Controlled release systems for dental hypersensitivity. Study of Liposomes and novel Metal-Organic Frameworks as cannabinoids carriers

Abstract

La hipersensibilitat dental o dentinària és un dolor curt i agut en resposta a diversos estímuls dentals. Encara que existeixen nombrosos tractaments per a combatre-la, cap és totalment eficaç, fent necessari desenvolupar noves estratègies. Un candidat potencial és el cannabidiol per les seves propietats terapèutiques. No obstant això, aquest compost presenta alguns inconvenients, de manera que sistemes d’administració controlada de fàrmacs podrien ser emprats per encapsular-ho, evitant aquestes dificultats. En aquest aspecte, les xarxes organometàl·liques de γ-ciclodextrina i els liposomes de dipalmitoilfosfatidilcolina han guanyat protagonisme en biomedicina. Una limitació addicional del cannabidiol és el seu cost elevat. Per això, altres compostos homòlegs o precursors com l’olivetol poden ser utilitzats com a model en proves experimentals. En aquesta tesi doctoral pretenem desenvolupar una nova formulació amb potencial efecte analgèsic basada en cannabidiol encapsulat en els esmentats sistemes d’alliberament controlat de fàrmacs com una nova perspectiva en el tractament de la hipersensibilitat. Les xarxes organometàl·liques de γ-ciclodextrina es van sintetitzar utilitzant el microones analític a partir de diferents fonts de potassi (KOH, KCl i KNO3). Es va investigar l’encapsulació d’olivetol com a anàleg utilitzant el mètode d’impregnació i co-cristal·lització. L’encapsulació del compost va ser major quan es van emprar KCl o KNO3 i la co-cristal·lització, mentre que amb el KOH i la impregnació es van obtenir valors molt baixos. Per tant, es va establir una metodologia basada en la síntesi utilitzant el microones i fonts de potassi com KCl o KNO3, juntament amb el mètode de co-cristal·lització per a l’obtenció d’olivetol encapsulat en aquestes xarxes organometàl·liques. En el cas dels liposomes, es va estudiar l’encapsulació de l’olivetol utilitzant el mètode d’hidratació en capa fina i la dispersió mecànica emprant rotavapor i sonicació. La distribució de mida va ser inferior a 200 nm, mostrant una morfologia similar. El contingut d’olivetol va ser quantificat, fent-los adequats com a portadors del compost. Posteriorment, per avaluar l’aplicació de totes dues formulacions sobre les dents, es va plantejar un estudi in vitro utilitzant dents bovines com a model. Per fer-ho, es va fer una anàlisi d’espectroscòpia infraroja de font de sincrotró de l’estructura dental. Les dades obtingudes es van tractar mitjançant l’anàlisi de components principals que va agrupar les mostres segons la presència del fàrmac i/o d’un sistema d’alliberament controlat, revelant que tots dos sistemes van dirigir el transport del compost de forma eficient, encara que la quantitat d’olivetol en les formulacions de xarxes organometàl·liques va ser menor. Per això, la metodologia desenvolupada per a obtenir les formulacions de xarxes organometàl·liques es va optimitzar en termes d’encapsulació d’olivetol i rendiment de reacció utilitzant una metodologia de superfície de resposta com a disseny experimental. Es va establir un model quadràtic per al rendiment de reacció i un model d’interacció de dos factors per a l’encapsulació del fàrmac, millorant significativament els valors de totes dues respostes. A més, les formulacions optimitzades van mostrar que les noves condicions òptimes no comprometien les propietats estructurals. Finalment, per validar l’ús de l’olivetol com a model a les xarxes organometàl·liques, es va dur a terme la metodologia optimitzada fent servir el cannabidiol. Aquestes formulacions van mostrar les mateixes propietats estructurals, rendiments de reacció i valors d’encapsulació que els observats amb olivetol, validant l’ús d’aquest compost com a model. Considerant els resultats indicats, es va establir i va optimitzar una metodologia per al desenvolupament d’una nova formulació basada en cannabidiol encapsulat en xarxes organometàl·liques de γ-ciclodextrina. A més, la seva aplicació in vitro va mostrar resultats prometedors, així com la formulació de liposomes. Per això ambdós sistemes d’alliberament controlat emergeixen com una nova perspectiva per combatre la hipersensibilitat dentinària.

