Health care-associated infections: Controlled delivery of cationic antiseptics from bioresorbable polyesters

Nowadays, the treatment of health care-associated infections represents a serious issue even for patient of highly industrialized countries, due to the increasing number of bacterial strains resistant to traditional antibiotics. The use of antiseptics like quaternary ammonium salts represents a viable alternative to face these life-threatening infections. However, their inherent toxicity as well as the necessity of providing a sustained release to avoid the formation of pathogen biofilms are compelling obstacles towards their assessment in the hospitals. Within this framework, the role of polymeric drug delivery systems is fundamental to overcome the aforementioned problems. Biocompatibility, biodegradability and excipient-drug interactions are crucial properties determining the efficacy of the formulation. Therefore, in the first chapter of this work we provide an in-depth analysis of the polymeric drug delivery systems that are under investigation for the controlled release of cationic antiseptics, highlighting the key properties that allowed to achieve the most relevant therapeutic effects. We reported and compared natural occurring polymers and synthetic carriers to describe their advantages and drawbacks in the treatment of health care-associated infections. Then, the discussion is focused on a particularly relevant class of materials adopted for the scope, represented by polyesters, which gave rise, due to their biodegradability, to the field of resorbable drug delivery devices. Finally, a specific analysis on the effect of the polymer functionalization over the formulation performances for the different types of polymeric carriers is presented. Subsequently to this comprehensive literature research, in the second chapter of this work, the encapsulation of active molecules into bioresorbable polymer microparticles, which can locally release the compound of interest along a tunable time span depending on the polymer characteristic was performed. Indeed, spray drying is used to encapsulate the broad band antiseptic octenidine hydrochloride into a set of commercial poly (D,L-lactide) (PDLLA) and poly(D,L-lactide-co-glycolide) (PLGA) carrier materials with different molecular weights and chain end-groups, forming re-dispersible powders. It is demonstrated that the carrier materials bearing acid end-groups provide a significantly larger entrapment efficacy comparing with their ester counterparts independently of carrier composition and molecular weight. The understanding of the release mechanism allows guiding the selection of suitable encapsulating polyesters to tune initial burst and long-time release of a given drug. Finally, it is demonstrated on cultures of Staphylococcus epidermidis that the encapsulated and subsequently released OHC has conserved its antiseptic activity, which supports the potential applicability of the approach. In the third chapter of this work, after the promising results obtained with functionalized polyester-based microparticles produced through spray drying technique, a process optimization was performed in order to facilitate an industrial scale-up that otherwise may be long and labour-intensive. Therefore, in Chapter 3 we apply a full factorial Design of Experiments (DoE) to the spray drying of solutions of acid ended PLGA and octenidine dihydrochloride in order to shed light on the role and interaction between temperature, dry content of the sprayed solution and feeding pump flow rate on the yield and productivity of drug-loaded polymer microparticles. The best set of parameters considering the yield was then defined as 1% w/v, 40 ºC and 4.5 mL/min, for dry content, temperature, and pump flow rate, respectively. This optimization led to the production of microparticles that guaranteed the achievement of the desired properties of the formulation and the drug sustained release for more than 14 days, suggesting the possibility of generalizing this procedure to other polymer-drug pairs. Overall, in the first three chapters of the thesis, the most important effect on the formulation properties proved to be the carboxy functionalization of the polymer, able to establish an electrostatic interaction with the cationic drug. Therefore, in chapter 4 an in-depth investigation of the effect of the polymer-drug interaction and polymer architecture on the formulation properties was performed. To quantitatively control the electrostatic interaction between the polymer and the drug, complex polymeric architectures as star-like and brush-like polymers with tunable number of ionizable chain end-groups were synthesized via combination of ring-opening polymerization and reversible addition−fragmentation chain transfer polymerization. These polymers were formulated in NPs and loaded with octenidine hydrochloride through sonication emulsion/solvent evaporation. High encapsulation efficiencies and good control over the release of octenidine hydrochloride was achieved. Specifically, brush-like polymers demonstrated to be a versatile tool for the modulation of the initial burst and long-term release of the antiseptic through the fine tuning of the electrostatic interactions between the negative groups on the polymer, whose number can be precisely controlled, and the positively charged drug. Finally, in the last chapter of this work, one of the main factors limiting the transition to the market of these NPs based systems, consisting in their premature degradation and release of the payload during the storage, was addressed. In fact, both degradation and drug release could be slowed down by removing the water where NPs are produced. Typically, this process is done by lyophilization that is appealing for the possibility of completely drying the NPs, however many polymer NPs do not survive the harsh conditions of the process thus losing the possibility of re-dispersion. Therefore, in chapter 5, we study the possibility of freeze-drying two NP formulations for drug delivery. One is provided with a shell based on PEG, while the other comprises a shell made by polyzwitterions. Due to the impossibility of preserving the same NP size after re-dispersion, especially for the PEG-based NPs, we propose and optimize an alternative concentration process, based on the dialysis against a polymer solution. High concentration factors (Fc) can be reached with this process, without compromising the stability of the NPs. Finally, the main process conditions affecting Fc are highlighted, paving the way to its industrial scale up.

