Enhancing solubility and antibacterial properties of Cefpodoxime Proxetil by using rice husk derived nanocellulose as a drug carrier: A novel approach

Sintesi Tecnica: Miglioramento della solubilità e delle proprietà antibatteriche di Cefpodoxime Proxetil tramite nanocellulosa derivata da lolla di riso

Problematica
L'industria farmaceutica affronta sfide significative nella formulazione di farmaci scarsamente solubili in acqua, il che spesso si traduce in una bassa biodisponibilità e in una ridotta efficacia terapeutica. Il Cefpodoxime Proxetil (CP), un antibiotico cefalosporinico semisintetico, è classificato come un farmaco di Classe IV secondo il Sistema di Classificazione Biofarmaceutica (BCS). Esso soffre di una scarsa solubilità acquosa (400 μg/ml) e di una limitata biodisponibilità assoluta (circa il 50% per una compressa da 130 mg). Le limitazioni primarie includono l'idrolisi della sua catena laterale esterea da parte della colinesterasi nel lume intestinale e l'assorbimento intestinale limitato dalla dissoluzione. Inoltre, lo smaltimento dei rifiuti biologici agricoli, specificamente la lolla di riso (RH), pone sfide ambientali a causa dell'alto contenuto di silice e della tendenza a produrre eccessiva cenere quando bruciata. Esiste un critico bisogno di vettori farmacologici sostenibili ed eco-compatibili che possano migliorare la solubilità del farmaco utilizzando al contempo i residui agricoli.

Metodologia
Questo studio ha impiegato un approccio multi-fase per estrarre nanocristalli di cellulosa (NCC) dalla lolla di riso e utilizzarli come carrier per il CP.

1. Sintesi degli NCC: La lolla di riso è stata raccolta e sottoposta a un percorso di lavorazione chimica in tre fasi:
   • Idrolisi Acida: Trattamento con H₂SO₄ 5N a 90°C per 2 ore per idrolizzare l'emicellulosa e rimuovere le impurità organiche.
   • Trattamento Alcalino ed Esplosione a Vapore: Il residuo è stato trattato con idrossido di sodio a 110°C per 3 ore, seguito da un trattamento in autoclave a 121°C per 45 minuti. Questo processo di esplosione a vapore è stato ripetuto due volte per massimizzare la delignificazione e rimuovere i componenti non cellulosici.
   • Decolorazione (Bleaching): Il residuo trattato con l'alcali è stato decolorato con una miscela 1:1 di perossido di idrogeno e acido acetico glaciale a 80°C per 8 ore per ottenere fibre di cellulosa bianche pure.
2. Caricamento del Farmaco: Il CP è stato caricato sugli NCC tramite uno studio di adsorbimento condotto isometricamente a 30°C. Una soluzione satura di CP in una miscela 1:1 di etanolo/diclorometano (DCM) è stata miscelata con gli NCC e agitata per 24 ore. Il carrier caricato con il farmaco (CP-NCCs) è stato separato tramite centrifugazione e filtrazione.
3. Caratterizzazione: Gli NCC sintetizzati e i CP-NCCs sono stati analizzati mediante:
   • FTIR: Per identificare i gruppi funzionali e i meccanismi di interazione.
   • SEM & EDS: Per l'analisi morfologica e la composizione elementale.
   • DLS: Per determinare la distribuzione delle dimensioni delle particelle e l'indice di polidispersità (PDI).
   • XRD: Per valutare la cristallinità e la struttura cristallina.
   • Analisi BET: Per misurare l'area superficiale specifica, il volume dei pori e la distribuzione delle dimensioni dei pori.
   • Modellazione Molecolare: Utilizzata per visualizzare l'interazione tra CP e NCC.
4. Valutazione delle Prestazioni:
   • Rilascio del Farmaco: Studi di rilascio in vitro sono stati condotti in PBS (pH 1.2) a 37°C per simulare le condizioni gastriche, con campioni analizzati tramite spettrofotometria UV-Vis. La cinetica di rilascio è stata modellata utilizzando i modelli di ordine zero, primo ordine, Higuchi e Korsmeyer-Peppas.
   • Attività Antibatterica: Saggi di diffusione su disco sono stati eseguiti contro Bacillus subtilis (Gram-positivo) ed Escherichia coli (Gram-negativo) per misurare la Zona di Inibizione (ZOI) di CP puro, NCC puro e del complesso CP-NCCs.