La hipersensibilidad dental o dentinaria es un dolor breve y agudo en respuesta a diversos estímulos dentales. Aunque existen numerosos tratamientos para combatirla, ninguno es totalmente eficaz, por lo que es necesario desarrollar nuevas estrategias. Un potencial candidato es el cannabidiol por sus propiedades terapéuticas. Sin embargo, este compuesto presenta algunos inconvenientes, por lo que sistemas de administración controlada de fármacos podrían ser empleados para encapsularlo, evitando estas dificultades. En este aspecto, las redes organometálicas de γ-ciclodextrina y los liposomas de dipalmitoilfosfatidilcolina han ganado protagonismo en biomedicina. Otra limitación adicional del cannabidiol es su elevado coste. Por ello, otros compuestos homólogos o precursores como el olivetol pueden ser utilizados como modelo en pruebas experimentales. En esta tesis doctoral pretendemos desarrollar una nueva formulación con potencial efecto analgésico basada en cannabidiol encapsulado en los mencionados sistemas de liberación controlada de fármacos como una nueva perspectiva en el tratamiento de la hipersensibilidad dentinaria. Las redes organometálicas de γ-ciclodextrina se sintetizaron utilizando el microondas analítico a partir de diferentes fuentes de potasio (KOH, KCl y KNO3). Se investigó la encapsulación de olivetol como análogo del cannabidiol mediante el método de impregnación y co-cristalización. La encapsulación del compuesto fue mayor cuando se utilizaron KCl o KNO3 y la co-cristalización, mientras que con el KOH y el método de impregnación se obtuvieron valores muy bajos. Por tanto, se estableció una metodología basada en la síntesis utilizando el microondas y fuentes de potasio como KCl o KNO3, junto con el método de co-cristalización para la obtención de olivetol encapsulado en estas redes organometálicas. En el caso de los liposomas, se estudió la encapsulación del olivetol mediante el método de hidratación en capa fina y la dispersión mecánica mediante rotavapor y sonicación. La distribución de tamaños fue inferior a 200 nm, mostrando una morfología similar. Se cuantificó el contenido de olivetol, lo que los hace adecuados para encapsular el compuesto y para su aplicación in vitro. Posteriormente, para evaluar la aplicación de ambas formulaciones sobre los dientes, se llevó a cabo un estudio in vitro utilizando dientes bovinos como modelo. Para ello, se realizó un análisis de espectroscopia infrarroja de fuente de sincrotrón de la estructura dental. Los datos generados fueron tratados mediante un análisis de componentes principales que agrupó las muestras en función de la presencia del fármaco y/o de un sistema de liberación controlada, revelando que ambos sistemas realizaban el transporte del compuesto de forma eficiente, aunque la cantidad de olivetol en las formulaciones de redes organometálicas era menor que en los liposomas. Por ello, la metodología desarrollada para obtener las formulaciones de redes organometálicas se optimizó en términos de encapsulación de olivetol y rendimiento de reacción utilizando una metodología de superficie de respuesta como diseño experimental. Se estableció un modelo cuadrático para el rendimiento de reacción y un modelo de interacción de dos factores para la encapsulación del fármaco, mejorando significativamente los valores de ambas respuestas. Además, se demostró que las nuevas condiciones no comprometían sus propiedades estructurales. Por último, para validar el uso del olivetol como modelo en las redes organometálicas, la metodología optimizada se llevó a cabo con cannabidiol. Estas formulaciones mostraron las mismas propiedades estructurales, rendimientos de reacción y valores de encapsulación que los observados con olivetol, validando el uso de este compuesto como modelo de cannabidiol. Considerando los resultados indicados, se estableció y optimizó una metodología para el desarrollo de una nueva formulación basada en cannabidiol encapsulado en redes organometálicas de γ-ciclodextrina. Además, su aplicación in vitro mostró resultados prometedores, así como la formulación de liposomas. Por tanto, ambos sistemas surgen como una nueva perspectiva para combatir la hipersensibilidad dental.

Dental or dentin hypersensitivity is known as a short and sharp pain in response to a variety of dental stimuli. Although numerous treatments exist to combat this discomfort, none of them are fully effective, so new strategies need to be developed. One potential candidate is cannabidiol due to its therapeutic properties. However, this compound also has some drawbacks, so controlled drug delivery systems can be used to overcome them by encapsulating this compound. In this respect, γ-cyclodextrin metal-organic frameworks and dipalmitoylphosphatidylcholine liposomes have gained prominence in the biomedical field. An additional limitation of cannabidiol besides the chemical instability is its high cost. Therefore, other homologous compounds or precursors such as olivetol can be used as a model in experimental approaches. In this doctoral thesis we aim to develop a new formulation with potential analgesic effect based on cannabidiol encapsulated in these mentioned controlled release drug delivery systems as a new perspective in the treatment of dentin hypersensitivity. γ-Cyclodextrin metal-organic frameworks were synthesized using analytical microwave from different potassium sources (KOH, KCl and KNO3). The encapsulation of olivetol as a cannabidiol analogue was investigated using the impregnation and co-crystallization method. The olivetol content was significantly higher when using KCl or KNO3 in combination with the co-crystallization method, while the encapsulation using KOH and the impregnation method was very poor. Therefore, a methodology based on the synthesis using microwave and potassium sources such as KCl or KNO3, together with the co-crystallization method was established for obtaining olivetol loaded in γ-cyclodextrin metal-organic frameworks. In the case of dipalmitoylphosphatidylcholine liposomes, the encapsulation of olivetol as a cannabidiol analogue was studied using the method of thin-film hydration and mechanical dispersion using a rotary evaporator and sonication, respectively. Size distribution was below 200 nm and they showed similar morphology. The olivetol content was quantified, making them suitable as carriers of the drug and for in vitro application. Subsequently, to evaluate the application of both formulations over the teeth, an in vitro study using bovine teeth as a model was carried out. For this purpose, synchrotron source infrared spectroscopy analysis of the dental structure was performed. Generated data were treated by principal component analysis that grouped the samples according to the presence of the drug and/or the presence of a controlled delivery system, revealing that both systems conducted the transport of the compound efficiently, even though the olivetol loading in the metal-organic frameworks formulations was lower than in the liposomes. For that reason, the methodology previously developed to obtain the metal-organic frameworks formulations was optimized in terms of olivetol encapsulation and reaction yield using a response surface methodology as design of experiments. A quadratic model for reaction yield and a two-factor interaction model for drug encapsulation were established, improving the values for both responses significantly. Furthermore, it was shown that the new conditions did not compromise their structural properties. Finally, to validate the use of olivetol as a model in these metal-organic frameworks, the optimized methodology was carried out using cannabidiol. These formulations showed the same structural properties, reaction yield and encapsulation values as the observed with olivetol, validating the use of this compound as a cannabidiol model. Considering the indicated results, a methodology for the development of a new formulation based on cannabidiol loaded in γ-cyclodextrin metal-organic frameworks was established and optimized. Furthermore, the in vitro application of this new formulation showed promising results, as well as in the formulation of liposomes. Thus, both controlled release systems emerge as a new perspective to combat dentin hypersensitivity.