Avan

1
Avanços da Nanotecnologia Farmacêutica-1
aula-2 (12/03/08) qf-933

• Prof. Dr. Nelson Durán
• MSc. Priscyla D. Marcato
• MSc. Zaine Teixeira
• IQ-UNICAMP

2
NANO (anão)
1 nm 10-9 m
3
ALGUMAS DICAS

• Rede de Nanobiotecnologia (www.nanobiotec.iqm.uni
  camp.br)
• Google MIT OpenCourseWare
• (vários cursos completos)
• MIT OpenCourseWare BE.4625
• (curso Molecular Principles of Biomaterials)
• Conferencia(http//www.ranf.com/pdf/discursos/nume
  ro/vila.pdf)
• Rawat et al. Nanocarriers... Biol. Pharm. Bull.
  29, 1790 (2006).
• Kayser et al. The Impact of nanobiotechnology...
  Current Pharm. Biotechnol. 6, 3 (2005).

4
3,5 bilhões de anos atrás - Células possuem
biomáquinas nanométricas que têm funções como
manipulação de material genético e suprimento de
energia.
Os químicos Sintetizam polímeros (grandes
cadeias de moléculas feitas de minúsculas
unidades nanoescalares- monômeros) há muitas
décadas
5
NANO X MACRO

• Abaixo de 100 nm as propriedades físicas e
  químicas mudam
• Aumento da área superficial maior reatividade,
  maior penetração em células
• Novas propriedades óticas, elétricas e magnéticas

6
NANO X MACRO
7
NANO X MACRO
8
NANOBIOTECNOLOGIA É MULTIDISCIPLINAR
9
Rotas de administração de ativos

• Oral

• Nasal

• Parenteral (intravenosa,
• intramuscular, subcutânea)

• Dérmica

• Oftálmica

10
QUAL É A FUNÇÃO DOS ATIVO (FÁRMACO OU COSMÉTICO)
NA ÁREA ESPECIFICA DE ATUAÇÃO?
O FÁRMACO DEVE ATINGIR UM ALVO DEFINIDO
COM EXATIDÃO
CONTROLAR O MECANISMO DE PENETRAÇÃO DO FARMACO
CÉLULAS OU TECIDOS
11
MAGIC BULLET (Paul Ehrlich)
OS ATIVOS ESTÃO LONGE DESTE DESENHO
O ATIVO É LOCALIZADO DE FORMA PRECISA NO ALVO E
NO EXATO LOCAL DA AÇÃO
NANOTECNOLOGIA
12
NanoBioTecnologia

• Encapsulamento de ativos (drug delivery)
• Biosensores
• Máquinas e dispositivos Moleculares
• Implantes médicos
• Engenharia de tecidos
• Descoberta de novos medicamentos

13
SISTEMA DE LIBERAÇÃO SUSTENTADA

• O princípio ativo é encapsulado em espécies
  coloidais como lipossomas, nano e micropartículas
  poliméricas ou lipídicas sólidas
• O princípio ativo pode estar associado a
  nanopatrículas metálicas e nanotubos de carbono

Nanopartículas diâmetro ? 1?m Micropartículas
diâmetro gt 1 ?m
14
Vantagens

• Melhora a estabilidade física e química de
  ativos
• Melhorar a biodisponibilidade
• Mantém o efeito do fármaco no tecido alvo
• Solubilizar ativos lipofílicos
• Minimiza os efeitos colaterais
• Reduz a toxicidade
• Diminui o número de doses/aplicações

