Development and mechanistic transformation of antimicrobial agent-loaded in-situ forming gel and microparticle using Eudragit RS and rosin as matrix formers for periodontal pocket delivery

Abstract

This research aimed to prepare and evaluate in situ forming gel (ISG) and in situ forming microparticle (ISM) containing antibiotics for periodontitis treatment employing Eudragit RS (ERS) and rosin (R) as the matrix forming agents. In addition, the underlying mechanism of the phase transformation of ISG and ISM were also investigated. Doxycycline hyclate (DH)-loaded ERS-based and vancomycin hydrochloride (V)-loaded R-based ISG and ISM were developed. ERS and R-based ISM showed advantages over ISG owing to its lower viscosity and ease of injection because of the lubricity effect from the external oil phase. Dimethyl sulfoxide (DMSO) was presented as a suitable solvent because of its higher polarity and less viscosity. Olive oil and camellia oil presented similar properties as the external phase of ISM and minimized the burst drug release with a lubricity effect promoting ease of injectability. Moreover, ISM presented a higher adhesion force than the ISG, indicating that ISM exhibited better attachment to the periodontal pocket. Furthermore, all of the R-based formulations exhibited plasticity properties; therefore, they could easily adapt to the specific shape of a patient’s periodontal pocket. ISM exhibited a prolonged release of the antibiotic drug up to 20 hours for ERS-based and 7 days for R-based formulation using dialysis technique since the presence of outer oil phase retarded drug release. After contacting the aqueous environment, all formulas suddenly turned into solid-like. ERS-based ISG using 2-pyrrolidone (PYR) as solvent presented a smoother surface topography from SEM than that prepared using DMSO indicating that DMSO modified the structures of ERS matrix from its leakage and drug release thereafter generated more pores in a matrix structure. ISM appeared as a spherical shape with a smooth surface whereas cross-sectional topography revealed its porous structure. ERS and R-based ISG and ISM exhibited efficient antimicrobial activities against periodontal pathogens such as Streptococcus mutans and Porphyromonas gingivalis. Furthermore, computerized modeling using Gaussian software clarified these phase transitions and matrix formation. The molecule configuration of the matrix former and the drug were optimized, and binding energy was calculated molecularly in the gradient aqueous environment. R and ERS exhibited a similar trend of binding energy which was increased with the presence of water; thereafter, the complex molecules changed their position into more rigidity during the transformation process. V-loaded 40% w/w R-based ISM and DH-loaded 30%w/w ERS-based ISM exhibited the appropriate physicochemical properties and efficient antimicrobial activities as the localized antimicrobial periodontal pocket targeting. However, the safety of the developed ISMs should be further investigated such as cytotoxicity on gingival cells and the clinical study of their effectiveness should be also considered and tested.

