Ocular drug delivery insert technology: from polymer synthesis to in vitro testing

Abstract

Glaucoma é uma doença crónica que afeta cerca de 100 milhões de pessoas em todo o mundo e exige a administração continuada de fármacos. O sucesso do tratamento depen-de muito do próprio doente, no sentido em que é ele quem tem de instilar as gotas no pró-prio olho – 1 ou 2 vezes por dia. No entanto, como o glaucoma crónico é assintomático, a maioria dos doentes não cumpre a posologia correta, por esquecimento, ou desiste do tra-tamento, devido à elevada frequência de aplicações. Uma outra situação em que é reconhecida a dificuldade em cumprir a posologia pres-crita, está relacionada com as medidas profiláticas no pós-operatório de cirurgias oculares. Após uma cirurgia ocular, é pedido ao paciente que instile gotas de pelo menos 2 colírios – um, contendo um antibiótico e outro, um anti-inflamatório – em horários diferentes, várias vezes ao dia, por um período de 2-3 semanas. A solução para estes problemas na administração de gotas nos olhos, passa por de-senvolver um dispositivo que, quando colocado no olho, liberte um ou mais fármacos de forma controlada ao longo de várias semanas, em situações agudas, ou vários meses, para patologias crónicas. No trabalho de investigação aqui apresentado, foram desenvolvidos sistemas poliméricos com o objetivo de cumprirem com os requisitos necessários para a sua aplicação como insertos oftálmicos para libertação controlada de fármacos. O desenvolvimento da tecnologia, registada como Ineye®, baseou-se na estratégia de “Quality by Design” (QbD). Um dos elementos chave dessa estratégia é a definição do “Quality Target Product Profile” (QTPP), no qual se define o perfil de qualidade necessário para que o produto cumpra com o objetivo proposto de forma segura e eficaz. A seleção dos polímeros a utilizar na preparação dos insertos oculares, foi então baseada nesses pres-supostos e, após uma seleção inicial teórica baseada no estado atual do conhecimento, foi decidido preparar copolímeros de poli(ε-caprolactona)-poli(etileno glicol) (PCL/PEG). Es-tes mate-riais, de reconhecida biocompatibilidade e com várias aplicações, já documenta-das, na libertação controlada de fármacos, incluindo para aplicação ocular, aliam a hidrofo-bicidade e resistência mecânica de um poliéster, a PCL, com o caráter hidrofílico e plastifi-cante de um poliéter, o PEG. A elevada miscibilidade dos dois compostos permitiu preparar copolímeros com uma gama muito alargada de percentagens de PEG. A síntese deste copolímeros foi feita por reação do monómero ε-caprolactona, um és-ter cíclico, segundo o mecanismo reacional de polimerização por abertura de anel (ROP). Para garantir a formação de copolímeros em bloco (PCL-PEG-PCL), a proporção desejada de PEG foi adicionada no início da ROP. Para além de variar a proporção PCL/PEG, foram também sintetizados copolímeros utilizando PEG de diferentes pesos moleculares e adicio-nado um extensor de cadeia e reticulante, o diisocianato de hexametileno. Numa abordagem de QbD, fez-se uma avaliação de risco para determinar quais os pa-râmetros críticos do processo (CPP) da síntese por ROP. Foi feita uma exaustiva bateria de testes durante a qual se avaliou o impacto da temperatura e duração da síntese, da percen-tagem e peso molecular de PEG e da proporção catalisador/reagentes no peso molecular e nas propriedades térmicas e mecânicas dos copolímeros obtidos. Os resultados apontam para a percentagem de PEG como o principal CPP, concluindo-se que será necessário, aquando da produção à escala industrial, arranjar mecanismos de monitorização e controlo da percentagem de PEG. Definidas as condições ideais de síntese, prepararam-se insertos a partir de formula-ções distintas para avaliar algumas das propriedades biorrelevantes destes materiais – a energia de superfície, a absorção de água, a perda de massa, o pH da superfície e o seu im-pacto no pH do fluido lacrimal, a resistência à rutura e a biocompatibilidade. Os resultados permitiram selecionar várias formulações com potencial para serem utilizadas como insertos oculares e excluir outras que não cumpriam com alguns requisitos. Os polímeros mais promissores foram então utilizados para preparar diferentes siste-mas de libertação controlada de vários fármacos e a cinética de libertação foi estudada in vitro. Os testes permitiram relacionar a composição e a arquitetura do Ineye® com os perfis de libertação, através de vários modelos matemáticos, alguns desenvolvidos especificamen-te para este trabalho. Obtiveram-se tempos de libertação dos fármacos a variar entre 1 se-mana e 6 meses tanto em regime de difusão de acordo com a lei de Fick como de forma constante. Como resultado desta investigação, foi adquirido conhecimento que garante o contro-lo sobre a tecnologia desenvolvida nas suas múltiplas facetas - na síntese, nas principais características dos polímeros e na libertação controlada de vários fármacos. Assim, poder-se-á preparar, no futuro, o Ineye® adequado para cada patologia ocular, proporcionando a libertação de um ou mais fármacos na quantidade, taxa e duração necessários, melhorando a eficácia do tratamento e por conseguinte a qualidade de vida das pessoas.

