NANOMICELLE

Le nanomicelle sono principalmente utilizzate per preparare soluzioni acquose di farmaci insolubili in acqua. Queste particelle nanostrutturate sono formate da molecole anfifiliche (tensioattivi o polimeri) che si auto-assemblano in acqua a creare strutture con dimensioni da 10 a 100 nm e forma sferica, cilindrica o a stella, a seconda del peso molecolare. Queste strutture permettono l’incapsulamento di farmaci lipofili aumentando la loro solubilità̀ in acqua grazie alla formazione di interazioni idrofobiche, forze di Van der Waals e legami a idrogeno.71

6.1 Nanomicelle tensioattive

I tensioattivi sono molecole anfifiliche con testa idrofila e coda idrofobica. La testa idrofila può essere caricata (anionica o cationica), zwitterionica o non ionica. I tensioattivi hanno la capacità di alterare proprietà interfacciali e di superfici e di auto-assemblarsi e solubilizzarsi in micelle; per questo motivo vengono usati per preparare le nanomicelle.72

In soluzioni acquose, concentrazioni diluite di tensioattivo (al di sotto della CMC) si comportano come elettroliti normali; mentre ad elevate concentrazioni (ad elevati valori di CMC) formano aggregati di un gran numero di molecole, chiamati micelle, in cui le parti

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lipofile dei tensioattivi si associano all’interno dell’aggregato lasciando le parti idrofile a contatto con il mezzo acquoso (fig.14). Questo comportamento è dato da un equilibrio tra le diverse interazioni: le catene alchiliche vogliono evitare interazioni energeticamente sfavorevoli con l’acqua; mentre le parti idrofile vogliono interagire con l’ambiente acquoso.72 Un equilibrio tra queste interazioni porta ad una riduzione dell’energia libera del sistema consentendo la formazione delle micelle.

Fig.14-Organizzazione dei tensioattivi in micella.73

Le micelle tensioattive possono essere formate con tensioattivi diversi per avere sia un sinergismo che per conferire nuove proprietà.74 Tensioattivi anionici diventano più idrofili quando aumenta la temperatura, mentre tensioattivi non ionici presentano il comportamento opposto. È stato dimostrato che quando si mescolano tensioattivi anionici a tensioattivi non ionici nelle proporzioni giuste, è possibile produrre sistemi insensibili a variazioni di temperatura.75,76

6.2 Nanomicelle polimeriche

I copolimeri a blocchi con caratteristiche anfifiliche, in condizioni e concentrazione opportune, tendono ad auto-assemblarsi in un solvente acquoso formando micelle.77 La formazione di micelle polimeriche si ottiene quando si supera la concentrazione micellare critica oppure la temperatura micellare critica. Le micelle polimeriche sono caratterizzate da una maggiore stabilità strutturale rispetto alle micelle formate da composti a basso peso

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molecolare. Questa caratteristica può essere sfruttata nei sistemi di drug delivery, permettendo alla micella una lunga circolazione nel sangue.77,78

6.3 Metodi de preparazione delle nanomicelle

Le nanomicelle possono essere preparate seguendo diverse metodologie. I tre metodi principali sono: dissoluzione diretta, dialisi ed evaporazione (fig.15). Normalmente il metodo più opportuno viene scelto in base alla capacità del tensioattivo (oppure polimero) formante della micella di sciogliersi in un solvente acquoso.79 L’incapsulamento di farmaco e le caratteristiche fisico-chimiche delle micella dipendono dal metodo di preparazione scelto e dal numero di interazione tra il farmaco e il tensioattivo (o polimero).

• Dissoluzione diretta: Questo metodo viene usato frequentemente per le micelle formate da polimeri aventi alta solubilità in acqua. Il metodo consiste in solubilizzare direttamente il farmaco in solvente acquoso (acqua deionizzata o tampone) con il polimero (o tensioattivo).79,80

• Dialisi: Questo metodo viene usato frequentemente per la preparazione di micelle a partire di co-polimeri anfifilici che presentano una bassa solubilità in acqua; oppure per co-polimeri che richiedono di un solvente organico per solubilizzarsi. Questo metodo consiste nella solubilizzazione del co-polimero e del principio attivo in un solvente organico; la formazione della micella avviene per aggiunta di acqua. La soluzione risultante viene dializzata contro acqua per eliminare il solvente organico. La scelta del solvente influisce significativamente sulle proprietà di incapsulamento della micella. Per esempio, l’uso di N,N-dimetilformammide (DMF) aumenta l’incapsulamento di farmaco rispetto all’incapsulamento che si avrebbe se si usasse dimetilsolfossido (DMSO).79,80

