Studio e sperimentazione

Studio e sperimentazione
■ Luana Perioli - Dip. di Chimica e Tecnologia del Farmaco – Università degli Studi di Perugia
■ Michele Sisani - Prolabin & Tefarm – Spin-Off dell’Università degli Studi di Perugia
Veicolazione
di acido azelaico
con argille anioniche
Questa piccola molecola (INCI name: azelaic acid) possiede
molteplici attività e viene impiegata con successo in molte
formulazioni cosmetiche e dermatologiche contro acne,
rosacea, macchie cutanee e caduta dei capelli
L’
acido azelaico è un acido
dicarbossilico saturo, poco
solubile in acqua, presente in natura in vari cereali
(frumento, orzo, segale) e
nell’olio d’oliva, specie se irrancidito. Può
essere normalmente presente anche sulla
pelle umana in quanto prodotto da Malassezia furfur, un lievito presente nella flora
cutanea della maggior parte di esseri umani
adulti.
Acne
L’acido azelaico è usato per trattare forme
lievi o moderate di acne, sia infiammatorio
che con presenza di comedoni. È in grado
di ridurre la crescita dei batteri nel follicolo
(Propionibacterium acnes e Staphylococcus epidermidis), di svolgere attività cheratolitica e comedolitica normalizzando la crescita delle cellule follicolari. Inoltre presenta
una buona attività di radical scavenger (anti
radicali liberi) che è interessante non tanto
per il possibile impiego come anti-aging,
ma perché contrasta l’infiammazione che
spesso accompagna l’acne [1].
Rosacea
Anche in questo caso l’uso di acido azelaico è riservato al trattamento cosmetico di
forme lievi. Viene impiegato, generalmente,
per via topica sottoforma di gel soprattutto
al fine di lenire l’infiammazione.
Macchie cutanee
Sicuramente l’attività “antimacchia” dell’acido azelaico è quella più conosciuta e sfruttata
per mettere a punto numerosi prodotti topici
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Malassezia furfur.
da utilizziare nel trattamento del melasma
o di lentiggini per esempio lasciate da stati
acneici [1]. Il melasma o “pelle macchiata”
è la più frequente condizione d’ipermelanosi
acquisita della cute e colpisce soprattutto il
sesso femminile. Le sue cause possono essere molteplici e tra queste le più frequenti sono gravidanza (maggior produzione di Melanocyte Stimulating Hormone), disturbi ormonali, uso di farmaci (contraccettivi orali,
diuretici, antipertensivi), che possono essere
causa di fototossicità o fotosensibilizzazione
allergica, consumo di particolari alimenti,
soprattutto di origine vegetale, radiazioni solari o semplice invecchiamento della pelle.
Il principale trattamento del melasma è rappresentato dal peeling chimico, che risulta
tanto più efficace quanto più superficiale e
recente è la macchia cutanea. Generalmente
si usa un cocktail di ingredienti attivi con
attività idratante (alfa e beta idrossiacidi),
esfoliante (acido glicolico, acido salicilico
ecc.) e con effetto schiarente (acido azelaico, arbutina, acido cogico, estratti di liquirizia ecc.) in modo da interagire con la produzione di melanina. L’acido azelaico riveste un
ruolo di primo piano tra i depigmentanti [2].
Esercita un’azione inibitoria nei confronti
della tirosinasi, enzima chiave per la sintesi
di melanina, e grazie a questa sua azione specifica risulta efficace, soprattutto a livello dei
melanociti iperattivi (atipici), risparmiando
quelli normali [1].
ormoni androgeni, soprattutto in individui geneticamente predisposti. In questa
condizione la concentrazione dell’enzima
5-alfa reduttasi, che converte il testosterone
in diidrotestosterone, a livello del follicolo
gioca un ruolo fondamentale ed è ritenuta la
principale responsabile dell’insorgenza della
calvizie. Gli studi condotti da Stamatiadis et
al. [3] hanno dimostrato che l’acido azelaico possiede un’elevata attività inibitoria nei
confronti dell’enzima 5-alfa-reduttasi. In particolare, a livello del bulbo pilifero, è stato
osservato che il metabolismo del testosterone
risulta modificato e l’ormone non alimenta
la sintesi di diidrotestosterone, ma si ossida
ad androstenedione ed estrone con conseguente effetto stimolante sulla crescita del
capello. Quest’attività sembra essere potenziata dall’associazione di acido azelaico con
piridossina, zinco e vitamina B6.
Inoltre, le contemporanee attività di antibatterico, antinfiammatorio, coadiuvante nei disordini della cheratinizzazione e antiradicali
liberi lo rendono un buon principio attivo da
inserire in trattamenti volti a combattere la
calvizie.
