KATIA MARTINA

Dip. Scienze e Tecnologie del Farmaco

Università di Torino

NANOPARTICELLE A BASE CICLODESTRINICA: VERSATILI SISTEMI PER

L'INCLUSIONE, LA VEICOLAZIONE ED IL RILASCIO CONTROLLATO DEL FARMACO

NANOPARTICELLE

Liposomi

DendrimeriAlexander V. Kabanov* and Serguei V. Vinogradov Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 5418 – 5429

IdrogeliNanotubi di Carbonio

Micelle

1973 1

976

1

983

1990

1992 1

994 2

002 2

005

2009

Prima fo

rmulazio

ne

farmaco

-liposo

ma

Prima nanopartc

ella

polimeric

aPrim

a form

ulazione di

micelle

Approvata

Prima fo

rmulazio

ne

polimeric

a entra in

commerci

o

(Doxo

rubicina)

Viene riporta

to il prim

o

liposo

ma PEGila

to

Viene riporta

to la prim

a

nanoparticella

PEGila

to

Il prim

o prodotto co

niugato

polimero-fa

rmaco

con

agente veico

lante entra in

fase cl

inica

Studi precli

nici per i

primi

sistemi d

entrimero- fa

rmaco

Primo ril

ascio

mirato di s

iRNA

nell’uomo

Aumentare la solubilità

Prolungare l’emivita del Farmaco

Migliorare l’indice terapeutico

Ridurre l’immunogenicità

O BI E TT I VI

Non tossiche

Solubili

Non immunogeniche

Eliminate o degradate dall’organismo

MACROMOLECOLE

R.A. Petros, J.M. DeSimone, Nature Rev. 2010 615

BIODISTRIBUZIONE DELLE NANOPARTICELLE

Biodistribuzione

Dimensione

Forma

Carica superficiale

Idrofilia

15μm

J. L. Perry, K. P. Herlihy, M. E. Napier, J. M. Desimone Accounts Of Chemical Research 2011, 44(1), 990–998

5nm

Micro

0.01 mm

10 nm

0.1 mm

100 nm

1 microm

eter (mm

)10

-6 m

10-7 m

10-8 m

10-9 m

Nano

1 nanometer (n

m)

Biodistribuzione

Dimensione

Biodistribuzione

Forma

Aumentare la solubilità

Prolungare l’emivita dei Farmaci

Migliorare l’indice terapeutico

Ridurre l’immunogenicità

Aumentare la stabilità

OBIETTIVO PRELIMINARE

OO

H

H

OHH

O

HOH

H

HO

O

H

H

OH

H

O

OH

H

H

HO

O

H

HHO

H OOH

H

H

HO

OH

H

HO

H

OOHH

H

OH

O

H

H

HO H

O

OH

H

H

OH

O

HH

OH

H

O

HO

H

H

OH

O

H

H OH

HHO

H

H

OH

-Cyclodextrin:

• Sette unità di a-D-glucopiranosio legate da legami 1,4 glucosidici

• Struttura a tronco di cono con superficie esterna idrofila e cavità lipofila.

CICLODESTRINE

S

T

A

R

C

H

CGTase

IN NATURA

CICLODESTRINE

a b g

Numero di unità di glucosio 6 7 8

Numero di centri chirali 30 35 40

Massa molecolare972 1135 1297

Volume della cavità (nm3) 174 262 427

Solubilità in H2O (g CD/100 ml H2O) 14.5 1.85 23.2

Tenuta massima in H2O

allo stato cristallino (%m/m)

11 14 11

CICLODESTRINE

STRUTTURE SUPRAMOLECOLARI E RICONOSCIMENTO MOLECOLARE

In biologia vi sono vari esempi di strutture supra-molecolari. Le interazioni tra i componenti di queste strutture, le loro funzioni e la loro reattività dipendono da interazioni intermolecolari specifiche.

Paolo Pevarello, Katia Martina et al J.Med.Chem. 2004; 47(13); 3367-3380.  

Raggi X di CDK2 ATP con 5-ciclopropl-3-fenilacetammido pirazole

I complessi di inclusione permettono di sciogliere in acqua sostanze idrofobe

RICONOSCIMENTO MOLECOLARE

I fattori che contribiscono alla formazione dei complessi di Inclusione sono:a) Effetto idrofobico che induce le

molecole apolari ad includersi nella cavità della ciclodestrina,;

b) Forze di Van der Walls tra dipoli permananenti ed indotti;

c) Legami ad idrogeno tra le molecole incluse e I grippi ossidrilici della ciclodestrina;

d) Effetto del solvente

• Industria farmaceutica: agenti solubilizzanti o per modularne il rilascio dei farmaci