• Evaporazione del solvente: Questo metodo consiste nella solubilizzazione del farmaco e del copolimero nello stesso solvente organico o in una miscela di due solventi che devono essere volatili. La soluzione è quindi sottoposta ad agitazione e poi essiccata per formare un film sottile di farmaco-copolimero. Questo film viene poi ricostituito attraverso idratazione con acqua o tampone per ottenere una dispersione nanomicellare.79,80

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Fig.15-Metodi principali per la preparazione delle nanomicelle.80

Esiste inoltre la possibilità di liofilizzare le nanomicelle preparate e la polvere ottenuta può essere ricostituita prima dell’uso.79,80

6.4 Nanomicelle pH sensibili

I valori di pH variano significativamente a seconda del tessuto o dell’organo, ad esempio nello stomaco o nel fegato; oppure in stati patologici come infiammazione, infezione, ischemia e in caso di tumore.

I sistemi nanostrutturati pH sensibili possono essere usati per la terapia contro il cancro perché a causa dell’elevato tasso di glicolisi nelle cellule cancerogene, il pH nei tumori risulta essere più basso rispetto ai tessuti normali. Il pH tumorale varia da 5.7 a 7.8; mentre il pH dei tessuti normali è 7.4. Maggiore differenza di pH si ha a livello subcellulare, infatti endosomi e lisosomi hanno un pH che va da 4.5 a 5.5.81,82

L’obiettivo da raggiungere con l'impiego di sistemi nanostrutturati pH sensibili è immagazzinare e stabilizzare il farmaco a pH fisiologico e rilasciare rapidamente il farmaco quando viene raggiunto il pH di attivazione. Per questo scopo per la formazione delle nanomicelle si ricorre a polimeri con gruppi chimici ionizzabili, come ammine, acidi fosforici, acidi carbossilici. Questi gruppi possono accettare o donare protoni cambiando le loro proprietà chimiche e/o fisiche a seconda del pH a cui sono esposti, portando ad una modifica nella struttura della nanomicella e quindi al rilascio del farmaco.81 Inoltre, possono

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essere usati peptidi fusogenici pH sensibili, che si fondono con la membrana endosomiale quando vengono esposti al basso pH dell’endosoma, rilasciando il farmaco.81

Un approccio più recente per preparare sistemi pH responsivi per rilasciare farmaco consiste nell’aggiunta di CO2, generando precursori che in ambiente acido porteranno al rilascio di

CO2 gassoso disintegrando il carrier e rilasciando il farmaco.81,83

Attualmente esistono diversi studi su sistemi pH-responsivi impiegati nel drug delivery. Un esempio è lo studio condotto da Xiong ed al. (2019)84 in cui sono stati disegnati sistemi nanomicellari pH sensibili per il rilascio di Doxorubicina (fig.16).

Fig.16- Illustrazione del processo di auto-assemblaggio e della terapia di targeting tumorale delle

nanomicelle.84

6.5 Applicazione cutanea

I sistemi nanostrutturati possono penetrare la cute principalmente attraverso due vie: la via intercellulare (attraverso i canali lipidici tra i corneociti), oppure attraverso i follicoli piliferi e le ghiandole sudoripare. Un punto chiave riguarda l’interazione tra le nanostrutture e lo strato corneo e le conseguenze che queste interazioni hanno sia sulla struttura lipidica dello strato corneo che sull’integrità della particella. Un parametro significativo è la rigidità delle particelle. Esiste una grande differenza tra il comportamento delle nanoparticelle rigide (polimeri e nanoparticelle lipidiche solide) e le nanoparticelle molli (liposomi). Le nanoparticelle rigide non penetrano la pelle intatte; a differenza di quelle morbide che riescono a penetrare attraverso la porosità dello strato corneo. Anche se le nanoparticelle

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rigide non penetrano intatte, interagiscono con i lipidi dello strato corneo agendo come promotori della permeazione.19

Un approccio promettente è la permeazione delle nanostrutture attraverso la via follicolare; i follicoli sono invaginazioni profonde all’interno della pelle in cui lo strato corneo è più sottile e la vascolarizzazione più densa. L’infundibulo è circondato da una vasta rette di capillari e la permeabilità del suo epitelio consente il trasporto di particelle al sistema circolatorio.19 Diversi studi mostrano un aumento della permeazione cutanea attraverso la via follicolare per particelle di dimensioni inferiori ai 300 nm. Questo si può vedere nello studio realizzato da Alvez-Román et al.85 dove viene studiata la distribuzione di nanoparticelle che incapsulano un colorante idrofilo attraverso pelle di maiale. Questo studio ha dimostrato che i sistemi nanostrutturati si accumulano di preferenza nelle aperture follicolari; più piccole le particelle, maggiore sarà l'accumulo nel follicolo.