ДОСЛІДЖЕННЯ ФОТОСТАБІЛЬНОСТІ ІНКАПСУЛЬОВАНИХ В ГАЛЛУАЗИТІ α-ЛІПОЄВОЇ КИСЛОТИ ТА МОКСИФЛОКСАЦИНУ

О. Е. Чигиринець; А. С. Мельник

УДК 549.6:615.014](045) https://doi.Org/10.35546/kntu2078-4481.2023.2.14

О. Е. ЧИГИРИНЕЦЬ

доктор техшчних наук, професор, професор кафедри фiзичноl xiMii Нацюнальний технiчний ушверситет Укра1ни «Кшвський полiтехнiчний iнститут iменi 1горя Сшорського» ORCID: 0000-0002-6191-7096

А. С. МЕЛЬНИК

асшрант кафедри фiзичноl xiMii Нацiональний теxнiчний унiверситет Укра1ни «Кшвський полiтеxнiчний iнститут iменi 1горя Сшорського» ORCID: 0009-0002-9439-3214

ДОСЛ1ДЖЕННЯ ФОТОСТАБ1ЛЬНОСТ1 1НКАПСУЛЬОВАНИХ В ГАЛЛУАЗИТ1 а-Л1ПОеВО1 КИСЛОТИ ТА МОКСИФЛОКСАЦИНУ

У данш роботi дослгджено широко використовуват активт фармацевтичт 1нгред1енти (AFI) - а-лтоеву кислоту (ALA) та моксифлоксацин (MF). Володiючи широким спектром л^валъних властивостей та антиок-сидантною здаттстю, цi iнгредiенти nid час збер^ання за впливу денного сонячного свтла втрачаютъ свт л^валъний потен^ал за рахунок утворення nродуктiв фотодеградацИ та зменшення ефективно'1' лкувалъно'1 концентрацИ. Одним iз сnособiв niдвищення термту зберiгання бюдеградабелъних iнгредiентiв зi збереженням ix лiкувалъноi активностi е iнкаnсуляцiя в наноносИ, серед яких популярним е нетоксичний бiологiчно безпечний природний мтерал - галлуазит. В роботi вiдnрацъовано методику iнкаnсуляцii вакуумним методом в галлуазитнi нанотрубки (HNTs) активних фармацевтичних iнгредiентiв - а^поево'1' кислоти та моксифлоксацину. Отрима-но нанокомnозитнi матерiали на основi нанотрубок галлуазиту та фармацевтичних iнгредiентiв - HNTs-ALA та HNTs- MF. Контролъ завантаження здтснено ТЕМмiкроскоniею.

Проведено тестування на фотостабтътстъ отриманих нанокомпозитних матерiалiв при дентй темпе-ратурi протягом доби. Фотостабтътстъ iндивiдуалъниx комnонентiв в нативному стан до^джено у складi водно '1' дисперси HNTs та AFI. Контролъ змти концентраци органiчниxречовин проводили за допомогою високое-фективно'1'рiдинноi хроматографа. Встановлено, що iнкаnсулъованi активш фармацевтичнi iнгредiенти у скла-дi галлуазитних нанотрубок е бтъш стшкими, нiж в нативному стат. Фотодеградацiя фармацевтичних iнгре-дiентiв тд впливом квантiв сонячного свiтла вiдбуваетъся за рахунокруйнування зв'язюв в молекулах органiчниx сполук з утворенням nродуктiв деградаци. Тестуванням встановлено, що iнкаnсуляцiя в галлуазитш нанотрубки може захистити а-лтоеву кислоту (ALA) та моксифлоксацин на рiвнi 98,5% 99,9% вiдnовiдно. В нативному станi niсля доби випробуванъ залишковий вмкт а-лтоево'1' кислоти та моксифлоксацину складае 82,0% та 89,0% вiдnовiдно.

Ключовi слова: а^поева кислота, моксифлоксацин, галлуазитш нанотрубки, iнкаnсуляцiя, високоефективна рiдинна xроматографiя, фотостабтътстъ.