• Industria Alimentare

• Industria tessile: funzionalizzazione di materiali tessili

• Biomateriali: rivestimento di protesi con CD

• Membrane: rimozione di sostanze da soluzioni o gas

• Utilizzo in ambito ambientale

• Catalizzatori

• Chimica Analitica: separazioni chirali

APPLICAZIONI DELLE CICLODESTRINE

Phar-maceu-

tical38%

Analysis

Inclusion complexes16%s

Food7%

Textile2,5%

Polymer9,5%

Other45%

PROFILO TOSSICOLOGICO

Cyclodextrin The pharmacokinetics in ratsAcute toxicity, LD50 rat (g/kg)

Maximum dosage in marketed products (mg/day)

t1/2 after IV injection

(min)

Fraction excreted

unchanged in urine

Oral absorption IV Oral IV Oral

αCD 25 ~90% 2-3% 0,5-0,8 >10 1,3

βCD 20 ~90% 1-2% 1 19 Not for parental usage 170

HPβCD 20 ~90% ≤3% 10 >2 16000 8000

RMβCD 18 >95% 0,5-12% 1,5-2,1 >8 Not for parental usage -

γCD 20 90% <0,02 4 >8

M.E. Brewster, T. Loftsson Adv. Drug Rev. 2007, 59, 645-666

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

0

10

20

30

40

50

60

70

pubblication

Patent

Year

# of

Pub

blic

ation

s

20012002

20032004

20052006

20072008

20092010

20112012

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Year

# of

Pub

blic

ation

sAPPLICAZIONE DELLE CICLODESTRINE IN CAMPO ALIMENTARE

• Agenti Sequestranti colesterolo• Veicolazone di : conservanti

stabilizzanti nutraceutici coloranti

• Modificatori del gusto e del profumo

Pubblicazioni in lingua inglese relative alle ciclodestrine 2001-2011

b) Pubblicazioni riferite al settore alimentarea) Pubblicazioni totali

APPLICAZIONI

APPLICAZIONE NEL TESSILE

Cravotto G.; Beltramo L.; Sapino S.; et al. J. Mat Sci. -Materials In Medicine  2011, 22(10) 2387-2395  

National Textile Center Annual Report: November 2005

• Antimicrobico• Rilascio profumi• Fissaggio Colore• Migliora le proprietà antistatiche

Molecole incluse Applicazioni

Miconazole nitrate,Butylparaben and Triclosan

Antimicrobialactivity

Octyl methoxycinnamate, 4-Hydroxy benzophenone,Zinc oxide nanoparticles

Sun screen agents

Permethrin, N, N, -diethyl-3-methylbenzamide (DEET),limonene

Mosquitorepellents

Anti-blaze RD 1 Flame retardants

Lavender oil, citronella oil,vanillin

Fragranceproperties

Sweat Trapping of badodours

Drug Pharmacuetical

Attività farmaceutiche

APPLICAZIONI FARMACEUTICHE

• Aumento solubilità• Miglioramento biodisponibilità• Aumento Stabilità• Conversione liquidi ed oli in polveri• Riducono la volatilità e stabilizzano aromi• Modificatori del gusto• Riducono emolisi• Prevengono incompatibilità in miscele

Complessi Farmaco-Ciclodestrina approvate e commercializzate

Farmaco Via di somministrazione Nome commerciale Mercato

-Ciclodestrina

Alprostadil (PGE1) Intravenosa Prostavastin, Caverject, Edex

Europa, Giappone, USA

-Ciclodestrina

Nicotina Sottolinguale Nicorette Europa

Nimesulide Orale Nimedex, Mesulid Europa

2-Idrossipropil--ciclodestrina

Idrossicortisone Boccale Dexocort Europa

Itraconazolo Orale, intravenosa Sporanox Europa, USA

Metil--cyclodestrina

Cloramfenicolo Gocce oculari Clorocil Europa

Sulfobutil--ciclodestrina

Ziprasidone maleato Intramuscolare Geodon Europa USA

2-Idrossipropil--ciclodestrina

Diclofenal sale sodico Gocce oculari Voltaren Europa

M.E.Davis, M.E. Brewster Nature Rev. 2004, 1023

POLIMERI CICLODESTRINICI

Polimero Ciclodestrina Metodo di preparazione

Poliacrilestere, Polimetacrilato

α-CD, β-CD, -CD Polimerizzazione di vinilCDPolimerizzazione di CD metacrilato

Poliallilammmina, polietilaminaChitosanoPoliestere

α-CD, β-CD, -CD Grafting CD su polimero

Dendrimero α-CD, β-CD, -CD Grafting CD su dendrimero

Possibilità di modulare le proprietà del polimeroMantenere le proprietà inclusive della CD:

Inclusione selettivaMonitoraggio formazione del complesso di inclusione

APPLICAZIONI CD-POLIMERICA:

FarmacoSonde per diagnosticaVettoriProteineGeni

Davis Mol. Pharm. 2009, 6(3), 659–668Tamesue, S., Takashima, Y., Yamaguchi, H., Shinkai, S. & Harada, Angew. Chem. Int. Ed. 49, 7461 (2010). Park, C., Kim, H., Kim, S. & Kim, C. J. Am. Chem. Soc. 131, 16614 (2009). 

