PEG-PGA Enveloped Octaarginine-Peptide Nanocomplexes. A novel protein-based drug delivery strategy to overcome biological barriers

Abstract

[Resumen] Hoy en día, el número de fármacos que se utilizan de naturaleza proteica ha incrementado debido a su alta eficacia y selectividad. Sin embargo, su utilidad se ha visto limitada por las dificultades que presentan en atravesar barreras biológicas, siendo la vía parenteral su administración más común. Para solucionar este desafío, la nanotecnología y en concreto la nanomedicina ha aportado nanosistemas capaces de transportar compuestos bioactivos directamente a la diana terapéutica e incluso pudiendo ser administrados por rutas más amigables para los pacientes. El objetivo de este trabajo fin de Máster es desarrollar nanocomplejos entre péptidos terapéuticos (insulina y péptido antiobesidad) y un péptido de permeación celular (octaarginina modificada) y su envolvimiento con copolímeros de poli(etilenglicol)-ácido poli(glutámico) (PEG-PGA). Énfasis se ha dado a la administración oral y de narizcerebro. En un primer lugar, se diseñaron nanocomplejos de octaarginina modificada e insulina recubiertos con una serie de copolímeros (PEG-PGA) de estructuras diversas con el futuro propósito de usarlos por vía oral. Los nanosistemas tienen un tamaño entre 180-250 nm, una estrecha distribución de tamaños, una carga neutral, una morfología esférica y una excelente eficiencia de asociación a la insulina. Se realizó un estudio comparativo entre diversos copolímeros estructuralmente diferentes para aumentar la densidad de poli(etilenglicol) (PEG) en la superficie del nanosistema y se concluyó que se aumentaba entre 7 veces la densidad cuando se empleaba un copolímero ramificado con el mayor grado de sustitución de PEG y la cadena más larga de ácido poli(glutámico) (PGA) en comparación con el copolímero en dibloque con la cadena de PGA más pequeña. El sistema presentó una buena estabilidad en condiciones de almacenamiento. Por otra parte, se adaptó el nanosistema empleado con anterioridad a la administración nariz-cerebro con un péptido antiobesidad. Los nanosistemas tienen un tamaño entre 100- 120 nm, una estrecha distribución de tamaños, carga neutral, una alta carga de péptido y una excelente eficiencia de asociación. El sistema se pudo obtener liofilizado con trehalosa al 2% como lioprotector. En resumen, este trabajo ha aportado información relevante a cerca de estos novedosos nanosistemas y además, se espera continuar realizando estudios más exhaustivos.

[Abstract] Nowadays, the number for protein-type drugs has increased due to their high efficiency and selectivity. Nevertheless, their use has been limited by the difficulties they present in crossing biological barriers, being the parenteral route their most common administration. To solve this challenge, nanotechnology and specifically nanomedicine has provided nanosystems able to transport bioactive compounds right away to the therapeutic target and even to being administrated through friendlier routes for patients. The aim of this Master’s Thesis project relied on the formation of nanocomplexes between therapeutic peptides (insulin and antiobesity peptide) and cell permeating peptides (CPPs) and their further envelopment with protective polymers (PEG-PGA). Emphasis was given to oral and nose-to-brain administration. First, modified octaarginine-insulin nanocomplexes coated with structurally diverse copolymers (PEG-PGA) were designed with the aim of using them for the oral administration. The enveloped nanocomplexes (ENCPs) had a particle size ranges between 180 and 250 nm, narrow size distribution, neutral charge, spherical morphology and an excellent association efficiency of insulin. A comparative/screening study between structurally diverse copolymers was made in order to increase the poly(ethylene glycol) (PEG) density in the surface of ENCPs and it was concluded that, when a ramified copolymer with the highest substitution degree of PEG and the longer PGA chain is used, the density increases up to 7 times, comparing to the diblock copolymer with a shorter PGA chain. The system displayed a good stability in storage conditions. Besides, the previously used nanosystem was adapted to a nose-to-brain administration with an antiobesity peptide. These nanosystems had a particle size ranges between 100 and 120 nm, narrow size distribution, neutral charge, high loading peptide and an excellent association efficiency. The system could be obtained lyophilized with trehalose 2% as lyoprotectant. In summary, this project has provided valuable information about these novel nanosystems and, besides, it is expected to continue carrying out more exhaustive studies.