O. E. CHYHYRYNETS

Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor at the Department of Physical Chemistry National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" ORCID: 0000-0002-6191-7096

A. S. MELNYK

Postgraduate Student at the Department of Physical Chemistry National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" ORCID: 0009-0002-9439-3214

STUDY OF THE PHOTOSTABILITY OF A-LIPOIC ACID AND MOXIFLOXACIN ENCAPSULATED IN HALLOYSITE

In this work, the widely used active pharmaceutical ingredients (AFI) а-lipoic acid (ALA) and moxifloxacin (MF) were investigated. Possessing a wide range of therapeutic properties and antioxidant capacity, these ingredients lose their therapeutic potential during storage under the influence of daylight due to the formation of photodegradation products

and a decrease in the effective therapeutic concentration. One of the ways to increase the shelf life of biodegradable ingredients while preserving their therapeutic activity is encapsulation in a nanocarrier, among which the non-toxic biologically safe natural mineral - halloysite is popular. In the work, the technique of vacuum encapsulation in halloysite nanotubes (HNTs) of active pharmaceutical ingredients - a-lipoic acid and moxifloxacin was developed. Nanocomposite materials based on halloysite nanotubes and pharmaceutical ingredients - HNTs ALA and HNTs-MF were obtained. Loading control was carried out by TEM microscopy.

The photostability of the obtained nanocomposite materials was tested at daytime temperatures during the day. The photostability of individual components in the native state was investigated in the composition of the aqueous dispersion of HNTs and AFI. Control of changes in the concentration of organic substances was carried out using high-performance liquid chromatography. It was established that the encapsulated active pharmaceutical ingredients in the composition of halloysite nanotubes are more stable than in their native state. Photodegradation of pharmaceutical ingredients under the influence of sunlight quanta occurs due to the destruction of bonds in the molecules of organic compounds with the formation of degradation products. Testing has shown that encapsulation in halloysite nanotubes can protect a-lipoic acid (ALA) and moxifloxacin at 98.5% and 99.9%, respectively. In the native state after a day of testing, the residual content of a-lipoic acid and moxifloxacin is 82.0% and 89.0%, respectively.

Key words: a-lipoic acid, moxifloxacin, halloysite nanotubes, encapsulation, high performance liquid chromatography, photostability.

Постановка проблеми

Завдяки сво1м властивостям а-лшоева кислота та моксифлоксацин е дуже широко застосовуваними речови-нами в фармацевтичнш промисловосп. Проте недолшами цих х!м!чних речовин е 1х нестабшьшсть до термiчного впливу, окиснення та деградац!я тд впливом денного свггла, що значно зменшуе 1х антиоксидантну ефективнють та здатшсть виконувати iншi важливi функци при лшуванш людини.

Одним iз шляхiв захисту а-лшоево! кислоти та моксифлоксацину в склад! лшувальних засобiв е застосування систем доставки або шкапсуляци в рiзнi носи, що стало предметом останшх дослщжень широкого кола науковшв.

Аналiз останшх дослщжень та публшацш

Основний розвиток сучасно! фармацевтично! щдустри вщбуваеться не ттльки в напрямку створення нових л!кувальних субстанцш, але i в напрямку тдвищення розчинносп в бюлопчних середовищах, захисту ввдомих лiкувальних речовин ввд негативного впливу зовнiшнього середовища, а саме фотодеградацп. Останнiй процес особливо шквдливий для органiчних речовин, осшльки п!д впливом широкого спектра випромiнювання в молекулах можливi руйнування деяких зв'язк1в з подальшим перетворенням в продукти деградацп. В результата фарма-цевтичний препарат втрачае необхвдний лiкувальний потенцiал.

