Exploring anti-tuberculosis drugs through green solvents for effective treatment of tuberculosis

Abstract

Tuberculosis is an airborne infectious disease caused by Mycobacterium tuberculosis that remains to be one of the deadliest infectious diseases worldwide. Despite being considered treatable, the treatment of this disease involves a combination of different antibacterial drugs administrated for several months. This may cause serious adverse effects and lead to low treatment compliance by the patient, contributing to the ineffectiveness of the therapy and the emergence of drug resistance. The approaches used for treating tuberculosis are the same since their development, around 50 years ago. Therefore, and given the emergence and persistence of drug resistance to the various antibiotics used, it is of the utmost importance to conduct a breakthrough investigation to find alternatives able to rapidly reduce the incidence of tuberculosis, mainly in low-income countries. Considering the drawbacks of tuberculosis therapy, it is proposed in this work to explore alternative strategies to address long term therapies and poor patient compliance, which include the use of alternative solvents, such as ionic systems, therapeutic liquid mixtures, and supercritical fluid technology. In a first step, the preparation of ionic systems (organic salts) and eutectic mixtures incorporating anti-tuberculosis drugs in their structure were explored. Then, all prepared compounds were fully characterized both in terms of their physicochemical properties and their in vitro biological performance through a myriad of different procedures and techniques, such as polarized optical microscopy, differential scanning calorimetry, nuclear magnetic resonance, infrared spectroscopy, solubility, permeability (using Franz cells and transwell inserts), cytotoxicity in different cell lines, antibacterial activity, among others. Additionally, eutectic mixtures were prepared by dissolving first-line treatment anti-tuberculosis drugs and an organic salt (isoniazid di-chloride, [INH][Cl]2) in the system composed by citric acid, ethambutol, and water in a ratio of 1:1:5. In order to obtain inhalable particles for targeted site-infection delivery of these formulations, supercritical fluid technology was used to encapsulate the eutectic mixtures and formulate biocompatible particles with a suitable size for pulmonary administration. In general, the main objectives of the work were achieved, being the alternative strategies explored (ionic systems, eutectic mixtures, and supercritical fluid technology) capable to improve some essential characteristics of anti-tuberculosis drugs, in particularly, its solubility and stability. Hereupon, their potential should be further explored with different and more complex biological models.

A tuberculose é uma doença infeciosa transmitida por via aérea, causada pela bactéria Mycobacterium tuberculosis, continuando a ser uma das doenças infeciosas que causa maior mortalidade mundialmente. Apesar de existir um tratamento eficaz para a tuberculose, este engloba uma combinação de diferentes antibióticos administrados durante vários meses, o que pode causar efeitos adversos graves e, consequentemente, levar à reduzida adesão ao tratamento pelo paciente, o que contribui para a ineficácia do tratamento e aparecimento de resistência aos diferentes antibióticos. O tratamento e a combinação de fármacos utilizada na tuberculose é o mesmo desenvolvido há mais de 50 anos. Posto isto, e considerando também o aparecimento e persistência da resistência aos vários antibióticos utilizados, torna-se urgente o avanço da investigação de forma a encontrar alternativas capazes de reduzir a incidência da tuberculose, principalmente em países subdesenvolvidos. Considerando os problemas existentes na terapia da tuberculose, o objetivo desta tese é explorar estratégias alternativas que visem melhorar as abordagens terapêuticas utilizadas no seu tratamento, as quais incluem o uso de solventes sustentáveis alternativos, como sistemas iónicos, misturas eutécticas e tecnologia supercrítica. Inicialmente, foram preparados diferentes sistemas iónicos (sais orgânicos) e misturas eutécticas que incluem na sua estrutura fármacos utilizados na terapêutica da tuberculose. De seguida, os sistemas foram caracterizados, relativamente às suas propriedades físico-químicas e biológicas através de diferentes técnicas e abordagens, tais como microscopia ótica de luz polarizada, calorimetria diferencial de varrimento, ressonância magnética nuclear, espectroscopia de infravermelho, solubilidade, permeabilidade (usando células de Franz e inserts transwell), citotoxicidade em diferentes linhas celulares, entre outras. Além de misturas eutécticas, também foram preparadas diferentes formulações baseadas na mistura composta por ácido cítrico, etambutol e água no rácio 1:1:5, em que foram dissolvidos diferentes fármacos utilizados na primeira linha de tratamento da tuberculose e um sal orgânico (di-cloreto de isoniazida, [INH][Cl]2). De modo a obter partículas inaláveis que possam ter uma ação específica no local da infeção, foi utilizada tecnologia supercrítica para encapsular as misturas líquidas e formular partículas biocompatíveis e com um tamanho adequado à administração pulmonar. Em geral, os principais objetivos deste trabalho foram alcançados, tendo sido exploradas diferentes estratégias alternativas (sistemas iónicos, misturas eutécticas e tecnologia supercrítica), capazes de melhorar algumas características essenciais dos fármacos administrados na tuberculose, como a sua solubilidade e estabilidade. Considerando os resultados obtidos neste trabalho e o potencial apresentado por este tipo de compostos, é importante continuar a estudar as suas propriedades e explorar as suas potencialidades em modelos biológicos mais complexos.