Design and development of injectable polymeric formulations for the treatment of osteoarthritis

Abstract

Osteoarthritis, the most common form of arthritis, is a chronic, painful and disabling condition with an important impact on those affected, healthcare services and economy. Overall, the worldwide prevalence of osteoarthritis was around 303 million in 2017 and due to population ageing and the sedentary lifestyle, the number of osteoarthritis patients is expected to continuously increase. Because of its chronic nature, its current management is based on the reduction of patient symptomatology going from oral anti-inflammatories to intra-articular injections or surgical procedures. The oral administration of antiinflammatory drugs is one of the most used strategy to reduce pain and inflammation. However, most of these drugs present low water solubility, limiting its bioavailability and making necessary the use of high systemic doses that lead to undesirable side effects. Their local intra-articular administration could solve some of these problems although their direct contact with cartilage can promote its degradation. The encapsulation of these drugs into drug delivery systems such as polymeric nanoparticles could reduce drug toxicity, provide a controlled release of the drug and extend their residence time. Viscosupplementation, which is the intra-articular injection of hyaluronic acid-based products, is also a widely used treatment for mild to moderate cases. Its main objective is the restoration of the synovial fluid viscoelasticity impaired in osteoarthritic patients, providing joint lubrication and, as a consequence, pain relief. However, its efficacy is controversial, due to its rapid elimination from the synovial joint. In this context, the aim of this thesis was the development of injectable polymeric formulations for the treatment of osteoarthritis. First, a polymeric nanocarrier based on a novel amphiphilic terpolymer was developed for the encapsulation of different hydrophobic anti-inflammatory drugs used in the treatment of osteoarthritis. Nanoparticles were prepared by the nanoprecipitation method. Curcumin, a natural polyphenol; celecoxib, a selective COX-2 inhibitor; tenoxicam, a traditional nonsteroidal antiinflammatory drug; and dexamethasone, a glucocorticoid; were successfully loaded into the polymeric nanocarrier. The nanovehicle proved to have an intrinsic antioxidant potential due to the presence of α-tocopheryl methacrylate moieties. Loaded nanoparticles were extensively characterized in terms of size, morphology, stability, encapsulation efficiency, drug release and antioxidant activity, achieving suitable properties for their use in biological applications. In vitro cellular assays were performed on articular chondrocytes and macrophages to assess cytotoxicity, cellular uptake, and antioxidant and anti-inflammatory activities, evidencing remarkable antioxidant and antiinflammatory properties through the reduction of oxidative and inflammatory mediators. Finally, the in vivo biocompatibility of the systems was demonstrated by subcutaneously injecting the NPs in Wistar rats. On the other hand, advanced viscosupplements based on hyaluronic acid hydrogels loaded with anti-inflammatory drug delivery systems were prepared. Furthermore, studies on mesenchymal stem cells derived secretomes were carried out as an alternative therapy for osteoarthritis. This information is described in confidential Chapters V and VI.

La osteoartritis, la forma más común de artritis, es una condición crónica, dolorosa e inhabilitante con un importante impacto en aquellos que la padecen, los servicios de salud y la economía. La prevalencia de la osteoartritis a nivel mundial era en torno a los 303 millones en 2017 y debido al envejecimiento de la población y al estilo de vida sedentario, se espera que aumente de forma continuada. Debido a su naturaleza crónica, el tratamiento actual se basa en la reducción de la sintomatología del paciente, usando desde anti-inflamatorios orales, a las inyecciones intra-articulares o la cirugía. La administración oral de fármacos anti-inflamatorios es una de las estrategias más utilizadas para reducir el dolor y la inflamación. Sin embargo, la mayoría de estos fármacos presentan una baja solubilidad en agua, limitando su biodisponibilidad y haciendo necesario el uso de altas dosis que dan lugar a diversos efectos secundarios. Su administración intra-articular podría resolver alguno de estos problemas, aunque su contacto directo con el cartílago puede favorecer su degradación. La encapsulación de estos fármacos en sistemas de liberación como las nanopartículas poliméricas podría reducir la toxicidad del fármaco, aportar una liberación controlada del mismo y extender su tiempo de residencia. La viscosuplementación, consistente en la inyección intra-articular de productos basados en el ácido hialurónico, es un método ampliamente utilizado para el tratamiento de los casos moderados de osteoartritis. Su principal objetivo es la restauración de las propiedades viscoelásticas del líquido sinovial que se encuentra dañado en los pacientes con osteoartritis, aportando lubricación a la articulación y, como consecuencia, alivio del dolor. Sin embargo, su eficacia es controvertida, debido a su rápida eliminación de la articulación sinovial. En este contexto, el objetivo de esta tesis fue el desarrollo de formulaciones poliméricas inyectables para el tratamiento de la osteoartritis. En primer lugar, se desarrolló un nanovehículo polimérico basado en un terpolímero anfifílico para la encapsulación de fármacos anti-inflamatorios hidrofóbicos usados para el tratamiento de la osteoartritis. Las nanopartículas se prepararon por el método de nanoprecipitación. La curcumina, un polifenol natural; el celecoxib, un inhibidor selectivo de COX-2; el tenoxicam, un antiinflamatorio no esteroideo tradicional; y la dexametasona, un glucocorticoide, fueron encapsulados con éxito en el nanovehículo polimérico. El nanovehículo demostró un potencial antioxidante intrínseco debido a la presencia de dominios basados en el metacrilato de α-tocoferilo. Las nanopartículas cargadas se caracterizaron detalladamente en términos de tamaño, morfología, estabilidad, eficiencia de encapsulación, liberación del fármaco y actividad antioxidante, logrando unas características apropiadas para su uso en aplicaciones biológicas. Los ensayos celulares in vitro se realizaron en condrocitos articulares y en macrófagos para estudiar la citotoxicidad, la captación celular y la actividad antioxidante y anti-inflamatoria y demostraron una alta capacidad antioxidante y anti-inflamatoria mediante la reducción de mediadores inflamatorios. Finalmente, la biocompatibilidad in vivo de los sistemas se demostró mediante su inyección subcutánea en ratas Wistar. Por otro lado, se prepararon viscosuplementos avanzados basados en geles de ácido hialurónico cargados con sistemas de liberación de fármacos anti-inflamatorios. Además, se han realizado estudios para el uso de secretomas derivados de células madre mesenquimales como terapia alternativa para el tratamiento de la osteoartritis. Esta información se describe en los Capítulos confidenciales V y VI.