New fight against tuberculosis using pharmaceutical ionic liquids

Abstract

Tuberculosis (TB) is to this day a disease that threatens public health, being the second major cause of infectious disease related deaths. Only in 2020, caused the death of 1.5 million people in highly populated or developing countries. The treatment of this disease involves multi-drug formulations including rifampicin as one of the prominent drugs used. This drug has a low bioavailability, and it is also hepatotoxic. However, rifampicin can be ionized, being an excellent target for the development of organic salts and ionic liquids (OSILs) based on this active pharmaceutical ingredient (Rif-OSIL). The ionization of this drug as well as the combination with highly polar counter-ions considerably increased its water solubility at least 450 times comparing to the neutral API reported value. In parallel, it is observed a reducing in the octanol/water partition coefficient as a clear indication about the improvement of the API permeability. All Rif-OSILs based on cationic or anionic approaches were characterized by 1H and 13C NMR, FTIR and elemental analysis to proof the desired chemical structures. In vivo toxicity assays were performed in zebrafish (Danio rerio) to evaluate the impacts in toxicity of the drug (Rif and Rif-OSILs) when bioavailability is increased. From these assays, both catalase and glutathione-S-transferase were inhibited by the rifampicin organic salt, but no statistically relevant oxidative damage in the form of lipid peroxidation was observed. Another problem of rifampicin involves the low action local concentration for effective treatment. Dry powders for inhalation from both original rifampicin and the most promissory Rif-OSIL were produced through Supercritical CO2-assisted Spray Drying and then they were tested in Andersen-Cascade Impactor to assess aerodynamic properties. Two protocols were used, one of which produced powders capable of reaching the alveoli, in which infection by Mycobacterium tuberculosis occurs. This work opens good perspectives to use Rif-OSILs as a sustainable and more effective therapeutic strategy for the treatment of tuberculosis.

Tuberculose (TB) é até hoje uma doença que ameaça a saúde pública, sendo a segunda maior causa de mortes relacionadas com doenças infeciosas. Só em 2020, causou a morte de 1,5 milhões de pessoas em países em desenvolvimento ou com alta densidade populacional. O tratamento desta doença envolve múltiplos fármacos, sendo um dos principais a rifampicina. Este fármaco tem uma biodisponibilidade baixa, e é também hepatotóxico. No entanto, pode ser ionizado, sendo um excelente alvo para o desenvolvimento de sais orgânicos e líquidos iónicos (OSIL) baseados neste ingrediente farmacêutico ativo (Rif-OSIL). A ionização da rifampicina, bem como a combinação com contra-iões altamente polares, aumentou consideravelmente a sua solubilidade em água pelo menos 450 vezes em comparação com o valor do API neutro reportado. Em paralelo, observa-se uma redução no coeficiente de partição octanol/água que dá uma clara indicação sobre a melhoria da permeabilidade do API. Todos os Rif-OSILs foram caracterizados por RMN 1H e 13C, IV e análise elementar para provar as estruturas químicas desejadas. Foram realizados ensaios de toxicidade in vivo em peixes zebra (Danio rerio) para avaliar os impactos na toxicidade do fármaco (Rif e Rif-OSILs) quando a biodisponibilidade é aumentada. A partir destes ensaios, tanto a catalase como a glutationa-S-transferase foram inibidas pelo Rif-OSIL testado, mas não foi observado qualquer dano oxidativo estatisticamente relevante sob a forma de peroxidação lipídica. Outro problema da rifampicina envolve a baixa concentração local de ação para um tratamento eficaz. O dry powders para inalação tanto da rifampicina original como do Rif-OSIL mais promissor foram produzidos através de Supercritical CO2-assisted Spray Drying e depois foram testados num Andersen-Cascade Impactor para avaliar as propriedades aerodinâmicas. Foram utilizados dois protocolos, um dos quais produziu pós capazes de atingir os alvéolos, nos quais ocorre a infeção por Mycobacterium tuberculosis. Este trabalho abre boas perspetivas para a utilização de Rif-OSILs como estratégia terapêutica sustentável e mais eficaz para o tratamento da tuberculose.