15
LIBERAÇÃO SUSTENTADA
Convencional Liberação ordem zero
Efeitos adversos Níveis tóxicos Faixa
terapéutica Concentração Min. efetiva Sem efeito
Níveis Plasmáticos
Tempo/dosagem administrada
16
Nanoemulsões
Dendrímeros
Ciclodextrina
17
Lipossoma
Nanopartículas Poliméricas
Nanopartículas Lipídicas Sólidas
Nanopartículas Metálicas
Fulerenos
Nanotubo de Carbono
18
Preparação e Caracterização de Nanopartículas no
Encapsulamento de Ativos/Fármacos
19
Top-Down X Bottom-Up
http//www.barrettresearch.ca/teaching/nanotechnol
ogy/nano06.htm
20
Encapsulamento e liberação de ativos Método
Botton-Up através de moléculas auto-organização
de moléculas em solução aquosa
21
Moléculas anfifílicas Reúnem dois grupos com
polaridades ou solubilidades opostas
lipídeos, surfactantes, proteínas
22
Estruturas de algumas moléculas anfifílicas
típicas
(Surfactantes não-iônicos)

Alquilssulfato (surfactante aniônico)
Sal de amina graxa (surfactante catiônico)
Betaína (surfactante anfotérico)
Polimeros em bloco
fosfatidilcolina (fosfolipídios)
23
EMULSÕES
Aula 2
24
Emulsão

• É uma dispersão, na qual as fases são líquidos
  imiscíveis ou parcialmente miscíveis. Neste
  sistema tem-se uma fase finamente dividida
  (dispersa ou interna) em uma outra fase (contínua
  ou externa), na presença de surfatante (agente
  emulsificante).
• Classificação (tamanho das partículas da fase
  dispersa)
• MACROEMULSÕES - gt400 nm
• MINIEMULSÕES 100 a 400 nm
• MICROEMULSÕES - transparentes, lt 100 nm
• MÚLTIPLAS a partícula dispersa já é uma emulsão

De Azevedo, 2004
25
Exemplos de tipos de emulsões
A O
O A
A/O
A A/O
De Azevedo, 2004
26
Emulsão A/C
Emulsão múltipla A/O/A
H2O / óleo de parafina / emulsificador (copoliol
cetildimeticona, lipofílico), A/O
H2O / CO2 (l ou supercrítico) / emulsificante
Neste caso não é qualquer emulsificante, tem que
ter boa solubilidade em CO2 com fracas forças
de dispersãodas cadeias (perfluoropoliéter) CF3
(O-CF2- CF (CF3)n- (O-CF2)-COO- NH4
Gota a gota, rpm
H2O /emulsificador (SDS, hidrofílico), espessante
(poli ácido acrílico),A
De Azevedo, 2004
27

• Conceito de tensão interfacial
• Forças de dispersão (as chamadas forças de
  London)flutuações
• Presença de momentos de dipolo instantâneos
  inerentes às moléculas, que se reorientam o tempo
  todo
• Os momentos de dipolo de moléculas vizinhas são
  correlacionados e em decorrência,moléculas
  vizinhas sempre se atraem
• Existe uma energia superficial decorrente da
  existência destas forças intermoleculares,
  particularmente de dispersão

De Azevedo, 2004
28

• Conceito de tensão interfacial
• Em conseqüência das forças intermoleculares,
  moléculas sempre se atraem e a tendência é a
  minimização da área superficial espontaneamente
  (variação da energia livre superficial ou
  interfacial com a variação de área)

A é a área de contato entre as fases
(Processo de aumento da superfície de um líquido)
De Azevedo, 2004
29

• INSTABILIDADE
• 2 líquidos imiscíveis puros não podem formar
  uma emulsão
• A tensão interfacial de valor alto representa uma
  energia livre interfacial alta, decorrente do
  aumento na área de contato entre as fases
• O sistema é instável termodinamicamente, se
  comparado à área mínima que se conseguiria entre
  as duas fases quando separadas.
• De Azevedo, 2004.

