Formulation of a drug delivery platform for the release of 5-aminosalicylic acid in the gastrointestinal tract

Abstract

As the incidence of inflammatory bowel disease (IBD) increases, the need to design and administer new therapies also increase. 5-aminosalicylic acid (5-ASA), a nonsteroidal anti-inflammatory drug, is commonly prescribed to inflammatory bowel disease patients with mild disease due to its safety and effectiveness in earlier disease stages. However, it presents some limitations in advanced disease stages, particularly in Crohn’s disease, which highlights the need to develop new delivery systems to improve its pharmacokinetic profile. The present work aims at assessing the use of elastin-like recombinamers (ELR) as a new drug delivery system, targeting the encapsulation and release of 5-ASAto apply in IBD therapy. ELR are genetically engineered protein polymers, inspired in the mammalian tropoelastin that have been widely studied for biomedical applications. A remarkable feature of ELR is the temperature-dependent phase transition behaviour. Upon a thermal stimulus, the protein molecules self-assemble into protein aggregates, in a fully reversible process. In this work, A200 – an ELR comprising multiple repetitions of the pentamer VPAVG – was evaluated for its ability to encapsulate and release 5-ASA. Due to the reversible phase transition behaviour, the recombinant A200 was easily purified by hot and cold cycles, avoiding the use of cumbersome chromatographic processes. This thermoresponsive behaviour was also exploited for the encapsulation of 5-ASA using mild conditions (PBS and 37 ºC). The efficiency of the A200-based system as a drug carrier was assessed by determination of drug loading (expressed as loading capacity and encapsulation efficiency) and release kinetics, using absorbance and fluorescence spectroscopy for 5- ASA quantification. The cumulative release kinetics were evaluated by fitting the experimental data against a series of different release kinetic models. Results provide indications for the physical mechanistic processes behind drug release, indicating that it is dependent on diffusion and polymer swelling. This work contributed to expand the knowledge on ELR as drug delivery platforms, targeted to the encapsulation and release of bioactive molecules.

Com o aumento da incidência de doenças inflamatórias intestinais (DII), a necessidade de desenvolver e administrar novas terapias é cada vez maior. O ácido 5-aminosalicílico (5-ASA) é um anti-inflamatório não esteroide frequentemente prescrito a pacientes com doença inflamatória intestinal leve, devido à sua segurança e eficácia em certos estados da doença. No entanto, apresenta algumas limitações em estados mais agravados da doença e, em particular, em doença de Crohn, o que realça a necessidade de desenvolver novos sistemas de entrega que melhorarem o seu perfil farmacocinético. Este trabalho tem como objetivo avaliar o uso de recombinâmeros tipo-elastina (elastin-like recombinamers, ELR) para a formulação de sistemas de entrega de fármacos, focando especificamente no encapsulamento e libertação de 5-ASA para aplicação em terapias de DII. Os ERL são polímeros proteicos produzidos por engenharia genética, inspirados na tropoelastina de mamíferos, que têm sido amplamente estudados para aplicações biomédicas. Uma característica notável dos ELR é a sua transição de fase dependente da temperatura. Quando sujeitos a um estímulo térmico, estes polímeros proteicos auto-organizam-se, formando aglomerados proteicos, num processo completamente reversível. Neste trabalho, o polímero proteico A200 – um ELR composto por múltiplas repetições do pentâmero VPAVG – foi avaliado relativamente à capacidade de encapsular e libertar 5-ASA. Devido ao seu comportamento de transição de fase reversível, a purificação de A200 foi conseguida com recurso a ciclos de aquecimento/arrefecimento, evitando assim a utilização de processos cromatográficos complexos. Este comportamento termorresponsivo foi explorado para o encapsulamento de 5-ASA em condições não agressivas nomeadamente, em PBS e 37 ºC. A eficiência do sistema de A200 foi avaliada através da determinação da capacidade de encapsulamento (expressa em termos de quantidade de fármaco encapsulado e capacidade de carga) e cinética de libertação do fármaco, usando espetroscopia de absorção e fluorescência para a quantificação de 5-ASA. A cinética de libertação cumulativa foi avaliada por ajuste dos dados experimentais a uma série de diferentes modelos cinéticos, sugerindo um mecanismo de difusão. Este trabalho contribui para o aumento do conhecimento sobre o potencial de ELR como plataformas de entrega de fármacos, focando no encapsulamento e libertação de moléculas bioativas.