Novel Small Multilamellar Emulsions (SMEs) for Drug Delivery. Exploring the preparation of multilamellar emulsions using in-vial homogenisation.

The administration of hydrophobic drugs has long been a significant challenge in the pharmaceutical field, due to their poor solubility and difficulty in transporting them through biological tissues (1). Over the years, delivery systems have been developed to enhance the bioavailability of these drugs and achieve more targeted release. Ongoing research is aimed at developing more effective and versatile solutions (2). The objective of this experimental thesis was the development and characterisation of multilamellar lipid nanoparticles called Small Multilamellar Emulsions (SMEs), characterised by the presence of an oily core suitable for accommodating highly hydrophobic molecules. The formulation was obtained using the innovative in-vial homogenisation technique of Dual Centrifugation. Thanks to the combination of centrifugal movements on two axes, this centrifuge allows the creation of different types of formulations, from liposomes to solid lipid nanoparticles (SLNs), all directly formed inside the vials (3) (4). In the first part of the work, a formulation based on HPEC and cholesterol for the later inclusion of lipophilic drugs was developed. The formulation process identified the best percentage of HEPC (Hydrogenated Egg Phosphatidylcholine) for the formulation and the best type of oil, while also evaluating the multilamellar organisation of the particles. SME analyses conducted using Dynamic Light Scattering (DLS) showed small nanoparticles (100-150 nm) with high dimensional homogeneity. Images obtained using the Cryo-EM technique confirmed that the presence of an oily phase in the core does not alter the multilamellar structure of the nanoparticles, but preserves it. In the second part, curcumin was entrapped as a hydrophobic drug model to study encapsulation efficiency (EE%) and stability over time. It was observed that for low curcumin concentrations, they obtained an encapsulation efficiency of close to 90-100%, while at higher concentrations, they reached a plateau of 60-70% EE(%). Stability tests conducted over 30 days demonstrated that the nanoparticles maintained excellent stability, remaining unchanged in size and structure. The versatility of the SME system was demonstrated by producing nanoparticles with different lipid compositions (such as EPC, DPPC and DPPG2) without modifying the production protocol, demonstrating the system's ability to adapt to different formulation requirements. Overall, the results obtained highlight the great potential of SMEs as drug delivery systems for hydrophobic compounds, enabling researchers to overcome the challenge of poor solubility. Moreover, when applied in tumor-targeting contexts, these systems can also exploit the EPR effect to enhance passive accumulation at the tumor site (5).

La somministrazione di farmaci idrofobici rappresenta una sfida rilevante nel settore farmaceutico, a causa della loro scarsa solubilità e della difficoltà di trasporto attraverso i tessuti biologici. Negli ultimi anni, sono stati sviluppati diversi sistemi di trasporto per migliorare la biodisponibilità di tali farmaci e ottenere un rilascio più mirato. Questo progresso è stato ottenuto attraverso una costante ricerca di soluzioni sempre più efficaci e versatili. L'obiettivo di questa tesi sperimentale è sviluppare e caratterizzare le nanoparticelle lipidiche multilamellari definite Small Multilamellar Emulsions (SMEs), caratterizzate dalla presenza di un core oleoso idoneo per accogliere molecole altamente idrofobiche. La formulazione è stata ottenuta mediante l'impiego della tecnica di in-vial homogenization tramite Dual Centrifugation, un metodo innovativo. Grazie alla combinazione di movimenti centrifughi su due assi, questa centrifuga consente la creazione di diverse tipologie di formulazioni, dai liposomi fino alle solid lipid nanoparticles (SLNs), direttamente all'interno delle vials. Nella prima parte del lavoro è stata sviluppata la composizione lipidica dell'HEPC (Hydrogenated Egg Phosphatidylcholine) e del colesterolo adatta alla successiva inclusione di farmaci lipofili. Nella seconda parte, questa formulazione ottimizzata è stata quindi utilizzata per incapsulare la curcumina come farmaco modello lipofilo. In questo processo è stata individuata la percentuale ottimale di HPEC per la formulazione, così come la percentuale ottimale di olio, valutando l'organizzazione multilamellare delle particelle. Le analisi condotte sulle SME mediante Dynamic Light Scattering (DLS) hanno rivelato la presenza di nanoparticelle di piccole dimensioni (100-150 nm) e con un'elevata omogeneità dimensionale. Le immagini ottenute mediante l'impiego della tecnica Cryo-EM hanno confermato che la presenza di una fase oleosa nel core non altera la struttura multilamellare delle nanoparticelle, ma la preserva. La curcumina è stata aggiunta come modello di farmaco idrofobico per l'analisi dell'efficienza di incapsulamento (EE%) e della stabilità nel tempo. È stato osservato che, per concentrazioni di curcumina basse, l'efficienza di incapsulamento si avvicinava al 90-100%, mentre a concentrazioni più elevate si raggiungeva un plateau di 60-70% di EE%. I test di stabilità condotti per 30 giorni hanno dimostrato che le nanoparticelle hanno mantenuto un'eccellente stabilità, rimanendo invariate in termini di dimensioni e struttura. La versatilità del sistema SME è stata dimostrata tramite la realizzazione di nanoparticelle caratterizzate da diverse composizioni lipidiche (come EPC, DPPC e DPPG2) senza apportare modifiche al protocollo di produzione, confermando la capacità del sistema di adattarsi a diverse necessità formulative. Nel complesso, i risultati ottenuti evidenziano il grande potenziale delle SMEs come sistemi di drug delivery per composti idrofobici, che permettono di ovviare a un problema mantenendo le caratteristiche di un trasporto del farmaco mirato sfruttando l'effetto EPR, migliorando la stabilità e la biodisponibilità del farmaco fino al sito target.