30
A maior parte dos sistemas que interessam são
metaestáveis ( A energia livre do sistema tende a
diminuir, mas este sistema é mantido no mesmo
estado por uma barreira de ativação)
Esta metaestabilidade está intimamente
relacionada à presença de moléculas anfifílicas
(surfatantes) na interface.
(O/A, interface)

• Adsorve na interface L-L como um filme
  interfacial orientado
• Provoca abaixamento da tensão interfacial, o que
  leva à diminuição na energia livre interfacial
• Isto permite uma maior área de contato entre as
  fases

• água

• óleo

• óleo

óleo

• interface

De Azevedo, 2004
31
Instabilidade física das emulsões
Mecanismos

• Floculação , sedimentação (creaming)

reversível
irreversível

• Coalescência

Mecanismos
Irreversível quebra

• Envelhecimento de Ostwald,
• separação de fases

De Azevedo, 2004
32
Instabilidade Física das emulsões
De Azevedo, 2004
33
Mecanismos de estabilizaçãodas gotas

• Abaixamento da tensão interfacial A formação da
  emulsão é mais fácil, mas existem outros fatores
  de estabilidade

• Estérica força repulsiva entre as cadeias
  (tamanho e solvente)La Mer floculação x
  coagulação

• Eletrostática carga do surfactante, adsorção de
  contra-íons.Repulsão governada pelo overlap
  entre as camadas difusas (potencial de Stern).

• Drenagem gera gradientes de surfatante mas há
  cura do filme

• Outros natureza do filme interfacial,
  viscosidade da fase contínua

De Azevedo, 2004
34
Estabilidade pela presença de partículas sólidas
A partícula irá permanecer no líquido que
molha melhor (ângulo de contato)
Para deslocar a partícula da interface é
necessário realizar trabalho

• Partículas de látex de poliestireno estabilizando
  uma gota de água
• na interface água/octano

De Azevedo, 2004
35
Ordenamento das partículas de látex de
poliestireno ( 2,6 ?m ) na interface água/octano
Organizadas em monocamada com empacotamento
hexagonal
A mesma monocamada, após compressão dobras e
filme pregueado.
Forças repulsivas laterais (originadas da carga
superficial das partículas) dá origem à
monocamada altamente organizada.
De Azevedo, 2004
36
Seleção do surfatante comoagente emulsificante
Método do HLB (balanço hidrofílico-lipofílico,
Griffin, 1949).
O tamanho relativo dos grupos determina a
curvatura preferida da interface, o que determina
a fase dispersa
Selecionar o surfatante ou uma combinação de
surfatantes
De Azevedo, 2004
hidrofilicidade
37
O/A x A/O
Jacob Israelachvili (University of California)
First World Congress in Emulsions, Paris, 1993
Hierarquia de forças e o tipo de estrutura
auto-organizada que estabiliza emulsões e
micremulsões ocupam um lugar especial, energia da
ordem de kT. Parâmetro de agregação crítica,
CPP Vap/ L A
38

• HLB é indicativo apenas do tipo de emulsão que
  pode ser esperada ,mas não é indicativo de sua
  eficiência (concentração requerida) ou de sua
  contribuição à estabilidade da emulsão
• Muitas maneiras de se calcular, ex HLB 20 M
  hidrofílico/ M hidrofílico M lipofílico
• (não-iônicos)

O SONHO Relacionar estrutura molecular do
surfatante com HLB
Exemplo Etoxilados, HLB13 mas acima de 80 0C
forma emulsão A/O
O PROBLEMA Não acompanha mudanças nas
condições (temperatura, co-surfatantes)
De Azevedo, 2004
39
Método de PIT

• Shinoda e Saito (1969) definiram PIT como a
  temperatura na qual uma emulsão O/A torna-se A/O
• Nesta temperatura as tendências hidrofílica e
  lipofílica do surfatante são perfeitamente
  balanceáveis.

