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Facultad de Farmacia

Departamento de Farmacia y Tecnologa Farmacutica

Programa de doctorado en Ciencias Farmacuticas

Formas Farmacuticas y microencapsulacin para la administracin

oral de probiticos

Dosage forms and microencapsulation for the oral administration

of probiotics

Memoria de Tesis presentada por la Licenciada en Farmacia Doa Mara Jos Martn

Villena para optar al grado de Doctor por la Universidad de Granada, con mencin de

doctor internacional.

Esta Tesis Doctoral ha sido dirigida por los Doctores Mara Adolfina Ruiz Martnez, y

Mara Encarnacin Morales Hernndez profesoras del Departamento de Farmacia y

Tecnologa Farmacutica as como por Federico Lara Villoslada responsable

I+D Lactalis Puleva

Granada, Enero 2013

This thesis has been developed by the Andalusian Research Group CTS-205 Practical

pharmaceutics at NIZO Food Research (Ede, The NetherlandsThis work has been funded by the University of Granada (FPU- UGR program).

Editorial: Universidad de Granada. Tesis DoctoralesAutora: Mara Jos Martn VillenaISBN: 978-84-9125-086-9URI: http://hdl.handle.net/10481/40100

http://hdl.handle.net/10481/40100

EI doctorando Maria Jos Martin Villena y los directores de Ia tesis Maria AdolinaRuiz Martinez, Maria Encamacin Morales Hernandez y Federico Lara VilIoslada_Garantizamos, al firmar esta tesis doctoral, que el trabajo ha sido realizadc por eldoctorando bajo la direcoin de los directcres de Ia tesis y hasta donde nuestroconocimiento alcanza, en la realizacin del trabajo, se han respetado los derechos deotros autores a ser citados, cuando se han utilizado sus resultados o publicaciones.

Granada a 2 de Fehrero de 2015

Director/es de Ia Tesis

ndice:

Summary 3

Intoduccin 7

Objetivos 11

Contribucin de trabajo 16

Plan de Trabajo 20

Captulo I: Microencapsulacin de bacterias probiticas 22

I.1. Aspectos generales de la microbiota humana y los efectos de su manipulacin mediante el uso de probiticos 24

I.2. Microencapsulation of bacteria: A review of different technologies and their impact on the probiotic effects 39

I.3. Effect of unmodified starch on viability of alginate-encapsulated lactobacillus fermentum CECT 5716 53

I.4. Survival of Lactobacillus plantarum WCFS-1 after spray-drying using different carriers and their effect after incorporation into an infant formula 55

Captulo II: Diseo y elaboracin de comprimidos de liberacin modificada con probiticos 73

II.1. Estudio terico de formas farmacuticas slidas orales: comprimidos 75

II.2.Development of gastro-resistant tablets for the protection and intestinal delivery of Lactobacillus fermentum CECT 5716 91

Captulo IV: Conclusiones 109

Captulo V: Bibliografa adicional 113

SUMMARY

3

This thesis has been developed within the Andalusian Research Group CTS-205

Practical pharmaceutics in collaboration with NIZO Food Research (Ede, The

Netherland). One of the research lines of the group CTS-205 is the development of

different dosage forms and particles for the administration of probiotics. Specifically,

this thesis has been focused in the preparation and characterization of microparticles for

the protection of L. fermentum CECT 5716 and Lactobacillus plantarum WCSF-1.

Furthermore, preparation of tablets for the administration of L. fermentum CECT5716

was also performed.

With these aims, different encapsulation technologies used with probiotics were firstly

reviewed. Then, internal gelation technology was selected for the microencapsulation of

L. fermentum CECT 5716. Results show that these particles were able to partially

protect bacteria during one month at 4 C.

In the case of L. plantarum WCSF-1 spray dried technology using different carries was

tested. The protection provide by the carriers was insufficient. However the food matrix

(infant formula) selected seems to be adequate as a result of its low moisture content.

Concerning oral solid dosage forms, different gastro-resistant tablets were developed.

