Development of advanced nanoparticulate drug delivery systems for protective functions of the teeth

Etter mange år med god tannhelse i Norge og resten av verden, ser det ut til at nedgangen i karies har stagnert. Dagens barn drikker mer jus og ikke minst cola enn før, og begge deler har skadelig effekt på tennene. Andre kilder rapporterer om økende grad av slitasjeskader og erosjon av tennene. Ifølge Verdens helseorganisasjon er det fortsatt dårlig tannhelse i ulike samfunnsgrupper i både i-land og u-land på tross av en generell forbedring av verdens tannhelse. Det er vist at fluor er svært effektivt i den forebyggende behandlingen av karies. Tannkrem med fluor er viktig for å opprettholde en god tannhelse i befolkningen. Det viktigste ved den forebyggende behandlingen er at fluor binder seg til tennene. Det vil i tillegg være en stor fordel om det er en kontinuerlig tilførsel av fluor over en lengre tidsperiode. Da kan mer fluor bindes og tennene forsterkes ytterligere. En av utfordringene ved utviklingen av et nytt administrasjonssystem til munnhulen er utskillelsen av spytt. Fluor som ikke har bundet seg til tennene vil bli svelget ned med spyttet og mister dermed sin mulighet til å styrke tennene. Samtidig er spytt en viktig faktor for å opprettholde en god tannhelse. I dette prosjektet har vi jobbet med å utvikle et nytt administrasjonssystem basert på nanopartikler, som skal kunne gi befolkningen bedre tannhelse. Nanopartikler er sfæriske enheter med en størrelse i nanometerområdet (10^-9m). Nanopartiklene har stor overflate og kan gjøres bioadhesive. Bioadhesive partikler kan feste seg til en overflate, i dette tilfellet, tennene eller munnhulen. Ved at partiklene fester seg i munnen vil de ikke svelges ned sammen med spyttet. Dette vil utgjøre en stor fordel sammenlignet med de preparatene som allerede finnes på markedet. I dette prosjektet har vi prøvd å utvikle partikler som kan beskytte tennene ved to ulike tilnærminger. En direkte tilnærming; utvikling av partikler med fluor som kan forhindre demineralisering av emaljen og en indirekte tilnærming; utvikling av partikler som kan fukte slimhinnen i munnen og etterligne spytt. Med tanke på den direkte tilnærmingen har vi laget og karakterisert biopolymerbaserte nanopartikler. Biopolymerer er langkjedede strukturer som er utvunnet fra for eksempel tang, krabbe- sitron- og epleskall. Biopolymerene kanne danne nanopartikler om de kryssbindes med ioner med motsatt ladning. Partiklenes reaksjon med kunstig spytt samt giftigheten til partiklene har blitt undersøkt. Dette for å forstå hva som skjer når partiklene kommer inn i munnhulen. Studien viste at partiklene som var minst giftige var de som ble mest påvirket av det kunstige spyttet. Allikevel kan de utviklede partiklene ha et potensial men de må optimaliseres. Små mengder fluor ble lastet inn i partiklene. Det er tidligere vist at kun små mengder forhøyet fluornivå i munnen vil signifikant redusere antall hull. Dette betyr at mengden fluor som er kapslet inn i våre partikler kan være tilfredsstillende, men det må gjøres videre studier for å undersøke dette. Fluor lekket sakte ut av partiklene. Dette kan være gunstig for å opprettholde et økt nivå av fluor i munnen over tid. I tillegg var frisettingen høyest når pH var lav og etterlignet et syreangrep. Det ble undersøkt om partiklene med fluor kunne feste seg til hydrokysapatitt, en modellsubstans for tenner. Det viste seg at partiklene hadde god klebeevne. For den indirekte tilnærmingen ble det antatt at liposomer kunne være godt egnet. Grunnen til dette er at liposomer ligner på spytt. Liposomer er sfæriske partikler og består av en dobbeltmembran med fettmolekyler som omkranser et hulrom. Hulrommet kan inneholde legemidler eller væske. Både nakne liposomer og liposomer dekket med biopolymerer ble undersøkt. Det viste seg at begge typer nanopartikler hadde evnen til å klebe seg både til celler som skulle etterligne cellene i munnslimhinnen samt hydroksyapatitt. Mengden partikler som klebet seg fast var avhengig av ladningen på partiklene. Partikler med positiv ladning klebet seg best. Dersom de utviklede partiklene skal være effektive for beskyttelse av tenner må de i tillegg til å feste seg til cellene i munnhulen også kunne avgi fuktighet. For å måle mengden fukt partiklene inneholder ble det utviklet en ny metode. Først ble to ulike formuleringer testet ved hjelp av den nye metoden; liposomer og en løsning av den hydrofile biopolymeren pektin. Denne ble brukt som en referanse da produktene som finnes på markedet er basert på hydrofile polymerer. Studien viste at liposomer kan være egnet til å sakte lekke ut vann. Deretter ble liposomene som var dekket med biopolymerer undersøkt. Denne typen partikler viste seg å være enda mer gunstig enn nakne liposomer da formuleringen kunne ta opp og gi fra seg enda mer vann. Basert på de ulike studiene som har blitt utført kan det konkluderes med at nanopartikler har et stort potensial for beskyttelse av tenner.

According to WHO dental caries and periodontal diseases have historically been considered the most important global oral health burdens. In the current project drug loaded bioadhesive nanoparticles will be developed and evaluated for their potential prote ctive functions of the teeth focusing on dental caries and dental erosion. In order to protect the teeth from these complications, a moderate to high saliva production is important to lubricate the teeth, but also a supply of fluoride is important. In t his project we will investigate the possibility of protecting the teeth by both a direct approach and an indirect approach. Concerning the direct approach, the drug delivery system should be bioadhesive and adhere directly to the dental enamel, the oral b iofilm or the oral mucosa and deliver fluoride in a controlled and sustained manner. Concerning the indirect approach the drug delivery system should be able to rehydrate the oral mucosa and by such reduce the tendency for dry mouth. If bioadhesive nanopa rticles are successfully produced and meet both the criterion outlined, there will be a dual action and greater possibility to reach the ultimate goal of protecting the teeth. The project strategy is to combine our knowledge of designing drug delivery sy stems (pharmaceutics and biopharmaceutics) with physics (bioimpedance) and develop new advanced drug delivery systems with protective functions of the teeth (dentistry). This will be realized with three scientifically work packages. WP1: Production, enca psulation of the active drug and characterization of the nanoparticles, followed by an investigation of the drug release from the particles and in vitro stability. WP2: Investigate the bioadhesive properties of the nanoparticles and their potential in de creasing caries and erosion of the teeth i.e. the direct approach. WP3: Investigate the mucoadhesive and the rehydrating properties of the nanoparticles towards the oral mucosa i.e. the indirect approach.