Applicazione cosmetica: acido
azelaico e problematiche
formulative
Figura 1
Ci sono in commercio varie formulazioni per
l’applicazione topica di acido azelaico che
talvolta produce effetti indesiderati, come
Perdita dei capelli
L’alopecia androgenetica, la più comune
causa della “perdita” di capelli sia nell’uomo sia nella donna, è legata all’azione degli
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Figura 2
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Figura 3
per esempio irritazione cutanea, che si manifesta con formicolio o pizzicore, rossore,
secchezza e peeling cutaneo. Soprattutto
quando si utilizzano lozioni a base di acido
azelaico è generalmente raccomandato di
non esporre la parte trattata (es. cuoio capelluto) al sole per evitare fotosensibilizzazione
cutanea. Questi problemi sono ovviamente
dipendenti dalle caratteristiche dell’attivo
ma anche dal fatto che tutte le formulazioni
disponibili sono preparazioni tradizionali
che, una volta applicate sulla zona interessata, non sono in grado di modulare il rilascio dell’attivo ma lo rendono disponibile,
tutto e subito, a venire in contatto con la
pelle. Altro problema, che si presenta in fase di applicazione, è rappresentato dai pro-
Propionibacterium acnes.
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blemi di solubilità dell’acido azelaico che è
poco solubile in acqua e quindi difficile da
disciogliere o disperdere finemente in formulazioni idrofile. Quando viene disperso,
anche in formulazioni che presentano una
fase lipofila, si presenta comunque in forma
di aggregati abbastanza grandi che, applicati
sulla pelle, risultano poco disponibili a interagire con le strutture biologiche (bassa
biodisponibilità locale).
Impiego di argille
anioniche (idrotalciti)
Il presente studio vuole risolvere queste problematiche e propone l’impiego di idrotalcite
(HTlc), matrice inorganica lamellare appartenente alla famiglia delle argille anioniche
e ampiamente studiata e utilizzata sia per
formulazioni farmaceutiche che cosmetiche [4,5]. A questo scopo e per la sinergia
che può esistere tra acido azelaico e zinco,
è stata scelta un’idrotalcite a base di idrossidi di zinco e alluminio in forma nitrato
(ZnAl-HTlc-NO3) avente la seguente formula Zn4Al2(OH)12(C9H15O4)2 ×3H2O. Questa si
presenta come una polvere microcristallina bianca di aspetto e consistenza simile al
talco e con struttura lamellare organizzata
a strati. Ogni singola lamella che compone
il cristallo è costituita dal concatenarsi di
idrossidi di metalli bivalenti (zinco) e trivalenti (alluminio). La presenza di metalli
trivalenti (alluminio) conferisce agli strati
un eccesso di carica positiva, che costituisce la driving force per attirare degli anioni
nella regione interlamellare. L’impilamento
e la stabilizzazione degli strati permettono
la costruzione di una struttura multi lamellare altamente organizzata. Lo ione nitrato
(in questo caso) che si trova tra le lamelle è
facilmente rimovibile e, a seguito di scambio
ionico (fig. 2) con altri anioni anche di natura
e dimensioni diverse, permette l’inserimento
di ingredienti attivi tra le lamelle [4,6], come
l’acido azelaico. All’analisi di diffrattometria
di raggi X da polveri (XRPD) questa HTlc
in forma nitrato mostra delle “gallerie” che
hanno un’altezza di circa 8.9 Å. Quando avviene lo scambio tra lo ione nitrato e l’acido
azelaico (azelato in forma ionica), che ha
dimensioni maggiori del nitrato, l’altezza
della galleria aumenta passando a 17.3 Å
(figg.2 e 3). A seguito del contatto tra l’idrotalcite in questione e acido azelaico disciolto in soluzione acquosa (azelato), si ha uno
scambio ionico che porta all’intercalazione
dell’azelato tra le lamelle. Si forma, quindi, il
Staphylococcus epidermidis.
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composto ZnAl-HTlc-azelato che è un ibrido
(inorgano-organico) in cui la fase esterna, o
host, è rappresentata dall’idrotalcite inorganica e la fase interna, o guest, dall’acido azelaico in forma molecolare. Dall’analisi termo
gravimetrica (TGA/DTA) è stato possibile
calcolare la quantità di attivo intercalata tra
le lamelle e il carico di azelaico è risultato
essere del 38% in peso, carico molto elevato
se comparato ad altri sistemi di veicolazione
di ingredienti attivi.