Щ проблеми багатьох л!кувальних речовин сьогодн вир!шуються за рахунок 1х шкапсуляци. Це допомагае збшьшити термiн зберiгання лiкувальних речовин, а також знизити ризики зменшення шлькосп активно! речо-вини. В якосп базових речовин для шкапсуляци використовуються циклодекстрини, твердi лтдт наноноси, мiцели, нанокристали, дендримери тощо. Популярним в останнiй час е галлуазит - мiнерал природнього похо-дження з! структурою у вигляд! нанотрубок.

При дослвдженш продукпв деградаци, способ!в завантаження до галлуазиту активних фармацевтичних ком-понентiв та дослiдженнi 1х стабiльностi вагомий внесок було зроблено багатьма закордонними науковцями. Зокрема, вивченням нанотрубок галлуазиту присвячено багато робгт Lorenzo Lisuzzo, Theodore Hueckel, Giuseppe Cavallaro, Stefano Sacanna, Giuseppe Lazzara. Дослiдженням шкапсуляци та вивченням фотостабтносп активно займаються Tazeen Husain, Muhammad Harris, Shoaib Farrukh, Rafiq Ahmed, Rabia Ismail, Yousuf Sadaf, Farooqi Fahad, Siddiqui Muhammad, Suleman Imtiaz, Madiha Maboos та Sabahat Jabeen.

Важливим аспектом у процесi шкапсуляци залишаються питання контрольованого вивiльнення активного л!кувального iнгредiента, що включае як прискорення, так i уповiльнення процесу потрапляння фармацевтичних iнгредiентiв у середовище. Щ науковi розробки лежать в площиш р!зних нанотехнологiчних прийом!в.

Одним !з широко розповсюджених л!кувальних шгредентш е а-лшоева кислота та моксифлоксацин, як! е нестшкими до сонячного свила та за його впливу швидко деградують. Вивченням продукпв деградаци моксифлоксацину та а-лшоево! кислоти присвячено науков! дослщження Iqbal Ahmad, Raheela Bano, Syed Ghulam Musharraf, Sofia Ahmed, Muhammad Ali Sheraz, Qamar ul Arfeen, Muhammad Salman Bhatti та Zufi Shad.

Формулювання мети досл1дження

Метою стати е дослщження процесу деградаци а-лшоево! кислоти та моксифлоксацину шляхом проведення тесту на фотостабшьшсть у нативному стан! та у склад! нанокомпозиту на основ! галлуазиту.

Викладення основного матер!алу дослщження

Одшею !з вщомих транспортних систем доставки е нанотрубки галлуазиту. Це природний матер!ал !з особливою трубчастою наноструктурою (HNTs) з х!м!чною формулою Al2Si205(0H)4, що робить його недорогою та цшною альтернативою найпоширешшим вуглецевим нанотрубкам. Довжина нанотрубок в основному становить ввд 200 нм до 2 мкм, !х внутршнш д!аметр 15-50 нм, а зовшшнш - 50-200 нм [1, с. 71-80].

Слад зазначити, що в нанотрубки галлуазиту можна завантажити негативно заряджеш речовини, таы як бю-лопчно активнi молекули, антиоксиданти. Завантаженi всерединi внутрiшнього просвпу нанотрубок бiологiчно акгивнi речовини можуть отримати додатювий захист вiд зовтштх факторiв [2, с. 3490-3500].

£ ввдомосп з використання галлуазиту для завантаження та контролювання процесу тривалого вившьнення тетрациклiну та нiкотинамiдаденiндинуклеотиду [3, с. 713]. Процес завантаження в галлуазит було досл1джено також для фуросемщу, нiфедипiну, дексаметазону [4, с. 54-59], 5-амшосалщилово! кислоти [5, с. 713-723] та антисептик1в[6, с. 215-222].

Одним iз досить вщомих природних антиоксидантiв е а-л1поева кислота, яка вшома також як тiоктова кислота, 6, 8-дитюктова кислота або 1, 2-дитюлан-3-пентанова кислота (рис. 1).