The selected material was compatible with probiotic. These formulations maintain the

viability after technological operations. The percentage of viability was reduced by 90%

in all type of tablets after production. Tablets also meet the quality criteria required by

the United States Pharmacopeia and Spanish Pharmacopeia referring to friability and

disintegration test. Protection of probiotics through passage to the stomach and delivery

of probiotic in the intestine were verified. The best viability after simulated stomach pH

was for Eudragit L100- sodium alginate tablets. This formulation was selected to the

stability assays during 6 months. These tablets were found to be stable over a 6 months

period when stored at 4C. However, at room temperature tablets started to lose viability

after 90 days.

As a whole, the results of the present work provide evidence that probiotics can be

protected by microencapsulation to be included in food and pharmaceutical matrices,

but not all microencapsulation techniques are suitable. Internal gelation with alginate

and starch has shown to be suitable, at least for L.fermentum CECT5716. Controlled-

release tablets are a good dosage form for probiotics. Further studies are needed to

prove the effects of these formulations in vivo.

INTRODUCCIN

Mara Jos Martn Villena

7

En el intestino humano habitan alrededor de 100 billones de microorganismos, un

nmero 10 veces mayor que el de todas nuestras clulas somticas y germinales juntas.

Hasta hace poco tiempo, las propiedades de esta microbiota eran prcticamente

desconocidas, debido a la dificultad para estudiar su complejidad con la metodologa

disponible. Actualmente se sabe que ejerce una serie de efectos beneficiosos entre los

que destacan la produccin de vitaminas y anticuerpos, la prevencin de la colonizacin

por parte de patgenos, la estimulacin del desarrollo de ciertos tejidos, la modulacin

de la respuesta inmunitaria, etc. Sin embargo, diferentes factores pueden afectarla,

produciendo lo que se conoce como disbiosis y esto, a su vez, puede provocar la

aparicin de ciertas enfermedades. A ello cabe sumar el alarmante aumento de la

resistencia a los antibiticos por diversas cepas, lo que revela la necesidad de adoptar

un pensamiento nuevo y enfoques adecuados para desarrollar terapias alternativas

efectivas.

En este sentido, el uso de probiticos ha manifestado tener utilidad en el tratamiento y

prevencin de diversas enfermedades, como han demostrado diversos estudios

cientficos. Fruto de esto se ha producido un aumento en el mercado de la elaboracin y

consumo de estos productos. No obstante, la fisiologa intrnseca y la fragilidad

tecnolgica evidenciada por las cepas probiticas pueden hacerlas ineficaces para su uso

clnico. Esto es debido, fundamentalmente, a su escasa resistencia a factores

ambientales y tecnolgicos, lo que limita su viabilidad, efectos beneficiosos y redunda

negativamente en la percepcin sobre la utilidad de estos productos por parte de los

consumidores.

Con la intencin de solventar estos inconvenientes, tradicionalmente se han desarrollado

diversas estrategias como la sobredosificacin o el almacenamiento en envases

especiales, lo que encarece el precio del producto, limitando su acceso a un sector de la

poblacin. De ah que, en los ltimos aos, el objetivo de la industria alimentaria y

farmacutica se haya centrado, en el desarrollo de alternativas que mejoren la

estabilidad de los probiticos de forma eficiente y econmicamente rentables. Como

respuesta a esta necesidad, el trabajo desarrollado en la Tesis Doctoral se ha centrado,

por un lado, en el estudio de la microencapsulacin de probiticos y, por otro, en el

desarrollo de formas farmacuticas slidas que contribuyan a mejorar su viabilidad

durante el almacenamiento y su efectividad teraputica tras la administracin.

Mara Jos Martn Villena

8

Para ello hemos trabajado con bacterias cuyas propiedades probiticas han sido

ampliamente demostradas, Lactobacillus fermentum CECT 5716 y Lactobacillus

plantarum WCFS 1, ambas son bacterias cido lcticas que han manifestado presentar

efectos beneficiosos frente a num