Rilascio di acido azelaico
dall’idrotalcite
Lo scambio ionico, responsabile dell’intercalazione dell’attivo nella matrice lamellare,
è anche alla base del meccanismo del suo
rilascio. Quando il complesso host-guest si
trova in contatto con anioni, che presentano affinità per gli strati dell’idrotalcite, inizia
un nuovo scambio grazie al quale il nuovo
anione che entra gioco andrà a sostituirsi a
quello presente tra le lamelle “spiazzandolo” e, quindi, provocandone la fuoriuscita.
Quando una formulazione viene applicata
sulla pelle, il rilascio viene attivato dall’esposizione all’aria (anidride carbonica e umidità/carbonato) e dagli ioni presenti sullo stato epidermico come carbonati, bicarbonati,
cloruri, acidi organici e costituenti vari del
film idrolipidico. Per eseguire correttamente
dei saggi di rilascio è stato necessario mettere a punto un esperimento in vitro stabilendo con attenzione le modalità di esecuzione
ponendo attenzione a: geometria del sistema
di rilascio, fluidi accettori, condizioni sink,
metodo analitico per la valutazione quantitativa del farmaco rilasciato, durata del test
e tempi a cui effettuare prelievi dei campioni. Per quanto riguarda la scelta del fluido
accettore, sono stati scelti una soluzione di
K2CO3 0.025 N (7), per mimare l’effetto dell’anidride carbonica quando la formulazione
è esposta all’aria, e un tampone fosfato a
pH 5.5 (FU XI), per mimare il pH della pelle. La valutazione del rilascio dell’attivo è
stata effettuata con la spettroscopia XRPD
su campioni prelevati a intervalli regolari e
prestabiliti.
Nel primo test di rilascio, effettuato in soluzione di carbonato di potassio, i campioni
sono stati monitorati analizzando il riflesso realtivo all’azelato (fig. 4A) e quello del
carbonato (fig. 4B). Durante il contatto del
prodotto di intercalazione con la soluzione
di carbonato avviene lo scambio azelato/car-
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Figura 4
bonato, ovvero gli ioni carbonato entrano tra
le lamelle e contemporaneamente una certa
quantità di ioni di azelato esce in modo da
mantenere l’elettroneutralità sia del solido
che della soluzione. Il fenomeno è ben evidenziabile dall’analisi contemporanea delle
due figure 4A e 4B che mostrano come al decrescere del riflesso dell’azelato corrisponda il crescere del riflesso del carbonato. È
anche evidente che il riflesso dell’azelato,
ancora netto dopo un’ora, diminuisce pro-
porzionalmente al tempo di contatto fino a
scomparire dopo 8 ore. A questo tempo, viceversa, corrisponde il massimo del segnale
del carbonato.
In modo analogo è stato condotto il test di
rilascio in tampone fosfato a pH 5.5, tampone che oltre a contenere ioni fosfato
contiene anche una parte di ioni carbonato
in quanto è stato preparato con acqua non
distillata. In figura 5, quindi, sono mostrati i
riflessi relativi all’azelato (A), al fosfato (B)
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e al carbonato (C). Anche in questo caso il
test è stato condotto per otto ore durante le
quali è stato possibile evidenziare il rilascio
dell’azelato tramite scambio ionico. L’analisi
comparata delle tre figure permette di osservare il graduale rilascio dell’attivo (5A)
durante tutto il periodo, a cui contribuiscono
sia il fosfato (5B) che il carbonato (5C) i cui
riflessi aumentano progressivamente.
Questo dimostra chiaramente che l’idrotalcite scelta è idonea a “contenere” l’acido azelaico e rilasciarlo gradatamente nel tempo.
Vantaggi derivanti dall’impiego
di idrotalciti
Figura 5
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Dal punto di vista chimico fisico, il guest
(acido azelaico) è omogeneamente disperso
nell’host idrotalcite ed entrambi mantengono le loro identità chimiche, le molecole di
guest si dispongono in modo ordinato all’interno dell’host formando uno strato “quasi
liquido” ovvero uno stato non aggregato che
assomiglia a quello liquido, anche a causa
della relativa mobilità all’interno della regione interstrato. Nel momento del rilascio ciò
consente la liberazione dell’attivo in forma
molecolare migliorando sicuramente le caratteristiche di solubilizzazione, dispersione
ed emulsionamento e quindi la biodisponibilità locale. La differenza tra una formulazione contenente l’ingrediente attivo da
solo e una contenente l’attivo intercalato in
idrotalcite consiste nel fatto che nel secondo
caso è assente la forma cristallina insolubile
e che l’attivo, via via liberato dalla matrice
inorganica, viene rilasciato in forma molecolare, forma che lo rende facilmente e omogeneamente dispersibile sulla pelle e capace di
penetrare tra i corneociti. L’argilla ZnAl-HTlc
non ha solo una funzione di “contenitore”
che stabilizza e controlla il rilascio dell’attivo ma svolge anche numerose altre funzioni
sia nei confronti della zona di applicazione
(pelle) che nei confronti della formulazione
di cui entra a far parte e quindi della compliance dell’utente. Nei confronti della pelle
svolge azione eudermica, protettiva, lenitiva, riparatrice, adsorbente e antilucido ed è
quindi indicata per formulazioni destinate
anche a pelli sensibili, impure, grasse e demineralizzate. Tutte queste attività, largamente
descritte in pubblicazioni scientifiche, rendono quindi ZnAlHTlc interessante anche
sotto il profilo funzionale in quanto queste
attività possono essere coadiuvanti dell’attivo come, nel caso specifico dell’acido aze-
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laico. Oltre alla sinergia di azione host-guest
nei confronti del trattamento cosmetico per
cui la formulazione sarà indicata, è possibile
inoltre individuare un altro effetto positivo
esplicato dall’host nei confronti della pelle e
quindi della compliance dell’utente. Spesso
molti ingredienti attivi, tra cui acido azelaico, sono irritanti sulla pelle (bruciore).