De Azevedo, 2004
40
Diagramas de fase para o sistema
surfatante/óleo/água

• 3 diferentes tipos de diagramas de fase,
  dependendo dos valores relativos de energia de
  interação do surfatante com óleo ou água tie
  line seria horizontal para afinidades totalmente
  balanceadas

De Azevedo, 2004
41
Preparação de emulsões

• A formação e estabilidade de uma emulsão é
  afetada pela seqüência e metodologia de mistura (
  ex emulsificador adicionado em separado, mistura
  de todos os componetes)
• a energia introduzida influi no diâmetro das
  gotas
• forte tensão de cisalhamento pode levar a
  coalescência e polidispersidade (margarina O/W
  componente de aroma na fase dispersa)
• Métodos
• Métodos de micronização energia mecânica ao
  sistema, promovendo agitação dos 2 fluidos e do
  emulsificador (agitador)
• ultra-som produção repentina e subseqüente
  colapso das cavidades em um líquido crescimento
  da pressão local, subdivisão da gota (problemas
  de reprodutibilidade, controle dos núcleos de
  cavitação

42
Preparação de emulsões

• Métodos

• Inversão de fase O/A preparada de uma emulsão
  A/O (menor gasto energético)

• PIT pequenas gotas podem ser obtidas em T um
  pouco abaixo do PIT consegue-se uma menor tensão
  interfacial

43
Aplicação preparação de microesferas

SEM, elétrons secundários (topografia) A5000x
(clorofórmio)
De Azevedo, 2004
44
Emulsão múltipla na obtenção de microesferas para
vacinas de DNA
De Azevedo, 2004
45
Bibliografia-M.M.M.DE ACEVEDO(2004)
1 Rosen, M. J. Surfactants and Interfacial
Phenomena, John Wiley Sons New Yok, 1989,
304-336.2 Rosano, H. L., Gandolfo, F. G. e
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Inc. Boca Raton, USA, 1985.
46
FORMAÇÃO DE AGREGADOS POR MOLÉCULAS ANFIFÍLICAS
47
Surfactantes
Tensoativos ou agentes de superfície
48
Surfactantes em solução
cmc concentração micelar crítica faixa
estreita de concentração Aparecimento de
agregados (micelas)
Myers, 1999 Fendler, 1982
49
Tipos de Micelas
Jönsson e col., 1998
50
Número de Agregação

• Número de monômeros de surfactantes em cada
  micela no sistema aquoso
• constante em uma ampla faixa (100 vezes cmc)

? da concentração
Formação de diferentes tipos de agregados
organizados mesofases liotrópicas
Cristais Líquidos Liotrópicos
51
Efeito da temperatura sobre os tipos de agregados
formados por surfactantes não-iônicos (mesofases
termotrópicas)
Cristais Líquidos Termotrópicos
52
Vesículas ou lipossomas
multivesículas
Fendler e col. 1982
53
Parâmetro de crítico de empacotamento, p
Dependente da natureza do grupo polar e cadeia
hidrofóbica, concencentração, temperatura, pH
etc.
Rodríguez-Hernández e col., 2005
54
MICELAS
55
Preparação de Micelas
Gaucher e col., 2005
56
Modelos de Solubilização
Rangel-Yagui e col., 2005
57

• A introdução de moléculas ativas não muda
  significativamente o tamanho micelar.
• O método de preparação exerce influência sobre a
  quantidade encapsulada.

Lukyanov e Torchilin, 2004
58
Eficiências de Encapsulamento

• Métodos convencionais como HPCL, absorbância no
  UV/VIS, fluorescência.
• Comumente variam de 1,5-50.

Lukyanov e Torchilin, 2004
59
Técnicas de Caracterização

• Espalhamento de luz dinâmico (DLS).
• Espalhamento de luz estático (SLS).
• Espalhamento de nêutrons a baixos ângulos (SANS).
• Espalhamento de raios X a baixos ângulos (SAXS).
• Microscopia eletrônica de transmissão (TEM).

60
Espalhamento de luz dinâmico (DLS)

• Intensidade de luz espalhada por partículas em
  suspensão em movimento Browniano.
• DTkT/3??d
• cálculo do raio de hidratação, d (raio de Stokes)

Edwards e Baeumner, 2006
61
(No Transcript)
62
Espalhamento de luz estático (SLS)

• Tempo médio de espalhamento em função do ângulo.
• Informações sobre raio médio, massa molar e raio
  giratório.