โรคปริทันต์อักเสบเกิดจากการติดเชื้อแบคทีเรียอย่างรุนแรงบริเวณเหงือก โดยการใช้ตำรับเจลก่อตัวเองซึ่งเป็นการนำส่งยาเฉพาะที่เป็นอีกหนึ่งทางเลือกในการรักษาโรค ในการศึกษานี้จึงมีวัตถุประสงค์ในการพัฒนาตำรับเจลก่อตัวเองและเจลและไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเองบรรจุยาต้านเชื้อแบคทีเรียโดยใช้ยูดราจิตอาร์เอส (ERS) และยางสน (R) เป็นสารก่อเมทริกซ์สำหรับนำส่งยาทางร่องลึกปริทันต์ และศึกษากลไกการเปลี่ยนแปลงเป็นเมทริกซ์ของตำรับเจลและไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเอง ตำรับเจลและไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเองบรรจุตัวยา doxycycline hyclate (DH) โดยมียูดราจิตอาร์เอสเป็นสารก่อเมทริกซ์ และตำรับเจลและไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเองบรรจุตัวยา vancomycin hydrochloride (V) โดยมียางสนเป็นสารก่อเมทริกซ์ได้ถูกพัฒนาขึ้น โดยตำรับไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเองมีข้อดีที่เหนือกว่าตำรับเจลก่อตัวเองเนื่องจากมีความหนืดต่ำ และมีการหล่อลื่นจากน้ำมันทำให้ง่ายต่อการฉีดยาออกจากตัวเข็มทางทันตกรรม โดย dimethyl sulfoxide (DMSO) มีคุณสมบัติที่เหมาะสมในการเป็นตัวทำละลายเนื่องจากมีความมีขั้วที่สูงและความหนืดต่ำ น้ำมันมะกอกและน้ำมันเมล็ดชามีคุณสมบัติที่ดีในการเป็นวัฏภาคภายนอกของระบบไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเอง เนื่องจากสามารถลดการปลดปล่อยยาอย่างรวดเร็วในช่วงต้น และเพิ่มความสามารถในการฉีดยา นอกจากนี้ตำรับไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเองยังมีค่าการยึดเกาะกับพื้นผิวที่สูงกว่าตำรับเจลก่อตัวเองซึ่งสามารถอนุมานได้ว่าตำรับไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเองมีแรงยึดเกาะต่อร่องลึกปริทันต์ที่ดีกว่า และตำรับทั้งสองรูปแบบมีลักษณะของสภาพพลาสติกทำให้ไม่คืนตัวและสามารถปรับรูปร่างได้ตามลักษณะเฉพาะของร่องลึกปริทันต์ของคนไข้ ตำรับไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเองที่ใช้ยูดราจิตอาร์เอสเป็นสารก่อเมทริกซ์สามารถยืดระยะเวลาการปลดปล่อยตัวยาออกจากตำรับจากการศึกษาด้วยเทคนิคการปลดปล่อยยาผ่านเยื่อเลือกผ่านได้นานถึง 20 ชั่วโมง ในขณะที่ยางสนสามารถยืดระยะเวลาการปลดปล่อยยาได้นานถึง 7 วัน เนื่องจากวัฏภาคน้ำมันป้องกันการปลดปล่อยตัวยาอย่างรวดเร็ว อีกทั้งตำรับเจลก่อตัวเองที่ใช้ยางสนเป็นสารก่อเมทริกซ์มีกลไกการปลดปล่อยยาเป็นการแพร่แบบไม่ใช่ฟิกค์ (non-Fickian) ในขณะที่ตำรับทุกตำรับของไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเองมีกลไกการปลดปล่อยยาเป็นการแพร่แบบฟิกค์ (Fickian) เมื่อตำรับสัมผัสกับ phosphate buffer solution (PBS) pH 6.8 ซึ่งเป็นตัวกลางใช้จำลองแทนน้ำเหลืองเหงือก (gingival crevicular fluid: GCF) บริเวณผิวหน้าของตำรับเกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นของแข็งหรือเจลอย่างรวดเร็วโดยตำรับเจลก่อตัวเองของยูดราจิตที่ใช้ 2-Pyrrolidone (PYR) เป็นตัวทำละลายมีลักษณะของพื้นผิวเมทริกซ์ที่เรียบกว่าตำรับที่ใช้ dimethyl sulfoxide (DMSO) เป็นตัวทำละลาย เนื่องจาก DMSO สามารถปรับโครงสร้างของเมทริกซ์ให้มีรูพรุนมากขึ้นและสามารถปลดปล่อยยาจากตำรับได้ สำหรับตำรับไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเองมีลักษณะเป็นทรงกลมผิวเรียบ แต่เมื่อศึกษาภาพตัดขวางพบว่าภายในมีรูพรุนเช่นเดียวกัน นอกจากนี้ตำรับเจลก่อตัวเองและเจลและไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเองบรรจุยาต้านเชื้อแบคทีเรียโดยใช้ยูดราจิตอาร์เอส (ERS) และยางสน (R) เป็นสารก่อเมทริกซ์สามารถยับยั้งเชื้อแบคทีเรียก่อโรคปริทันต์ได้แก่ Streptococcus mutans และ Porphyromonas gingivalis ได้อย่างมีประสิทธิภาพ จากการศึกษาทั้งหมดการพัฒนาตำรับเจลและไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเอง บรรจุ DH โดยมียูดราจิตอาร์เอสเป็นสารก่อเมทริกซ์ และตำรับเจลและไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเองบรรจุ V ประสบผลสำเร็จในการพัฒนาเป็นตำรับยานำส่งทางร่องลึกปริทันต์ซึ่งสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการรักษาปริทันต์อักเสบของยาและลดอาการไม่พึงประสงค์จากยาได้ การสร้างโมเดลจากการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ด้วยโปรแกรม Gaussian ถูกนำมาใช้ในการอธิบายการเปลี่ยนแปลงวัฏภาคและการก่อตัวของเมทริกซ์โดยการคำนวนหาโครงสร้างและพลังงานยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของตัวยากับสารก่อเมทริกซ์ในตัวทำละลายที่จำลองการแพร่ของน้ำเข้าสู่ตำรับ โดยสารก่อเมทิกซ์ทั้ง 2 ชนิด มีพลังงานยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเพิ่มขึ้นเมื่อมีการเพิ่มปริมาณน้ำเข้าสู่ตำรับ และลักษณะของโมเลกุลมีความตึงตัวมากขึ้นในระหว่างกระบวกการเปลี่ยนวัฏภาค ตำรับไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเองบรรจุยา V โดยใช้ยางสนความเข้มข้น 40% เป็นสารก่อเมทริกซ์และ ตำรับไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเองบรรจุยา DH โดยใช้ยูดราจิตอาร์เอสความเข้มข้น 30% เป็นสารก่อเมทริกซ์ มีคุณสมบัติทางฟิสิกส์เคมีที่เหมาะสมในการพัฒนาเป็นรูปแบบยาฆ่าเชื้อนำส่งทางร่องลึกปริทันต์ซึ่งสามารถควบคุมการปลดปล่อยยาได้จากการเกิดไมโครพาร์ติเคิลผ่านกลไกการแยกวัฏภาคและกลไกการแลกเปลี่ยนตัวทำละลาย นอกจากนี้ควรมีการศึกษาเรื่องความปลอดภัยของตำรับไมโครพาร์ติเคิลก่อตัวเองบรรจุยาต้านเชื้อแบคทีเรียในภายภาคหน้า เช่น การศึกษาความเป็นพิษต่อเซลล์เหงือก และควรมีการศึกษาทางคลินิกในด้านประสิทธิภาพของยาเพิ่มเติม