Дослщження антиоксидантно! здатностi а-лшоево! кислоти методом використання радикала 2,2-дифенш-1-пiкрилгiдразил (DPPH), показало, що мiкрокапсуляцiя в рiзнi полiмернi матрицi та носи дозволяе майже повнiстю зберегти ii здатшсть до поглинання вiльних радикалiв в моделi in vitro. Цi даш пщтверджуються численними лiтературними даними щодо використання i в iнших системах коло!дних носив [7, с. 227-234].

Завантаження всередину структурних порожнин, створених полiмерними носiями, е пiдходом, який широко практикуеться для стабшзацп нестабшьних iнгредiентiв. Крiм стабiлiзуючого ефекту, при цьому може контр-олюватися вившьнення або доставка захоплених iнгредiентiв, покращуючи 1'х бiодоступнiсть для людини [8, с. 417-438].

Моксифлоксацин (1-циклопропiл-6-фтор-8-метокси-7-((4aS,7aS)-октагiдро-6H-пiроло[3,4-b]пiридин-6-iл)-4-оксо1,4-дигiдро-3 хiнолiнкарбонова кислота) е синтетичним фторхiнолоновим антимiкробним засобом широкого спектру ди, який виявляе активнiсть in vitro проти грампозитивних i грамнегативних мiкроорганiзмiв, а також атипових мiкроорганiзмiв i анаеробiв [9, с. 23-28, 10, с. 392-395].

Фотодеградащя моксифлоксацину (рис. 2) включае калька шляхiв утворення первинних i вторинних продукпв фотодеградацп [11, с. 135-138], включаючи: одномолекулярнi фотореакцп, що протiкають через збуджеш три-плетнi стани та бiмолекулярнi реакцп, де збуджений стан молекули лжарського засобу атакуе шший лiкарський засiб молекулами, що спричиняе перенесення електрона або водню вщ присутнього фрагмента, що багатий на електрони. Це загальний процес, що призводить до розриву зв'язку N-N, i вiн бiльш важливий для третинних амшв i п'ятичленних кшець. Таким чином, фотодеградацiя може вщбуватися в моксифлоксацинi, що несе бiчний ланцюг 2,8-дiазабiцикло[4.1.0]нонану. Вториннi процеси включають деградацш хiнолiнового к1льця [12, с. 10-15, 13, с. 61-67] 1 4,с.175-157].

В данiй роботi використано вакуумний метод як найбiльш широко використовуваний метод завантаження нанотрубок дослiджуваною речовиною. Попередньо в робот протестовано два методи, в першому з яких завантаження вiдбуваеться з розчину, де активний фармацевтичний iнгредiент (AFI) знаходиться в надлишку, вiдповiдно дослщжень [15, с. 6641-6649], а в другому а-лшоева кислота та HNTs змiшувалися в у масовому сшввшношенш 2:1 [16и с.П73с422, 17,и 50--С].

За методом 1 в розчин з надлишком AFI, добавляли подрiбнений, просiяний та висушений HNTs. До утворе-но! сусвенза1П04асаливазаум i, ши—1поивиЗульСашок нзповерxнi суспензи, як1 свiдчили про те, що з поверхш

о о

Рис. 1. Структурна формула а-лшоевоТ кислоти у двох формах: а) R-форма,

б) S-форма

Рис. 2. Структурна формула моксифлоксацину пдрохлориду

галлуазиту та нанотрубок видалялося повиря. Пiсля доведения тиску до атмосферного зайнятий повгтрям про-CTip всерединi просвiту окремих HNTs замiщувався розчином препарату. Цей процес повторювали принаймнi два-три рази, щоб повнiстю заповнити трубки галлуазиту розчином дослщжуваио! речовини. Пiсля завершення вакуумного циклу сумiш центрифугували, декаитували та сушили пвд вакуумом. За методом 2 отримували сумiш розчину та галлуазиту, яка являла собою густу пасту. Подальшу обробку в вакуумi з перiодичним поверненням до атмосферного тиску проводили тричi як за першим методом. Тестуваиия обох метсдав з a-лiпоeвою кислотою та моксифлоксацином показало, що другий метод е бiльш рацiональним та точним, тому що к1льк1сть препарату, який додаеться до HNTs, можиа визначити безпосередньо без аналiзу наиокомпозиту, що дае змогу бшьш точно встаиовити концентрацiю дослщжуваио! речовини в розчиш [18, с. 54-61]. Тому вс дослiджения по заванта-женню зроблено за другим методом.