Edwards e Baeumner, 2006
63
Espalhamento de Raios X a Baixo Ângulo (SAXS) e
Espalhamento de Nêutrons a Baixo Ângulo (SANS)

• Mede-se a intensidade de luz espalhada em função
  do ângulo de espalhamento.
• Interferências geradas por estruturas
  organizadas (seguem a lei de Bragg
  d?n/2?(1/sen?n)

Informações sobre tamanhos, formas e organizações
de partículas.
Linder e Zamb, 1991
64
Small Angle X-ray Scattering(SAXS)
http//srs.dl.ac.uk/arch/DALAI/SAXS.html
65
Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM)

• Feixe de elétrons incidentes que interagem com a
  amostra de diferentes formas

Informações sobre tamanhos, formas e organizações
de partículas.
66
Aplicações de sistemas micelares no carreamento
de bioativos

• PEG-b-PDLLA no encapsulamento do anticancerígeno
  Paclitaxel (formulação padrão com Cremofor EL,
  Taxol)
• Aumento da eficácia, diminuição de efeitos
  colaterais

Kim e col., 2004
67

• Micelas baseadas em PEG-PE foram modificadas com
  o mAb 2C5, sendo reconhecidas por diversos tipos
  de tumores, conforme estudos realizados no
  encapsulamento de paclitaxel.

Lukyanov e Torchilin, 2004 Gao e col., 2003
68

• Micelas de PEG-b-Phis foram relatados na forma
  micelar quando em pH fisiológico. A acidificação
  do meio aquoso provoca a ionização progressiva
  dos segmentos de Polihistidina (Phis), expondo as
  moléculas encapsuladas.

Gaucher e col., 2005 Lee e col., 2005
69
NANOPARTICULAS MICELARES COMERCIALIZADAS E EM
DESENVOLVIMENTO
FSDfemale sexual dysfunction PMH
post-menopausal hormone
Marcato and Durán, J. Nanosci. Nanotechnol. 2007
70
CRISTAIS LÍQUIDOS
71
Técnicas de preparação similares aos de
preparações de micelas.
Sagalowicz e col. 2006
72
Modelos de Solubilização
73
Técnicas de Caracterização

• Medidas de viscosidade
• Microscopia óptica com luz polarizada.
• Espalhamento de luz dinâmico (DLS).
• Espalhamento de luz estático (SLS).
• Espalhamento de nêutrons a baixos ângulos
  (SANS).
• Espalhamento de raios X a baixos ângulos (SAXS).
• Microscopia eletrônica de transmissão (TEM).

74
Microscopia óptica
Identificação das fases líquido cristalinos
devido a observação de diferentes texturas. Ex.
fase hexagonal apresenta textura do tipo
leque. fase cúbica (isotrópica).
75
Microscopia óptica exemplos de texturas
fase líquido cristalina lamelar
fase líquido cristalina hexagonal
76
Micrografias por cryo-TEM de uma fase
hexagonal reversa (b) fase cúbica hexagonal
reversa de uma dispersão de Dimodan U (c),
vesícula a partir de uma fase lamelar a
partir de uma mistura de Dimodan U e lactato de
sódio esteárico (d) dispersão de micela
de solução de polissorbato 80 (e).
Sagalowicz e col. 2006
77
Aplicações

• Ciclosporina A, um peptídeo altamente lipofílico
  empregado no tratamento de inflamações dérmicas,
  foi encapsulado em fases cúbicas e hexagonais de
  monoleína, sendo que foi observado um aumento da
  permeação cutânea, além da diminuição da
  irritação.

Lopes e col., 2006
78
Aplicações

• Furosemida como fármaco modelo em sistema
  líquido cristalino para aplicação oral. Foi
  obtida uma fase cúbica de monoleína que aumentou
  a biodisponibilidade do medicamento, além de
  promover uma liberação sustentada.

