Evaluation of intranasal administration of fluoroquinolones and their potential in the treatment of chronic rhinosinusitis: ciprofloxacin and levofloxacin

Abstract

Chronic rhinosinusitis is a persistent inflammation of the nasal cavity and paranasal sinuses mucosa with high prevalence and significant impact in patients´ quality of life. Although the exact etiology and pathophysiology of this multifactorial and difficult to treat disease are still unclear, there is growing evidence about the involvement of bacterial biofilms and their association with the refractory and chronic nature of the disease. Bacteria in biofilms show an increased resistance to antibiotics that can be as high as 1000-fold that of their corresponding planktonic form, which explains the lack of effectiveness of systemic administration of antibiotics in this clinical condition. High concentrations required to eradicate bacteria are difficult to attain without significant risks of systemic toxicity using the conventional routes of administration. Intranasal administration emerges as an alternative option to deliver drugs directly to the target site (sinonasal mucosa) achieving high local concentrations with minimal systemic exposure and consequent systemic adverse effects. The aim of the present thesis was to evaluate the potential of intranasal administration of fluoroquinolones by comparing their pharmacokinetic behavior after intranasal and intravenous delivery in Wistar rat biological matrices adequate to probe the risks and benefits of this topical strategy. The progression of experimental work led to the selection of ciprofloxacin and levofloxacin which are two of the most commonly used and well-known fluoroquinolones. To support the in vivo pharmacokinetic studies and thus achieve the above objectives, a high performance liquid chromatography method coupled with fluorescence detection was developed and validated to quantify ciprofloxacin and levofloxacin in rat nasal mucosa, plasma and olfactory bulb, probing drug efficacy as well as systemic and central nervous system safety, respectively. For intranasal administration a thermoreversible in situ gel was used to deliver ciprofloxacin and levofloxacin to Wistar rats at a dose of 0.24 mg/kg, a much lower dose than that administered by intravenous route, namely 10 mg/kg. After intranasal administration, markedly higher concentrations were attained in the anterior nasal mucosa compared to those found in the posterior region. This heterogeneous deposition pattern of formulation in nasal cavity contrasts with the intravenous homogeneous distribution and makes the application site more advantageous for this topical approach. Dose-normalized concentrations and exposure pharmacokinetic parameters obtained for nasal mucosa were two or one order of magnitude higher – in anterior and posterior nasal regions, respectively – by intranasal administration than by intravenous route. A similar comparison for plasma and olfactory bulb lead to the conclusion of a lower systemic exposure after topical intranasal administration and of a possible contribution of drug direct nose-to-brain transport that should be carefully taken into account. The results confirm the significant advantage of topical intranasal administration to deliver ciprofloxacin and levofloxacin to the biophase in comparison with the intravenous administration. Given the typically lower doses used for intranasal route, both systemic and central nervous system safe profiles were also demonstrated by the minimal or negligible values attained with the intranasal dose of 0.24mg/kg. Therefore, intranasal administration of topical-acting fluoroquinolones may represent a promising and safe alternative approach to be implemented in the management of chronic rhinosinusitis.

A rinossinusite crónica é uma inflamação persistente da mucosa da cavidade nasal e dos seios perinasais com elevada prevalência e um impacto significativo na qualidade de vida dos doentes. Embora a etiopatologia desta doença mulifatorial e difícil de tratar permaneça ainda por elucidar, existe evidência crescente do envolvimento de biofilmes bacterianos, sendo este o aspeto mais apontado para explicar a natureza crónica e refratária da doença. Com efeito as bactérias em biofilmes revelam uma resistência aos antibióticos que pode ser até 1000 vezes superior à da correspondente forma planctónica, o que explica a ineficácia terapêutica da administração sistémica de antibióticos. Utilizando vias convencionais de administração, as elevadas concentrações necessárias para erradicação das bactérias dificilmente se atingem sem riscos significativos de toxicidade sistémica. A administração tópica intranasal surge assim como uma estratégia alternativa para a entrega direta de fármacos na biofase (mucosa naso-sinusal) por forma a obter elevadas concentrações locais e exposição sistémica mínima, sem os efeitos adversos/tóxicos associados. O objetivo central desta dissertação foi a avaliação do potencial da administração intranasal de fluoroquinolonas, através da análise do risco/benefício envolvidos neste tipo de administração, utilizando matrizes biológicas estreitamente relacionadas com a segurança e a eficácia dos fármacos e comparando o respectivo comportamento farmacocinético após administração intranasal e intravenosa dos mesmos. A progressão do trabalho experimental conduziu à seleção da ciprofloxacina e levofloxacina, duas das fluoroquinolonas mais conhecidas e frequentemente utilizadas na clínica. Sendo a bioanálise um passo essencial de suporte aos estudos in vivo farmacocinéticos, procedeuse ao desenvolvimento e validação de uma técnica de cromatografia líquida de alta eficiência com deteção por fluorescência, para quantificar a ciprofloxacina e levofloxacina na mucosa nasal, plasma e bolbo olfativo de ratos Wistar. Um gel com propriedades termorreversíveis, capaz de gelificar na cavidade nasal, foi utilizado para a entrega tópica intranasal de uma dose de 0,24 mg/kg de ciprofloxacina e de levofloxacina, muito inferior à de 10 mg/kg administrada por via intravenosa. Após administração intranasal as concentrações obtidas na mucosa nasal da região anterior foram acentuadamente mais elevadas do que as encontradas na região posterior, esta distribuição heterogénea da formulação na cavidade nasal contrasta com a distribuição homogénea observada por administração intravenosa e põe em evidência a situação mais vantajosa para o local mais próximo da aplicação tópica. As concentrações e os parâmetros de exposição farmacocinéticos normalizados à dose obtidos na mucosa nasal por administração intranasal foram superiores aos da administração intravenosa - duas ordens de grandeza na região anterior e uma ordem de grandeza na região posterior. Uma comparação idêntica (portanto independente da dose) entre ambas as vias para o plasma e bolbo olfactivo permitiu inferir que a exposição sistémica foi inferior por administração intranasal e que a estreita relação do nariz com o sistema nervoso central não deve ser ignorada face os resultados obtidos no bolbo olfactivo. Confirma-se portanto a vantagem significativa da administração intranasal para entrega da ciprofloxacina e levofloxacina na biofase, face à administração intravenosa. Os valores negligenciáveis ou mínimos atingidos no plasma e bolbo olfactivo após administração de uma dose de 0,24 mg/kg demonstram um perfil seguro tanto a nível sistémico como a nível do sistema nervoso central. Em conclusão, a administração intranasal de fluoroquinolonas demonstrou ser uma abordagem promissora e segura, podendo representar um contributo importante no tratamento tópico da rinossinusite crónica.