Nel caso dell’impiego del prodotto idrotalcite/acido azelaico questo effetto sgradevole
sarà evitato o comunque fortemente ridotto
grazie a un duplice meccanismo: l’inclusione
dell’attivo nell’host evita il contatto diretto
della pelle con la quantità totale di acido
azelaico presente nella formulazione (sarà
ceduto gradualmente), l’host ha un’azione
lenitiva.
Inoltre, la presenza d’idrotalcite nella formulazione cosmetica risulta essere un valore
aggiunto sia in formulazioni sottoforma di
polveri (ombretti, ciprie, fard, polveri aspersorie) che liquide o semisolide (creme, geli,
emulgel, paste ecc).
Nel caso di polveri il suo contatto diretto
con la pelle consente di esplicare le attività
precedentemente elencate (eudermica, protettiva, lenitiva, adsorbente e antilucido) e le
sue dimensioni micrometriche rendono sicura l’applicazione in quanto le particelle non
saranno in grado di penetrare nelle cellule.
Nel caso di formulazioni liquide o semisolide
i vantaggi legati alla presenza dell’host lamellare, noto agente reologico (8, 9) in grado di
controllare la viscosità, sono riscontrabili sia
in termini di usability che di conservazione
del prodotto finito. Queste matrici host, infatti, influiscono sulle proprietà reologiche
del prodotto migliorandone le performances
(estrudibilità, scorrevolezza e spalmabilità).
Grazie alla sua presenza nella formulazione
anche veicoli rigidi dal punto di vista strut-
turale (microstruttura), poco scorrevoli e
con un comportamento plastico assumono
un comportamento pseudoplastico tissotropico. Ciò significa che le formulazioni non
presentano un limite di scorrimento (al di
sotto del quale non scorrono), risultando
maneggevoli e gradevoli per l’utilizzatore.
Inoltre, si mostrano abbastanza viscose in
condizioni di riposo, proprietà desiderabile
in fase di conservazione al fine di evitare
fenomeni di separazione di fase o di sedimentazione, e diminuiscono la loro viscosità
a seguito di sollecitazioni, caratteristica desiderabile in fase di estrusione/prelevamento
e applicazione.
Conclusioni
La formulazione di prodotti cosmetici e dermatologici a base di acido azelaico è stata
accuratamente studiata, al fine di ottenere
delle formulazioni efficaci e sicure nell’impiego. Sono state proposte e realizzate
numerose strategie formulative che prevedono il suo inserimento (incapsulazione)
in strutture supramolecolari (vescicolari e
particellari) come liposomi, niosomi, etosomi, nanosomi, microcapsule, microsfere,
nanoparticelle, ciclodestrine, SLN ecc., ma
l’approccio idrotalcite/azelaico sembra essere molto vantaggioso rispetto agli altri in
quanto è: meno costoso (cheap); presenta
un’elevata percentuale di carico di ingrediente attivo (high loading); è realizzato con
metodi che non prevedono l’uso di reagenti
organici inquinanti e/o tossici (ecofriend);
la produzione è scalabile; l’host modula il
rilascio dell’attivo permettendo un rilascio
protratto (long lasting); il rilascio non immediato e l’attività lenitiva dell’host mitigano/
eliminano gli effetti sgradevoli (bruciore,
pizzicore) dell’attivo; host e guest hanno attività sinergica; l’host non apporta materiale
indesiderato per la pelle, anzi svolge funzioni
positive; l’host migliora la scorrevolezza, la
compattabilità e la stabilità delle formulazioni finali (polveri o compatti); l’host migliora
la stabilità e l’usability delle formulazioni
finali (semisolide).
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