Somministrazione intranasale di sistemi avanzati caricati con farmaci peptidici e biologici: studio in vitro, ex vivo ed in vivo

The nasal route of administration has been widely explored in recent decades as a valid alternative to the classic oral and parenteral routes for drug administration. This Thesis aimed to deeply explore the nasal administration of drugs, evaluating the main physiological factors that can potentially represent an issue to drug absorption and exploiting nanotechnology to address these limitations. The first part of this Thesis concerns the study of a nasal micellar spray encapsulating cyclosporine A, entirely characterized for chemical/physical properties and mucoadhesiveness. Furthermore, the in vivo administration of the formulation was simulated using a silicon model of a human nose and different nasal devices. Finally, the efficacy of the formulation against SARS-CoV-2 was tested in vitro on VERO E6 cells. The formulation has been shown to have a particle size of about 15 nm, a neutral surface and a high drug encapsulation efficiency (about 95%), as well as considerable stability over time. Furthermore, the formulation has been shown to have a high tendency to penetrate through the nasal mucosa and in vitro studies have demonstrated an antiviral efficacy of 100% in most of the treatment protocols used. The second part of the Thesis concerns the application of the micellar formulation of cyclosporine A on an animal model of neuroinflammation induced by Lipopolysaccharide (LPS). The study was performed by administering a 40 mg/kg dose of cyclosporine A intranasally to CD-1 mice, with the aim of delivering the drug to the brain. The therapeutic effect of chronic treatment with cyclosporine A was evaluated through several behavioral studies; in parallel, the drug was quantified both in plasma and in the olfactory bulb after a single administration. The efficacy and safety profile of the nasal micellar formulation was compared to that of the oral suspension of the drug. The results highlighted a higher safety of nasal administration compared to oral administration, and showed the antidepressant effect of the intranasally administered micellar formulation of cyclosporine A. The third part of this Thesis consists of an in-depth study of the nasal mucosa, carried out by immunohistochemistry, with the aim of highlighting the main anatomical differences between the respiratory and olfactory regions and the direct connection of the olfactory epithelium with the brain. Subsequently, the importance of using innovative systems and devices that allow a selective deposition of the drug on the olfactory region of the mucosa, when a nose-to-brain administration is desired, was demonstrated. For this purpose, a chitosan-based nanoparticle formulation was used as a model to explore the mucoadhesion and mucopenetration profiles on an ex vivo model of nasal mucosa, using two-photon microscopy to analyze both the surface and the depth of the tissue. The nanoparticles proved to be more mucopenetrating than the drug solution, used as a reference, and it was possible to observe how the neuronal structures can form channels that facilitate the passage of the drug or nanoparticles from the nasal mucosa to the brain.

La via di somministrazione nasale è stata ampiamente esplorata negli ultimi decenni come valida alternativa alle classiche vie orali e parenterali per la somministrazione di farmaci. Questa Tesi ha avuto l’obiettivo di esplorare approfonditamente la somministrazione nasale di farmaci, valutando quali siano i principali fattori fisiologici che possono potenzialmente rappresentare un ostacolo all’assorbimento del farmaco e utilizzando la nanotecnologia per fare fronte a tali limiti. La prima parte di questa Tesi riguarda lo studio di uno spray micellare nasale a base di ciclosporina A, interamente caratterizzato per proprietà chimico/fisiche e mucoadesività. Inoltre, la somministrazione in vivo della formulazione è stata simulata sfruttando un modello siliconico di naso umano e diversi dispositivi nasali. Infine, l’efficacia della formulazione contro SARS-CoV-2 è stata testata in vitro su cellule VERO E6. La formulazione ha dimostrato di avere una dimensione particellare di circa 15 nm, una superficie neutra ed una elevata efficienza di incapsulazione del farmaco (circa 95%), oltre che una notevole stabilità nel tempo. Inoltre, è stato dimostrato che la formulazione ha una elevata tendenza a penetrare attraverso la mucosa nasale e gli studi in vitro hanno dimostrato un’efficacia antivirale del 100% nella maggior parte dei protocolli di trattamento utilizzati. La seconda parte della Tesi riguarda l’applicazione della formulazione micellare di ciclosporina A su un modello animale di neuroinfiammazione indotta da Lipopolisaccaride (LPS). Lo studio è stato eseguito somministrando a topi CD-1 una dose di 40 mg/kg di ciclosporina A per via nasale, con l’obiettivo di veicolare il farmaco al cervello. L’effetto terapeutico del trattamento cronico con ciclosporina A è stato valutato mediante diversi studi comportamentali; parallelamente il farmaco è stato quantificato sia nel plasma che nel bulbo olfattivo dopo una singola somministrazione. Il profilo di efficacia e sicurezza della formulazione micellare nasale è stato paragonato a quello della sospensione orale del farmaco. I risultati hanno evidenziato una maggiore sicurezza della somministrazione nasale paragonata a quella orale, e hanno mostrato l’effetto antidepressivo della formulazione micellare di ciclosporina A somministrata per via nasale. La terza parte di questa Tesi consiste in uno studio approfondito della mucosa nasale, realizzato tramite immunoistochimica, con l’obiettivo di evidenziare le principali differenze anatomiche tra le aree respiratorie e olfattive e la connessione diretta dell’epitelio olfattivo con il cervello. Successivamente, è stata dimostrata l’importanza dell’utilizzo di sistemi innovativi e dispositivi che consentano la deposizione selettiva del farmaco sulla regione olfattiva della mucosa, quando si vuole ottenere una somministrazione naso-cervello. A questo scopo, è stata utilizzata una formulazione di nanoparticelle a base di chitosano come modello per esplorare i profili di mucoadesione e mucopenetrazione su un modello ex vivo di mucosa nasale, sfruttando la microscopia a due fotoni per analizzare sia la superficie che la profondità del tessuto. Le nanoparticelle si sono rivelate maggiormente mucopenetranti rispetto alla soluzione di farmaco, utilizzata come riferimento, ed è stato possibile osservare come le strutture neuronali possano formare canali che favoriscano il passaggio del farmaco o delle nanoparticelle dalla mucosa nasale al cervello.