Glaucoma is a chronic disease that affects around 100 million people worldwide and requires continued administration of drugs. The success of the treatment depends mainly on the patient himself, in the sense that he has to instill the drops into his own eye - 1 or 2 times a day. However, since chronic glaucoma is asymptomatic, most patients do not fol-low the correct posology, because of forgetfulness, or withdraw from treatment due to the high frequency of applications. Another situation, known by its difficulty in complying with the prescribed dosage, is the one related to prophylactic measures in the postoperative period of ocular surgeries. After an eye surgery, the patient is asked to instill drops of at least 2 eye drops – one con-taining an antibiotic and another, an anti-inflammatory – at different times, several times a day for a period of 2-3 weeks. The solution to these problems in the administration of eye drops is to develop a de-vice which, when placed in the eye, releases one or more drugs in a controlled way over several weeks, for acute situations, or several months, for chronic conditions. In the re-search work presented here, polymeric systems were developed in order to comply with the necessary requirements for their application as ophthalmic inserts for controlled drug re-lease. The development of the technology, registered as Ineye®, was based on the strategy of Quality by Design (QbD). One of the key elements of this strategy is the definition of the Quality Target Product Profile (QTPP), which defines the quality profile necessary for the product to meet its intended purpose in a safe and effective manner. The selection of the polymers to be used in the preparation of ocular inserts was then based on these as-sumptions and, after an initial theoretical selection based on the current state of the art, it was decided to prepare poly (ε-caprolactone) -poly (ethylene glycol) copolymers (PCL / PEG). These materials, of recognized biocompatibility and with various applications in the controlled release of drugs, already documented, including for ocular application, combine the hydrophobicity and mechanical strength of a polyester, PCL, with the hydrophilic and plasticizing character of a polyether, PEG. The high miscibility of the two compounds al-lowed the pre-paration of copolymers with a wide range of PEG percentages. The synthesis of these copolymers was carried out by reacting the ε-caprolactone mo-nomer, a cyclic ester, through the ring-opening polymerization (ROP) reaction mechanism. To ensure the formation of block copolymers (PCL-PEG-PCL), the desired ratio of PEG was added at the start of ROP. In addition to varying the PCL/PEG ratio, copolymers were also synthesized using PEGs of different molecular weights and a chain extender and crosslinker, hexamethylene diisocyanate, was added. In a QbD approach, a risk assessment was performed to determine the critical process parameters (CPP) of ROP synthesis. An exhaustive test battery was carried out during which the impact of the temperature and duration of the synthesis, the percentage and mo-lecular weight of PEG and the catalyst / reagent ratio on the molecular weight and on the thermal and mechanical properties of the copolymers obtained was evaluated. The results point to the percentage of PEG as the main CPP, concluding that it will be necessary, dur-ing the production on an industrial scale, to arrange mechanisms for monitoring and con-trolling the percentage of PEG. Once the optimal synthesis conditions were defined, inserts were prepared from dis-crete formulations to evaluate some of the biorelevant properties of these materials - surface energy, water absorption, mass loss, surface pH and its impact on pH lacrimal fluid, re-sistance to breaking and biocompatibility. The results allowed to select several formulations with potential to be used as ocular inserts and to exclude others that did not fulfil some requirements. The most promising polymers were then used to prepare different controlled drug de-livery systems and the release kinetics were studied in vitro. The tests allowed to relate the composition and architecture of the Ineye® with the release profiles, using various mathe-matical models, some developed specifically for this work. The drug release periods ranged from 1 week to 6 months either on a diffusion following Fick’s Law or on a constant deliv-ery rate. As a result of this research, knowledge has been acquired that ensures control over the technology developed in its multiple facets – in the synthesis, in the main characteristics of the polymers and in the controlled release of several drugs. Thus, a tailored Ineye® suit-able for each ocular pathology can be prepared in the future, providing the release of one or more drugs in the required quantity, rate and duration, improving the effectiveness of the treatment and therefore the quality of people’s life.