Процес завантаження в галлуазитнi наиотрубки контролювали шляхом проведения ТЕМ-мжроскопи.

Для аналiтичного контролю вмюту a-лшоево! кислоти та моксифлоксацину використали хроматографiчний метод аналiзу. Для дослщження було обраио обернено фазну рiдинну хроматографiю. Пiд час проведення хро-матографи обернено! фази пдрофобш речовини, що розчиненi в полярному розчиннику, вибiрково взаемодшть з нерухомою фазою. Рвдка фаза складаеться iз водного буферу, який мiстить оргашчний модифiкатор, розчинений у водi, i цей модифiкатор формуе радку межу розподалу мiж двома фазами, причому рухома е полярною, а неру-хома - пдрофобною. Лiпофiльне середовище нерухомо! частини хроматографiчно! системи шдбиралось таким чином, щоб притягувати молекули оргаиiчного модифiкатора для утворения рвдко! адсорбцiйно! фази. У якостi покриття матрицi використали октадециловi групи - С18.

Випробовування на фотостабiльнiсть виконано вiдповiдно до Stability testing: photostability testing of new drug substances and products QlB [19, 27115-27122].

Тест на фотостабiльнiсть протягом доби a-лшоево! кислоти та моксифлоксацину, завантажених до галлуазиту, показав (рис. 3), що галлуазит е хорошим захисним матерiалом ввд фотодеструкцi! та може захистити и на рiвнi 98,5% 99,9% ввдповщно. Випробуваиия цих iнгредiентiв на фотостабiльнiсть протягом доби в нативному стаиi без заваитажения в наиотрубки свiдчать, що вони деградують iз залишковим вмiстом 82,0% та 89,0% вщповвдно.

12 3 4

Дослщжуваш зразки

Рис. 3. Тест на фотостабшьшсть а-лшоевоТ кислоти та моксифлоксацину: 1 - ALA; 2 - i3 завантаженням ALA до HNTs;

3 - MF; 4 - i3 завантаженням MF до HNTs

Висновки

Дослвджения показують, що наиотрубки галлуазиту можиа використовувати як ефективнi бюсумюш нанокон-тейнери для збережения та доставки a-лшоево! кислоти та моксифлоксацину.

Випробуваиия a-лшоево! кислоти та моксифлоксацину, завантажених в галлуазит, показали, що щ фармацев-тичнi iнгредiенти мають подовжений перiод фотостабiльностi. Пiсля доби тестуваиия збереглося 98,5% a-лiпоево! кислоти та 99,9% моксифлоксацину, на ввдшну вщ нативних субстаицiй, як1 за цей час залишилися неушкодже-номи лише на 82% та 89% ввдповщно.

Список використаноТ лiтератури

1. Cavallaro, G., Chiappisi, L., Pasbakhsh, P., Gradzielski, M., Lazzara, G. A. Structural comparison of halloysite nanotubes of different origin by small-angle neutron scattering (SANS) and electric birefringence. Appl. Clay Sci. 160. 2018. p. 71-80.

2. Ojo, O.F., Farinmade, A., Trout, J., Omarova, M., He, J., John, V., Blake, D.A., Lvov, Y.M., Zhang, D., Nguyen, D., Bose, A. Stoppers and skins on clay nanotubes help stabilize oil-in-water emulsions and modulate the release of encapsulated surfactants. ACS Appl. Nano Mater. 2, 2019. p. 3490-3500.

