur diamètre n’affectent la performance de libération du médicament (valeurs du paramètre f2 toujours supérieures à 50). À pH 1,0, le processus de libération est régi uniquement par la diffusion du médicament. Ce résultat permet de satisfaire le premier objet de ce travail de recherche qui est de minimiser la libération du médicament en milieu acide pour promouvoir et favoriser ce processus au niveau intestinal.
Dans un tampon phosphate à pH 6,8, les formulations sont caractérisées par un comportement de libération du médicament affecté par leur composition et non significativement par leurs dimensions (Figure 7). Dans ce fluide, les systèmes gonflent initialement et ensuite s’érodent/désintègrent et, par conséquent, le processus de libération du médicament est conduit d’abord par la diffusion et ensuite par la relaxation polymérique. Les billes d’alginate (CAl 600 et CAl 400) sont capables d’achever la libération du célécoxib en huit heures environ ; au contraire, pas plus de 75% du médicament chargé dans les billes d’alginate-chitosan passe en solution après le même temps. La comparaison des résultats des formulations de microparticules d’alginate et d’alginate-chitosane révèle que les profils ne sont pas similaires, avec des valeurs de f2 inférieures à 50. Une explication possible pour un tel comportement est l’interaction électrostatique entre les groupes carboxyles de l’alginate et le groupe amino du chitosan qui améliore la résistance mécanique du réseau polymérique réduisant son gonflement et son érosion à pH 6,8.
Surprenant, le taux de libération du célécoxib ralentit principalement pour la formulation CAlCh 400 même si cette formulation est caractérisée par la plus petite taille de particules. Probablement, le petit diamètre et la surface spécifique élevée de ces particules conduisent à la formation d’une couche de chitosan plus épaisse autour des billes, ce qui oppose une grande résistance à l’absorption du fluide et, par conséquent, à la libération du médicament.
Aussi à pH 7,4, les différences dans les performances de libération du médicament peuvent être attribuées à la composition de la formulation plutôt qu’aux dimensions des particules (Figure 8). Toutes les formulations ont montré une vitesse de libération du médicament presque constante. Il n’y a pas de différences entre les courbes de libération de CAl 600 et CAl 400 et entre CAlCh 600 et CAlCh 400. Lorsque le chitosan est dans les billes, le taux de libération du médicament diminue.
Les mêmes conclusions sont montrées par l’analyse des résultats de la libération du médicament à travers les paramètres de dissolution (t10%, t50% et t90%) (Tableau 3). Les différences dans le comportement de libération des billes sont détectées également à travers les paramètres de dissolution t10%, t50%, et t90% et sont bien évidentes pour le temps nécessaire pour libérer 50 et 90% du médicament chargé. Dans les solutions tampons de phosphate, les perles d’alginate-chitosan nécessitent des temps plus longs pour libérer 50 et 90% du célécoxib par rapport aux perles d’alginate. Probablement, la présence du complexe alginate-chitosan provoque une croissance des rides structurelles, de l’irrégularité et de la complexité de la structure de la perle, ce qui rend difficile la libération du médicament.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4 Conclusions
Les perles d’alginate et d’alginate-chitosan chargées de célécoxib étudiées minimisent la libération du médicament en milieu acide favorisant ce processus au pH intestinal (6,8 et 7,4). Les résultats expérimentaux démontrent que la présence de chitosan dans la formulation est responsable d’une augmentation de la résistance de la structure de la perle et, par conséquent, d’une limitation de la capacité de gonflement de la perle et d’une diminution de la vitesse de libération du médicament à pH neutre. Les perles d’alginate-chitosan pourraient être un véhicule précieux du célécoxib pour les formes de dosage utiles comme thérapie adjuvante chez les patients atteints de polypose familiale et de maladie précancéreuse du côlon.
Intérêts concurrents
Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts concurrents.
Leave a Reply