Title: Avan
1Avanços da Nanotecnologia Farmacêutica-1
aula-2 (15/08/07)
- Prof. Dr. Nelson Durán
- MSc. Priscyla D. Marcato
- MSc. Zaine Teixeira
- IQ-UNICAMP
2NANO (anão)
1 nm 10-9 m
3ALGUMAS 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).
43,5 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
5NANO 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
6NANO X MACRO
7NANO X MACRO
8NANOBIOTECNOLOGIA É MULTIDISCIPLINAR
9Rotas de administração de ativos
- Parenteral (intravenosa,
- intramuscular, subcutânea)
10QUAL 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
11MAGIC 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
12NanoBioTecnologia
- Encapsulamento de ativos (drug delivery)
- Biosensores
- Máquinas e dispositivos Moleculares
- Implantes médicos
- Engenharia de tecidos
- Descoberta de novos medicamentos
13SISTEMA 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
14Vantagens
- 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
15LIBERAÇÃO SUSTENTADA
Convencional Liberação ordem zero
Efeitos adversos Níveis tóxicos Faixa
terapéutica Concentração Min. efetiva Sem efeito
Níveis Plasmáticos
Tempo/dosagem administrada
16Nanoemulsões
Dendrímeros
Ciclodextrina
17Lipossoma
Nanopartículas Poliméricas
Nanopartículas Lipídicas Sólidas
Nanopartículas Metálicas
Fulerenos
Nanotubo de Carbono
18Preparação e Caracterização de Nanopartículas no
Encapsulamento de Ativos/Fármacos
19Top-Down X Bottom-Up
http//www.barrettresearch.ca/teaching/nanotechnol
ogy/nano06.htm
20Encapsulamento e liberação de ativos Método
Botton-Up através de moléculas auto-organização
de moléculas em solução aquosa
21Moléculas anfifílicas Reúnem dois grupos com
polaridades ou solubilidades opostas
lipídeos, surfactantes, proteínas
22Estruturas 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)
23EMULSÕES
Aula 2
24Emulsão
- 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
25Exemplos de tipos de emulsões
A O
O A
A/O
A A/O
De Azevedo, 2004
26Emulsão 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.
30A 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
óleo
De Azevedo, 2004
31Instabilidade física das emulsões
Mecanismos
- Floculação , sedimentação (creaming)
reversível
irreversível
Mecanismos
Irreversível quebra
- Envelhecimento de Ostwald,
- separação de fases
De Azevedo, 2004
32Instabilidade Física das emulsões
De Azevedo, 2004
33Mecanismos 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
34Estabilidade 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
35Ordenamento 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
36Seleção 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
39Método 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
40Diagramas 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
41Preparação 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
42Preparação de emulsões
- 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
43Aplicação preparação de microesferas
SEM, elétrons secundários (topografia) A5000x
(clorofórmio)
De Azevedo, 2004
44Emulsão múltipla na obtenção de microesferas para
vacinas de DNA
De Azevedo, 2004
45Bibliografia-M.M.M.DE ACEVEDO(2004)
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46FORMAÇÃO DE AGREGADOS POR MOLÉCULAS ANFIFÍLICAS
47Surfactantes
Tensoativos ou agentes de superfície
48Surfactantes em solução
cmc concentração micelar crítica faixa
estreita de concentração Aparecimento de
agregados (micelas)
Myers, 1999 Fendler, 1982
49Tipos de Micelas
Jönsson e col., 1998
50Número 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
51Efeito da temperatura sobre os tipos de agregados
formados por surfactantes não-iônicos (mesofases
termotrópicas)
Cristais Líquidos Termotrópicos
52Vesículas ou lipossomas
multivesículas
Fendler e col. 1982
53Parâmetro de crítico de empacotamento, p
Dependente da natureza do grupo polar e cadeia
hidrofóbica, concencentração, temperatura, pH
etc.
Rodríguez-Hernández e col., 2005
54MICELAS
55Preparação de Micelas
Gaucher e col., 2005
56Modelos 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
58Eficiências de Encapsulamento
- Métodos convencionais como HPCL, absorbância no
UV/VIS, fluorescência. - Comumente variam de 1,5-50.
Lukyanov e Torchilin, 2004
59Técnicas 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).
60Espalhamento 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)
62Espalhamento 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
63Espalhamento 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
64Small Angle X-ray Scattering(SAXS)
http//srs.dl.ac.uk/arch/DALAI/SAXS.html
65Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM)
- Feixe de elétrons incidentes que interagem com a
amostra de diferentes formas
Informações sobre tamanhos, formas e organizações
de partículas.
66Aplicações 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
69NANOPARTICULAS MICELARES COMERCIALIZADAS E EM
DESENVOLVIMENTO
FSDfemale sexual dysfunction PMH
post-menopausal hormone
Marcato and Durán, J. Nanosci. Nanotechnol. 2007
70CRISTAIS LÍQUIDOS
71Técnicas de preparação similares aos de
preparações de micelas.
Sagalowicz e col. 2006
72Modelos de Solubilização
73Técnicas 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).
74Microscopia óptica
Identificação das fases líquido cristalinos
devido a observação de diferentes texturas. Ex.
fase hexagonal apresenta textura do tipo
leque. fase cúbica (isotrópica).
75Microscopia óptica exemplos de texturas
fase líquido cristalina lamelar
fase líquido cristalina hexagonal
76Micrografias 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
77Aplicações
- 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
78Aplicações
- 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
79LIPOSSOMAS
80Preparação de lipossomas
Lipossomas MLV, SUV, LUV
81Preparação de lipossomas
Lipossomas MUV, SUV, LUV
(http//www.avantipolarlipids.com/PreperationofLip
osomes.html) jun/2006.
82Modelos de Solubilização
Fendler, 1982
83Caracterização 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
87Limitações da Primeira Geração de Lipossomas
88Segunda Geração de Lipossomas Stealth
Janof, 1999 Villanova e Consiglieri, 2000
89Exemplo
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
90Geração Atual de Lipossomas
91Exemplos
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
92Exemplos
- Lipídios galactosilados em lipossomas no
encapsulamento da doxorubina promoveram
direcionamento da droga para hepatócitos.
Wang e col. 2006
93EXEMPLOS DE LIPOSSOMAS APROVADO PELA FDA
Marcato and Durán, J. Nanosci. Nanotechnol. 2007
94PRODUTOS LIPOSSOMAIS EM FASE CLINICA I/II
APROVADA PELA FDA
Marcato and Durán, J. Nanosci. Nanotechnol. 2007
95PRODUTOS LIPOSSOMAIS EM FASE CLINICA III E IV
APROVADA PELA FDA.
Marcato and Durán, J. Nanosci. Nanotechnol. 2007
96ALGUMAS VACINAS LIPOSSOMAIS EM DIFERENTES FASES
CLÍNICAS
Marcato and Durán, J. Nanosci. Nanotechnol. 2007
97OUTROS 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
100THE EMERGING FIELD OF NANOTUBE BIOTECHNOLOGY C.
R. Martin and P. Kohli (NATURE REVIEWS DRUG
DISCOVERY, 2, 29 (2003).
101Yu et al. Bioconjugate Chem. 16, 1484-1487 (2005)
102 Nanofibras de Oligopeptídeo
?Concentração
Globular e Filamentos ? Fibras
Fung e col., 2003
103Bibliografia
Chorilli, M. Leonardi, G. R. Oliveira, A. G.
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REDE NANOTUB0S DE CARBONO CNPq/MCT
CNPq/MCT