3. Price, R.R., Gaber, B.P., Lvov, Y. In vitro release characteristics of tetracyline HCl, khellin and nicotinamide adenine dinucloetide from halloysite; a cylindrical mineral. J Microencapsul. 18, 2001. p. 713.

4. Fakhrullina, G.I., Akhatova, F.S., Lvov, Y.M., Fakhrullin, R.F. Toxicity of halloysite clay nanotubes in vivo: a Caenorhabditis elegans study. Environ. Sci. Nano 2, 2018. p. 54-59.

5. Price, R., Gaber, B., Lvov, Y.M. In-vitro release characteristics of tetracycline, khellin and nicotinamide adenine dinucleotide from halloysite a cylindrical mineral for delivery of biologically active agents. J. Microencapsul. 18, 2001. p. 713-723.

6. Veerabadran, N., Price, R., Lvov, Y.M. Clay nanotubules for drug encapsulation and sustained release. Nano 2, 2007. p. 215-222.

7. Ruktanonchai, U.; Bejrapha, P.; Sakulkhu, U.; Opanasopit, P.; Bunyapraphatsara, N.; Junyaprasert, V.; Puttipipatkhachorn, S. Physicochemical characteristics, cytotoxicity, and antioxidant activity of three lipid nanoparticulate formulations of alpha-lipoic acid. AAPS Pharm. Sci. Tech., 2009, 10, p. 227-234.

8. Dima, S., Dima, C., & Iordachescu, G. Encapsulation of functional lipophilic food and drug biocomponents. Food Engineering Reviews, 7. 2014. p. 417-438.

9. Eliopulos GM. Activity of newer fluoroquinolones in vitro against gram-positive bacteria. Drugs. 1999. p. 23-28.

10. Sharma SK, George N, Kdhiravan T, Saha PK, Mishra HK, Hanif M. Prevalence of extensively drug resistant tuberculosis among patients with multidrug-resistant tuberculosis: a retrospective hospital-based study. Indian J Med Res. 2009; p. 392-395.

11. Hidalgo ME, Pessoa C, Fernandez E, Cardenas AM. Comparative determination 232 of photodegradation kinetics of quinolones. JPhotochem PhotobiolA Chem. 1993; p. 135-138.

12. Burhenne J, Ludwig M, Nikoloudis P, Spiteller M. Photolytic degradation of fluoroquinolone carboylic acid in aqueous solution. Part I: primary photoproducts and halflives. Environ Sci PollutRes. 1997. p. 10-15.

13. Burhenne J, Ludwig M, Spiteller M. Photolytic degradation of fluoroquinolone carboylic acid in aqueous solution. Part II: isolation and structural elucidation of polar photometabolities. Environ Sci Pollut Res. 1997. p. 61-67.

14. Levis S. & Deasy P. Use of coated microtubular halloysite for the sustained release of diltiazem hydrochloride and propranolol hydrochloride. International Journal of Pharmaceutics, 253. 2003. p. 145-157.

15. Ward C.J., Song S. & Davis E.W. Controlled release of tetracycline-HCl from halloysite-polymer composite films. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 10.2010. p. 6641-6649.

16. Price R., Gaber B. & Lvov Y. In-vitro release characteristics of tetracycline HCl, khellin and nicotinamide adenine dineucleotide from halloysite; a cylindrical mineral. Journal of Microencapsulation, 18. 2001. p. 713-722.

17. Tan D., Yuan P., Annabi-Bergaya F., Liu D.,Wang L., Liu H. & He H. Loading and in vitro release of ibuprofen in tubular halloysite. Applied Clay Science, 96. 2014. p. 50-55.

18. Wang, Q., Zhang, J., Zheng, Y., Wang, A. Alkali activation of halloysite for adsorption and release of ofloxacin. Appl. Surf. Sci. 287. 2013. p. 54-61.

19. ICH Q1B. Photostability testing of new drug substances and products. Fed. Regist. 62. 1997. p. 27115-27122.

References