Cyclodextrin and silica-based nanomaterials as new antibiotics carrier systems

Il nostro obiettivo era quello di identificare nuovi nanomateriali come sistemi di trasporto di antibiotici noti in vista del miglioramento della loro efficacia. Abbiamo studiato Ethionamide (ETH), la combinazione ETH / Booster e clofazimina (CLZ) con nanomateriali a base di ciclodestrina e silice mesoporosa. ETH è un noto farmaco antitubercolare. Ha delle limitazioni nella terapia a causa delle alte dosi terapeutiche richieste, della sua insolubilità acquosa e della tendenza a cristallizzare. Per risolvere il problema di solubilità del farmaco, abbiamo incapsulato ETH in nanocarrier di ciclodestrine. Sono state utilizzate tecniche spettroscopiche per comprendere il binding di ETH con carrier monomerici e polimerici basati su ciclodestrina (CyD). ETH non è né fluorescente né chirale. Il dicroismo circolare è stata la tecnica più interessante per studiare il legame ETH in quanto la complessazione con un ambiente chirale genera un segnale CD indotto. È stato possibile calcolare la costante di binding: sono stati trovati rispettivamente i valori logK di 1.72 e 2.00 per CyD e pCyD. Abbiamo studiato il binding contemporaneo di ETH e molecole organiche chiamate booster con il polimero di CyD per aumentare l'efficacia di ETH co-somministrato con booster. Il binding di cinque booster con pCyD è stato studiato e le costanti di binding sono state ottenute monitorando il binding utilizzando diverse tecniche spettroscopiche come assorbimento, fluorescenza, dicroismo circolare. Siamo stati in grado di co-incapsulare ETH e booster BDM43266 in pCyD. È interessante notare che il co-incapsulamento di ETH e booster nel polimero è fattibile e è stato raggiunto un carico elevato senza uso di solvente organico. Il dicroismo circolare ha fornito le informazioni sul binding di ETH mentre, l'interazione di un BDM-43266 con pCyD veniva monitorata usando la fluorescenza. Gli esperimenti di solubilità di fase hanno mostrato che la soluzione polimerica è in grado di sciogliere sia il farmaco che il booster solido. Il sistema CyD polimerico caricato con ETH / Booster è adatto per l'applicazione di microsprayer e promettente per ulteriori sviluppi. Abbiamo studiato il loading di CLZ, totalmente insolubile in acqua, con SBE-βCyD e polimero SBE-pβCyD marcati e non con rodamina. I polimeri solubilizzano in modo eccellente CLZ nel film, portando in soluzione 6E-5 M di farmaco senza la presenza di solvente organico. L'interazione è dimostrata dai dati del dicroismo circolare. La tecnica di frazionamento AF4-MALS ha confermato il carico di CLZ delle nanoparticelle ed evidenziato un raggio di circa 30 nm per le nanoparticelle. Abbiamo eseguito dei test microbiologici su sistemi SBE-CyD caricati con CLZ. Valori interessanti di IC nel range dei nanomolari sono stati ottenuti contro diversdi isolati clinici di ceppi di S. epidermidis, alcuni MDR. Abbiamo studiato particelle di silice fluorescente come vettori di clofazimina per applicazioni teranostiche. Abbiamo preparato particelle di silice fluorescente senza label organico fluorescente attraverso la funzionalizzazione con amine e un processo di calcinazione. Le particelle di silice fluorescente mostrano tempi di vita di fluorescenza fino a 9,0 ns che possono essere facilmente discriminate da fluorescenza biologica con tempi di vita di fluorescenza inferiori a 3-4 ns. Le particelle fluorescenti che incapsulano CLZ presentano tempi di vita di fluorescenza molto più brevi che possono essere facilmente distinti dalle particelle nude offrendo così uno strumento promettente sia per scopi di imaging che terapeutici. In conclusione, siamo stati in grado di incapsulare ETH e CLZ con carrier basati su ciclodestrine o silice mesoporosa e i sistemi ottenuti hanno mostrato caratteristiche promettenti per ulteriori sviluppi.

Our aim was to identify new nanosize materials as delivery systems of known antibiotics in view of the their efficacy enhancement. We have studied Ethionamide (ETH), ETH/Booster co-encapsulation and clofazimine with cyclodextrin and silica-based nanomaterials. Ethionamide is a well known antituberculosis drug. It is facing limitation in therapeutics due to the high therapeutic doses, its very low aqueous solubility and tendency to crystallize. To solve the solubility problem of the drug, we encapsulated ETH in cyclodextrin-based nanocarriers. Spectroscopic techniques were used to understand the binding of ETH with -Cyclodextrin (-CyD)-based monomeric and polymeric carriers. ETH is neither fluorescent nor chiral. Circular dichroism was the most interesting technique to study ETH binding as complexation to the chiral environment gives rise to an induced CD signal. It was possible to calculate the binding constant: logK values of 1.72 and 2.00 for -CyD and p-CyD were found respectively. We studied the binding of Ethionamide and synthetic organic molecules called boosters with pCyD polymer in order to enhance the efficacy of Ethionamide when co-administered with booster. Binding of five boosters was studied with the pCyD polymer and obtained their binding constants monitoring the binding of these boosters with polymeric CyD by using different spectroscopic techniques like absorption, fluorescence, circular Dichroism. We were able to co-encapsulate ETH and booster BDM43266 in pCyD. Interestingly, co-encapsulation of ETH and booster in the polymer is feasible and high loading can be achieved. Circular dichroism provided the information about ETH binding whereas, interaction of a BDM-43266 with the same polymeric CyD cavity was monitored by using fluorescence. Phase solubility experiments showed the polymer solution is able to dissolve both solid drug and booster. The ETH/Booster polymeric CyD system is feasible for microsprayer application and holds promises for further development. We studied the encapsulation of CLZ, totally insoluble in water, with the SBE β-CyD and polymeric SBE pβ-CyD crosslinked with epichlorohydrin and the rhodamine labelled ones. The polymers behaved as excellent solubilizing tool for CLZ in film bringing up to 6E-5 M drug in solution. Interaction was strongly supported by the circular dichroism data. AF4-MALS fractionation technique confirmed the loading and evidenced nanoparticles with a radius of ca 30 nm. We have performed microbiological tests on SBE-CyD carrier systems loaded with CLZ. IC values in the nanomolar range were obtained against clinical isolates of different S. epidermidis strains with some MDR. We studied fluorescent silica particles as carriers of clofazimine for theranostic applications. We prepared fluorescent silica particle without labelling with any organic dye through amine functionalization and a calcination process. Fluorescent silica particles show fluorescent lifetimes of up to 9.0 ns that can be easily discriminated from intrinsic biological fluorescence with fluorescent lifetimes below 3-4 ns. Fluorescent particles encapsulating CLZ exhibit much shorter fluorescence lifetimes that can be easily distinguished from the particle fluorescence lifetimes offering thus a promising tool for both imaging and therapeutic purposes. In conclusion, we were able to encapsulate ETH as well as CLZ with carriers based on cyclodextrins or mesoporous silica and the systems obtained exhibited promising features for further development.