Al giorno d'oggi, il trattamento delle infezioni associate all'assistenza sanitaria rappresenta un serio problema anche per i pazienti dei paesi altamente industrializzati, a causa del crescente numero di ceppi batterici resistenti agli antibiotici tradizionali. L'uso di antisettici come i sali di ammonio quaternario rappresenta una valida alternativa per affrontare queste infezioni pericolose per la vita. Tuttavia, la loro tossicità intrinseca e la necessità di fornire un rilascio prolungato per evitare la formazione di biofilm di patogeni sono ostacoli fondamentali verso la loro valutazione negli ospedali. In questo contesto, il ruolo dei sistemi polimerici di rilascio di farmaci è fondamentale per superare i problemi di sopra menzionati. Biocompatibilità, biodegradabilità e interazioni eccipiente-farmaco sono proprietà cruciali che determinano l'efficacia della formulazione. Pertanto, nel primo capitolo di questo lavoro forniamo un'analisi approfondita dei sistemi polimerici di drug delivery che sono sotto studio per il rilascio controllato di antisettici cationici, evidenziando le proprietà chiave che hanno permesso di ottenere gli effetti terapeutici più rilevanti. Abbiamo riportato e confrontato polimeri naturali e carrier sintetici per descrivere i loro vantaggi e svantaggi nel trattamento delle infezioni associate all'assistenza sanitaria. Poi, la discussione è focalizzata su una classe particolarmente rilevante di materiali adottati per l'ambito, rappresentata dai poliesteri, che hanno dato origine, a causa della loro biodegradabilità, al campo dei dispositivi riassorbibili per la somministrazione di farmaci. Infine, viene presentata un'analisi specifica sull'effetto della funzionalizzazione del polimero sulle prestazioni della formulazione per i diversi tipi di carrier polimerici. Successivamente a questa completa ricerca in letteratura, nel secondo capitolo di questo lavoro, è stato eseguito l'incapsulamento di molecole attive in microparticelle polimeriche bioassorbibili, che possono rilasciare localmente il composto di interesse lungo un arco di tempo regolabile a seconda delle caratteristiche del polimero. Infatti, l'essiccazione a spruzzo è stata usata per incapsulare l'antisettico a banda larga octenidina cloridrato in una serie di materiali portanti commerciali poli (D,L-lattide) (PDLLA) e poli (D,L-lattide-co-glicolide) (PLGA) con diversi pesi molecolari e gruppi terminali di catena, formando polveri ridispersibili. È stato dimostrato che i materiali di supporto con gruppi terminali acidi forniscono un'efficacia di intrappolamento significativamente maggiore rispetto alle loro controparti estere, indipendentemente dalla composizione del supporto e dal peso molecolare. La comprensione del meccanismo di rilascio permette di guidare la selezione di poliesteri incapsulanti adatti per sintonizzare lo scoppio iniziale e il rilascio a lungo termine di un dato farmaco. Infine, è dimostrato su colture di Staphylococcus epidermidis che l'OHC incapsulato e successivamente rilasciato ha conservato la sua attività antisettica, che supporta la potenziale applicabilità dell'approccio. Nel terzo capitolo di questo lavoro, dopo i promettenti risultati ottenuti con le microparticelle funzionalizzate a base di poliestere prodotte attraverso la tecnica dell'essiccazione a spruzzo, è stata eseguita un'ottimizzazione del processo al fine di facilitare uno scale-up industriale che altrimenti potrebbe essere lungo e laborioso. Pertanto, nel capitolo 3 applichiamo un design degli esperimenti (DoE) riferito allo spray drying di soluzioni di PLGA terminanti