Risultati Chiave

• Proprietà del Materiale: L'estrazione ha prodotto circa il 20% di NCC dalla lolla di riso. Gli NCC hanno mostrato una dimensione nanometrica con un diametro medio delle particelle di 166,1 nm (PDI 0,560) e una morfologia sferica e agglomerata. L'analisi XRD ha confermato una struttura cristallina cellulosa Iβ con un indice di cristallinità (CI) del 47,44%. L'analisi BET ha rivelato un'area superficiale specifica di 6,63 m²/g e una dimensione media dei pori di 16,93 nm, indicando una struttura mesoporosa adatta al caricamento del farmaco.
• Caricamento del Farmaco e Interazione: La massima capacità di carico del farmaco è stata determinata in circa 200 μg di CP per grammo di NCC. L'analisi FTIR del complesso CP-NCCs ha mostrato spostamenti dei picchi (ad esempio, da 1461 cm⁻¹ a 1451 cm⁻¹) e variazioni di intensità, indicando deboli interazioni di Van der Waals e adsorbimento superficiale, piuttosto che la formazione di un legame covalente o di un complesso di inclusione profondo. La modellazione molecolare ha supportato questo dato, suggerendo che la voluminosa molecola di CP (lunghezza 10,986 Å) non potesse entrare nelle cavità degli NCC ma interagisse tramite adsorbimento superficiale e legami a idrogeno.
• Cinetica di Rilascio: La formulazione CP-NCCs ha dimostrato un profilo di rilascio prolungato in PBS a pH 1,2. Circa il 4,47% del farmaco è stato rilasciato nei primi 30 minuti, con un rilascio cumulativo del 99% raggiunto in 10 ore. La modellazione della cinetica ha mostrato il miglior adattamento con il modello di ordine zero (R² = 0,91), suggerendo un tasso di rilascio costante indipendente dalla concentrazione, seguito dal modello di Higuchi (R² = 0,81).
• Efficacia Antibatterica: Il complesso CP-NCCs ha mostrato un'attività antibatterica potenziata contro E. coli, mostrando una Zona di Inibizione (ZOI) di 6 mm. Questo è stato superiore al CP puro (3 mm) e agli NCC puri (5 mm), suggerendo un effetto sinergico che può migliorare la penetrazione del farmaco o la concentrazione locale. Non sono stati osservati effetti antibatterici positivi contro B. subtilis per nessuno dei campioni testati.

Significato e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questa ricerca offre un approccio innovativo e sostenibile alla somministrazione di farmaci, valorizzando i rifiuti biologici della lolla di riso in un nanovettore ad alte prestazioni. Lo studio dimostra che gli NCC derivati dalla lolola di riso possono effettivamente migliorare la solubilità e la biodisponibilità di farmaci scarsamente solubili come il Cefpodoxime Proxetil. I contributi chiave includono:

1. Sostenibilità: Il successo dell'estrazione di NCC dalla lolla di riso si allinea ai principi dell'economia circolare, riducendo l'impatto ambientale e creando materiali farmaceutici a valore aggiunto.
2. Prestazioni Migliorate: La formulazione CP-NCCs ha migliorato il profilo di rilascio del farmaco, fornendo una somministrazione prolungata in ambienti acidi, e ha dimostrato un aumento sinergico dell'efficacia antibatterica contro E. coli.
3. Fattibilità: Lo studio valida la fattibilità tecnica dell'uso della lolla di riso trattata chimicamente come vettore di farmaci, evidenziando il suo potenziale per ridurre gli effetti collaterali e migliorare gli esiti terapeutici per i farmaci di Classe BCS IV.

L'articolo conclude che, sebbene l'attuale studio rappresenti un passo avanti significativo, il lavoro futuro dovrebbe concentrarsi sulla scalabilità della produzione e sull'ulteriore personalizzazione delle proprietà fisico-chimiche del complesso nanocellulosa-farmaco per profili di rilascio specifici.