Spore and pollen as drug delivery carriers: comparative analysis of loading, release profiles and physicochemical properties of hydrophilic and hydrophobic model drugs

Pollini e spore rappresentano matrici naturali di crescente interesse per lo sviluppo di sistemi di veicolazione di farmaci, grazie alla presenza di una parete esterna ricca in sporopollenina, un biopolimero caratterizzato da elevata stabilità chimica e resistenza a condizioni ambientali aggressive. Tali proprietà rendono queste strutture potenzialmente adatte come microcarriers per la somministrazione orale, poiché contribuiscono a proteggere il farmaco durante il transito gastrointestinale e, in particolare, dall’ambiente fortemente acido dello stomaco. Il presente lavoro di tesi si è focalizzato sullo sviluppo, l’ottimizzazione e la caratterizzazione di sistemi di drug delivery basati su pollini di pino e spore trilete. L’obiettivo principale è stato valutare la capacità di tali matrici di incorporare e veicolare principi attivi con differenti proprietà chimico-fisiche, utilizzando diclofenac sodico e rifampicina come modello, rispettivamente, di farmaci idrofilici e lipofilici. In particolare, è stata studiata l’influenza del rapporto farmaco-matrice e del metodo di caricamento sull’efficienza di incorporazione e sul successivo profilo di rilascio. Le matrici grezze sono state inizialmente purificate mediante acetolisi, al fine di rimuovere il contenuto citoplasmatico e proteico, ottenendo strutture cave costituite prevalentemente dalla parete esterna ricca in sporopollenina. Le matrici purificate sono state quindi impiegate come microcarriers per il caricamento dei due farmaci modello. Sono stati confrontati tre rapporti farmaco-matrice (1:1, 1,4:1 e 2,8:1) e quattro approcci di caricamento differenti: diffusione passiva, sottovuoto statico, applicazione sequenziale di agitazione magnetica e sottovuoto, e sottovuoto spinto con simultanea agitazione magnetica. Dopo il caricamento, i sistemi sono stati purificati e recuperati mediante centrifugazione. L’efficienza di caricamento (EE%) e il drug loading sono stati determinati mediante spettrofotometria UV-Vis. I campioni sono stati inoltre sottoposti a caratterizzazione chimico-fisica e morfologica mediante spettroscopia FT-IR, calorimetria differenziale a scansione, microscopia ottica ed elettronica a scansione, al fine di valutarne l’integrità strutturale, le caratteristiche chimico-fisiche e la presenza del farmaco dopo il caricamento e la purificazione. A completamento dello studio, sono stati eseguiti test di rilascio in vitro in tampone gastrico simulato (pH 1,2) e in tampone intestinale simulato (pH 6,8) per valutare il profilo di rilascio dei farmaci al variare del pH lungo il tratto gastrointestinale. Tra i metodi di caricamento investigati, il sottovuoto spinto con simultanea agitazione magnetica, associato ad un rapporto farmaco-matrice di 1,4:1, ha mostrato i migliori risultati. I valori di EE% sono risultati indicativamente pari al 20% per la rifampicina e al 50% per il diclofenac sodico, evidenziando, inoltre, un apparente maggiore grado di caricamento nelle matrici derivate da polline di pino rispetto a quelle ottenute da spore trilete. I test di rilascio in vitro hanno inoltre evidenziato un rilascio molto limitato in ambiente gastrico simulato, con valori nell’ordine del 2%, suggerendo una capacità della matrice di trattenere e proteggere il farmaco in condizioni acide. Al contrario, in ambiente intestinale simulato è stato osservato un rilascio più consistente, indicando un comportamento favorevole alla successiva liberazione del principio attivo a livello intestinale.

Pollen and spores represent natural matrices of growing interest for the development of drug delivery systems, due to the presence of an outer wall rich in sporopollenin, a biopolymer characterized by high chemical stability and resistance to harsh environmental conditions. These properties make such structures potentially suitable as microcarriers for oral administration, as they contribute to protecting the drug during gastrointestinal transit and, in particular, from the strongly acidic environment of the stomach. This thesis focused on the development, optimization, and characterization of drug delivery systems based on pine pollen and trilete spores. The main objective was to evaluate the ability of these matrices to incorporate and deliver active compounds with different physicochemical properties, using diclofenac sodium and rifampicin as models of hydrophilic and lipophilic drugs, respectively. In particular, the influence of the drug-to- matrix ratio and loading method on incorporation efficiency and subsequent release profile was investigated. Raw matrices were initially purified by acetolysis to remove cytoplasmic and protein components, yielding hollow structures mainly composed of the sporopollenin-rich outer wall. The purified matrices were then used as microcarriers for loading the two model drugs. Three drug-to-matrix ratios (1:1, 1.4:1, and 2.8:1) and four different loading approaches were compared: passive diffusion, static vacuum, sequential application of magnetic stirring and vacuum, and high vacuum combined with simultaneous magnetic stirring. After loading, the systems were purified and recovered by centrifugation. Encapsulation efficiency (EE%) and drug loading were determined by UV-Vis spectrophotometry. The samples were also subjected to physicochemical and morphological characterization by FT-IR spectroscopy, differential scanning calorimetry (DSC), optical microscopy, and scanning electron microscopy (SEM), in order to evaluate structural integrity, physicochemical properties, and the presence of the drug after loading and purification. Finally, in vitro release studies were performed in simulated gastric fluid (pH 1.2) and simulated intestinal fluid (pH 6.8) to evaluate drug release profiles under the different pH conditions encountered along the gastrointestinal tract. Among the investigated loading methods, high vacuum combined with simultaneous magnetic stirring, using a drug-to- matrix ratio of 1.4:1, provided the best results. EE% values were approximately 20% for rifampicin and 50% for diclofenac sodium, with an apparently higher loading degree in pine pollen-derived matrices than in trilete-derived matrices. In vitro release studies also showed very limited release in simulated gastric conditions, around 2%, suggesting the ability of the matrix to retain and protect the drug under acidic conditions. In contrast, a greater release was observed in simulated intestinal conditions, indicating a favorable behavior for subsequent drug release at the intestinal level.