Veicolazione e Rilascio di

O

OO

S

O

O

O

OSO

OO

O

S

O

O

OO

S

OO

O

O

SO

OO

OS

O

OO

O

S

O

HN

NS

NH3+

+H3N

HN

NS

NH3+

+H3N

HNN

S

NH3+

+H3N

NHN

S

NH3+

NH3+

NH

N

S

+H3NNH3

+

NH

N

S

+H3N

NH3+

HN

N S

+H3N

+H3N

O

O

OO

O

O

O

O

O

OO O

O

C. Galant, C. Amiel and L. Auvray, Macromol. Biosci., 2005, 5,1057.

Ortiz Mellet, Carmen; Garcia Fernandez, Jose M; Benito, Juan M Chemical Society reviews 2011, 40(3) 1586-608

NANOPARTICELLE CICLODESTRINICHE: TERAPIA GENICA

Protegge contro la degradazioneAumenta la permeabilità cellulareStabilizza e Modula la risposta immunitariaRiduce la tossicitàMediante glicosilazione si ottiene targeting

CD

DERIVATI DELLE CICLODESTRINE

Derivati più flessibili e più grandi.

.

2 2I

6 6I

Mono, poli e persostituzioni

Dimeri

Derivati di terza generazione

Aumentare la solubilità

Prolungare l’emivita dei Farmaci

Migliorare l’indice terapeutico

Ridurre l’immunogenicità

Aumentare la stabilità

Somministrazione contemporanea

Identificazione del sito di rilascio

Diagnosi in tempo reale

Rilascio attivato

Modulazione risposta immunitaria

Aumento permeabilità cellulare

VANTAGGI DEL SISTEMA POLIMERO-CD

CONDIZIONI DI SINTESI NON CONVENZIONALI

ULTRASUONI

MICROONDE

,b b (2,3)

Studi di Simulazione di Dinamica Molecolare

, ,(2,3); b a, (2,3); b b, (2,3)b g

DIMERI CICLODESTRINICI

G.Cravotto, F. Mendicuti, K. Martina, S. Tagliapietra, B. Robaldo, A. Barge, Synlett, 2008, 17, 2642.

, (2,6) a b, (2,6) b b, (2,6)g b

OH

N

N N

OH

OHO

OH

or

OHHO

N

NN

OH

HO O

or

,b b (2,6)

SINTESI DI DIMERI E TRIMERI

S. Aime, E. Gianolio, F. Arena, A. Barge, K. Martina, G. Heropoulus, G.Cravotto Org. Biomol. Chem., 2009, 7(2), 370-379.

N

N

HO14

A

D

NN

NN

OH

O

HO13

OH

HO

O

13

7

7

, b a (2,6) ,b b (2,6) , b g (2,6) , b b (2,3) Trimer

Gd-1Ka = 1.1×104 M-1

Rb = 10.8 mM-1s-1

n=1

Ka = 1.8×103 M-1

Rb = 11.8 mM-1s-1

n=1

Ka = 1.4×104 M-1

Rb = 12.8 mM-1s-1

n=1

Gd-2Ka = 1.4×104 M-1

Rb = 21.7 mM-1s-1

n=0.5

Ka = 6.1×105 M-1

Rb = 26.1 mM-1s-1

n=0.66

Ka = 3.0×103 M-1

Rb = 27.2 mM-1s-1

n=0.5

Ka = 1.8×104 M-1

Rb = 24.3 mM-1s-1

n=0.66

Ka = 5.3×104 M-1

Rb = 27 mM-1s-1

n=0.7

NN

N

-OOC

-OOC

COO-

COO-

-OOC

Gd3+

Gd-1

NN

N

-OOC

-OOC

COO-

COO-

-OOC

Gd3+

Gd-2

SINTESI DI DENDRIMERI DI CICLODESTRINA

STRUTTURA DEFINITASOLUBILE,VERSATILEMULTIFUNZIONALE

RINGRAZIAMENTI

Marina Caporaso

Alessandro Barge

Emanuela Calcio Gaudino

Silvia Tagliapietra

Arianna Binello

Giancarlo Cravotto