con acido e octenidina diidrocloruro al fine di far luce sul ruolo e l'interazione tra temperatura, contenuto secco della soluzione spruzzata e portata della pompa di alimentazione sulla resa e la produttività delle microparticelle polimeriche caricate con farmaci. Il miglior set di parametri considerando la resa è stato quindi definito come 1% w/v, 40 ºC e 4,5 mL/min, rispettivamente per il contenuto secco, la temperatura e la portata della pompa. Questa ottimizzazione ha portato alla produzione di microparticelle che hanno garantito il raggiungimento delle proprietà desiderate della formulazione e il rilascio sostenuto del farmaco per più di 14 giorni, suggerendo la possibilità di generalizzare questa procedura ad altre coppie polimero-farmaco. Nel complesso, nei primi tre capitoli della tesi, l'effetto più importante sulle proprietà della formulazione si è dimostrato essere la funzionalizzazione carbossilica del polimero, in grado di stabilire un'interazione elettrostatica con il farmaco cationico. Pertanto, nel capitolo 4 è stata eseguita un'indagine approfondita dell'effetto dell'interazione polimero-farmaco e dell'architettura del polimero sulle proprietà della formulazione. Per controllare quantitativamente l'interazione elettrostatica tra il polimero e il farmaco, sono state sintetizzate architetture polimeriche complesse come polimeri a stella e a spazzola con un numero regolabile di gruppi terminali ionizzabili tramite una combinazione di polimerizzazione ad apertura anulare e polimerizzazione reversibile di trasferimento a catena per addizione e frammentazione. Questi polimeri sono stati formulati in NPs e caricati con cloridrato di octenidina attraverso l'emulsione di sonicazione / evaporazione del solvente. È stata raggiunta un'alta efficienza di incapsulamento e un buon controllo sul rilascio di cloridrato di octenidina. In particolare, i polimeri a spazzola hanno dimostrato di essere uno strumento versatile per la modulazione dello scoppio iniziale e del rilascio a lungo termine dell'antisettico attraverso la regolazione fine delle interazioni elettrostatiche tra i gruppi negativi sul polimero, il cui numero può essere controllato con precisione, e il farmaco con carica positiva. Infine, nell'ultimo capitolo di questo lavoro, è stato affrontato uno dei principali fattori che limitano il passaggio al mercato di questi sistemi basati su NPs, che consiste nella loro prematura degradazione e rilascio del carico utile durante lo stoccaggio. Infatti, sia la degradazione che il rilascio del farmaco potrebbero essere rallentati rimuovendo l'acqua in cui sono prodotte le NPs. Tipicamente, questo processo viene fatto tramite liofilizzazione che è attraente per la possibilità di asciugare completamente le NP, tuttavia molte NP polimeriche non sopravvivono alle dure condizioni del processo perdendo così la possibilità di ridispersione. Pertanto, nel capitolo 5, studiamo la possibilità di liofilizzare due formulazioni di NP per il rilascio di farmaci. Una è dotata di un guscio a base di PEG, mentre l'altra comprende un guscio costituito da polizwitterioni. A causa dell'impossibilità di conservare le stesse dimensioni delle NP dopo la ridispersione, soprattutto per le NP a base di PEG, proponiamo e ottimizziamo un processo di concentrazione alternativo, basato sulla dialisi contro una soluzione polimerica. Con questo processo si possono raggiungere alti fattori di concentrazione (Fc), senza compromettere la stabilità delle NP. Infine, le principali condizioni di processo che influenzano Fc sono evidenziate, aprendo la strada allo scale up industriale.