Self-nanoemulsifying drug delivery systems (SNEDDS) - influences on cellular uptake

Abstract

Die Anwendung von Nanocarriern in der Medizin hat sich über die letzten Jahrzehnte rapide weiterentwickelt. Ein innovativer Ansatz dabei sind selbst-emulgierende Systeme. Das Ziel dieser Arbeit war es, Einflüsse auf die zelluläre Aufnahme von sogenannten "self-nanoemulsifying drug delivery systems" (SNEDDS) bezüglich Tröpfchengröße und die Anwesenheit von anionischen Tensiden zu untersuchen. Um eine Größenabhängigkeit feststellen zu können, wurden mehrere Formulierungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen hergestellt. Dabei entscheidet vor allem das Verhältnis von Öl zu Tensid über die Partikelgröße der Nanoemulsionen. Die anionischen Tenside wurden in einer Formulierung durch Anwendung von Hitze und Ultraschall gelöst. Dabei konnte eine maximale Konzentration von 1 % für alle Bestandteile erreicht werden. Die SNEDDS wurden in Wasser, Phosphat Puffer oder Nährmedium emulgiert. Mittels Lichtstreuungs-methoden wurden die entstandenen Nanoemulsionen im Hinblick auf Tröpfchengröße, Stabilität und Zeta Potenzial charakterisiert. Es wurden zwei Arten von getesteten Formulierungen ausgewählt, die je drei verschiedenartige Größen aufweisen, welche zwischen 35 und 150 nm liegen und einen PDI unter 0.25 haben. Die nicht beladenen SNEDDS mit in etwa neutralem Zeta Potenzial (-7 bis +3 mV) unterscheiden sich dabei von den stärker negativen Werten der SNEDDS mit anionischen Tensiden (-4 bis -28 mV). CaCo-2 und HEK-293 wurden als in vitro Zell-Modelle angewendet. Mittels Resazurin Assays wurde eine Konzentrationsabhängigkeit der Zytotoxizität festgestellt. Daher wurde als Konzentration 0.05 % SNEDDS in OptiMEM für die zelluläre Aufnahmestudien an beiden Zelltypen gewählt. Dafür wurde 1 % FDA in den Formulierungen gelöst, dessen Absorption in die Zellen über Fluoreszenz quantifiziert wurde. Die Untersuchungen zeigten eine höhere Aufnahmeeffizienz für einige der anionischen Tenside (bis zu 1.6-fach), allerdings konnte keine Tendenz bezüglich der Partikelgröße festgestellt werden. Gemäß dieser Ergebnisse hängt die zelluläre Aufnahmeeffizienz im Allgemeinen nicht von der Größe der entstandenen Nanoemulsionen ab, sondern vielmehr von der Wahl an Bestandteilen und dem Anteil an Tensiden.

The field of nanocarriers for drug delivery has developed rapidly over the last decades. Recently the innovative approach of self-emulsifying systems has caught researcher's interest. The aim of this study was to investigate influences on cellular uptake of self-nanoemulsifying drug delivery systems (SNEDDS) with regard to droplet size and the presence of anionic surfactants. In order to determine size-dependence, formulations exhibiting different components and ratios were developed. Especially the oil-to-surfactant ratio determined the droplet size of resulting emulsions. Anionic surfactants were dissolved in a formulation by heating and ultrasonics, thereby achieving a maximum of 1 % loading for all chosen excipients. Emulsification was carried out in water, phosphate buffer or culture medium. The resulting nanoemulsions were characterized with regard to particle size, stability and zeta potential using light scattering methods. Among the screened formulations, two compositions with three different droplet sizes each were chosen, varying between 35 and 150 nm with a PDI below 0.25. Unloaded SNEDDS of roughly neutral zeta potential (-7 to +3 mV) differed to the increasingly negative value of anionic surfactant loading (-4 to -28 mV). CaCo-2 and HEK-293 cells were chosen as in vitro cell models. A concentration dependent cytotoxicity of nanoemulsions was found on the cells via resazurin assay. Thus 0.05 % SNEDDS in OptiMEM was used for the cellular uptake studies, which were performed on both cell types through incorporation of FDA (1 %) into the formulations. The amount of entered marker molecules was analyzed by fluorescence. These investigations revealed an improved cellular uptake efficiency for some of the incorporated anionic surfactants (up to 1.6-fold), but no tendency regarding droplet size could be observed. According to these results, cellular uptake of SNEDDS does generally not depend on the size of the nanoemulsions, but rather the uptake is determined by the choice of components and the amount of surfactants.