Sallam e col., 2002
79
LIPOSSOMAS
80
Preparação de lipossomas
Lipossomas MLV, SUV, LUV
81
Preparação de lipossomas
Lipossomas MUV, SUV, LUV
(http//www.avantipolarlipids.com/PreperationofLip
osomes.html) jun/2006.
82
Modelos de Solubilização
Fendler, 1982
83
Caracterização de lipossomas

• Número de lamelas
• Distribuição de tamanhos
• Composição e concentração de lipídios, além da
  eficiência de encapsulamento

84

• Número de lamelas
• 31P NMR (adição de Mn2 que suprime o sinal P)
  NMR dos fosfolipídeos da face externa dos
  lipossomas.
• SAXS
• Cyo-TEM

• Distribuição de Tamanhos
• DLS
• SLS
• HPLC-GEC-high-performance gel exclusion
  chromatography

85

• Conteúdo de fosfolipídios
• Métodos colorimétricos
• NMR
• HPLC

• Outras caracterizações
• DSC na interação ativo/membrana
• NMR na organização das vesículas

86
Possibilidades de interações
Chorilli e col., 2004
87
Limitações da Primeira Geração de Lipossomas
88
Segunda Geração de Lipossomas Stealth
Janof, 1999 Villanova e Consiglieri, 2000
89
Exemplo
injeção em tumores sólidos, de maneira a reduzir
efeitos colaterais e aumentar a citotoxicidade
local. Após a injeção tumoral aproximadamente 90
dos lipossomas catiônicos permaneceram nos
tumores.
Hashida e col., 2005
90
Geração Atual de Lipossomas
91
Exemplos
Os Lipossomas funcionalizados com transferina
aumentaram a eficiência de transporte para as
células endoteliais capilares cerebrais de uma
droga modelo, através de receptores de
transferina, em comparação com as formulações sem
transferina.
Visser e col., 2006
92
Exemplos

• Lipídios galactosilados em lipossomas no
  encapsulamento da doxorubina promoveram
  direcionamento da droga para hepatócitos.

Wang e col. 2006
93
EXEMPLOS DE LIPOSSOMAS APROVADO PELA FDA
Marcato and Durán, J. Nanosci. Nanotechnol. 2007
94
PRODUTOS LIPOSSOMAIS EM FASE CLINICA I/II
APROVADA PELA FDA
Marcato and Durán, J. Nanosci. Nanotechnol. 2007
95
PRODUTOS LIPOSSOMAIS EM FASE CLINICA III E IV
APROVADA PELA FDA.
Marcato and Durán, J. Nanosci. Nanotechnol. 2007
96
ALGUMAS VACINAS LIPOSSOMAIS EM DIFERENTES FASES
CLÍNICAS
Marcato and Durán, J. Nanosci. Nanotechnol. 2007
97
OUTROS TIPOS DE AGREGADOS ORGANIZADOS DE
MOLÉCULAS ANFIFÍLICAS
98
Complexos de poliíons (PIC) no carreamento de
bioativos.
Yamamoto e col., 2001
99
Nanotubos de peptídeos
Hidrólise parcial de ?-lactalbumina na presença
de Ca2
Condições mais severas de hidrólise do que na
pasteurização
Graveland-Bikker and Kruif, 2006
100
THE EMERGING FIELD OF NANOTUBE BIOTECHNOLOGY C.
R. Martin and P. Kohli (NATURE REVIEWS DRUG
DISCOVERY, 2, 29 (2003).
101
Yu et al. Bioconjugate Chem. 16, 1484-1487 (2005)
102
Nanofibras de Oligopeptídeo
?Concentração
Globular e Filamentos ? Fibras
Fung e col., 2003
103
Bibliografia
Chorilli, M. Leonardi, G. R. Oliveira, A. G.
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