DESENVOLVIMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE IMPLANTES INTRAOCULARES POLIMÉRICOS INCORPORADOS DE ETOPOSÍDEO Ana G. R. Solano1,2, Silvia L. Fialho3, Armando Silva-Cunha1, Rodrigo L. Oréfice4, Gisele R. da Silva2, Gérson A. Pianetti1. 1 Depto. de Produtos Farmacêuticos, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte (MG), Brasil 2 Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de São João Del Rei, Divinópolis (MG), Brasil 3 Divisão de desenvolvimento farmacotécnico e biotecnológico, Fundação Ezequiel Dias, Belo Horizonte (MG), Brasil 4 Depto. de Engenharia Metalúrgica, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizontes (MG), Brasil. E-mail: [email protected] Resumo. O retinoblastoma é um tumor maligno intraocular mais comum na infância. Atualmente, seu tratamento consiste em uma combinação de quimioterapia sistêmica e terapia focal consolidativa. O tratamento por quimioterapia sistêmica apresenta algumas desvantagens como a dificuldade de fármacos em penetrar no segmento posterior do globo ocular devido às barreiras oculares naturais, a necessidade de doses elevadas para a manutenção de níveis terapêuticos no interior do olho e a toxicidade sistêmica. Sistemas de liberação poliméricos implantados diretamente no vítreo representam uma alternativa promissora para o tratamento de retinoblastoma, visto que podem promover o aumento da eficácia terapêutica, a redução dos efeitos adversos sistêmicos e a liberação controlada e prolongada do fármaco no local do tumor. Em vista disso, neste trabalho foram desenvolvidos implantes compostos por poli(ε-caprolactona) e etoposídeo, destinados à liberação controlada de fármaco no segmento posterior do olho, visando sua futura aplicação no tratamento quimioterápico do retinoblastoma. Estes implantes foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), difração de raios-X (XRD), uniformidade de conteúdo. Além disso, os implantes foram submetidos ao estudo de liberação in vitro do etoposídeo e à avaliação da toxicidade in vitro por meio dos testes de citotoxicidade e do ovo embrionário de galinha (HET-CAM). Também foi realizado um estudo da estabilidade do etoposídeo durante o processo de preparo dos implantes. As diferentes técnicas de caracterização mostraram que o etoposídeo foi homogeneamente disperso na matriz polimérica e que sua integridade química foi mantida após a dispersão. Foi verificada a estabilidade do fármaco durante o processo de preparo dos implantes. Os implantes poliméricos propiciaram a liberação controlada do etoposídeo por um período prolongado e a avaliação da toxicidade in vitro dos sistemas poliméricos apresentou resultados satisfatórios para a futura aplicação dos implantes no tratamento do retinoblastoma. Palavras-chave: Implantes poliméricos, Etoposídeo, Poli(ε-caprolactona), Retinoblastoma. 1. INTRODUÇÃO A eficácia de um tratamento farmacológico depende, principalmente, do alcance e manutenção de doses efetivas do fármaco diretamente no local a ser tratado. No entanto, é difícil alcançar esses níveis eficazes dos fármacos no vítreo e retina, seja por via tópica ou sistêmica, devido à baixa penetração dos princípios ativos no interior do olho promovida pelas barreiras naturais, constituídas pela córnea, conjuntiva e sistema hematorretiniano [Kuno e Fujii, 2010]. Tal fato dificulta a farmacoterapia de doenças que acometem o segmento posterior do olho humano, como o retinoblastoma, tumor maligno originário das células da retina cujo tratamento quimioterápico é limitado tanto pela baixa penetração dos fármacos no olho como também pela toxicidade sistêmica [Kiss et al., 2008]. Esse cenário, portanto, estimula o desenvolvimento de tratamentos mais eficazes e seguros para o retinoblastoma. Os implantes intraoculares representam uma alternativa viável e vantajosa para o tratamento do retinoblastoma, uma vez que promovem a liberação do antitumoral, de forma controlada e por período prolongado, na região onde se localiza o tumor (após a barreira hematoretiniana), o que aumenta a exposição do tumor ao fármaco e reduz a ocorrência de efeitos indesejáveis associados à administração sistêmica. Além disso, a manutenção local de níveis terapêuticos, por um tempo prolongado, otimiza o regime quimioterápico, reduzindo o número de doses a serem administradas [Choonara et al., 2010; Weinberg et al., 2008]. Os implantes intraoculares podem ser preparados a partir de diferentes polímeros reconhecidamente biocompatíveis e biodegradáveis. Os sistemas poliméricos biodegradáveis são vantajosos em relação aos sistemas preparados a partir de polímeros não biodegradáveis, pois os primeiros não necessitam de remoção cirúrgica após a liberação total do fármaco, o que representaria um grande risco para o paciente. Por esta razão, os polímeros biodegradáveis naturais e sintéticos têm sido amplamente investigados para o desenvolvimento destes sistemas de liberação de fármacos intraocular [Thrimawithana et al., 2011]. Em vista disso, o objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de sistemas biodegradáveis de liberação prolongada de etoposídeo, um fármaco citotóxico, para o tratamento de retinoblastoma. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Materiais. Poli-ε-caprolactona (PCL) (peso molecular 14000) foi adquirido da Sigma-Aldrich Chemicals (EUA). Etoposídeo foi cedido gentilmente pela Quiral Química (Brasil) e a substância química de referência etoposídeo foi obtida na Farmacopéia Americana (EUA). Água ultrapura foi produzida por um sistema de purificação de água Milli-Q® (Millipore, EUA). Acetonitrila grau HPLC foi obtido na Merck® (Brasil). Outros solventes e reagentes utilizados foram de grau analítico. 2.2 Preparo dos implantes constituídos por PCL e etoposídeo. Em um banho-maria, a PCL foi fundida a 60 ºC. Em seguida, o etoposídeo foi completamente disperso no polímero fundido. A mistura PCL e etoposídeo (1:1) foi resfriada a temperatura ambiente e moldada em cilindros a 60 ºC. Também foram preparados implantes sem fármaco utilizando o procedimento descrito anteriormente. 2.3 Caracterização dos implantes. Os implantes desenvolvidos foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectrofotometria na região do infravermelho por transformação de Fourier (FTIR), difração de raios-X (XRD) e uniformidade de conteúdo. A FTIR foi realizada em espectrofotômetro Shimadzu®, modelo Prestige 21. Foram obtidos espectros das amostras (etoposídeo, PCL, mistura física etoposídeo e PCL e implantes) utilizando a técnica de Reflexão Total Atenuada (ATR), na faixa de 4000 a 650 cm-1, a partir de 20 varreduras com resolução de 4 cm-1. Para o método XRD, foram realizadas varreduras a partir de 2θ na faixa de 1 a 90º a uma taxa de 1º/minuto. Foi utilizado o difratômetro de raios-X Philips modelo PW3710 com alvo de cobre (l = 1,54 Å) e equipado com filtro de níquel. A MEV foi realizada utilizando um microscópio JEOL (modelo JSM-6360LV) operando a 15 kV. Todas as micrografias foram obtidas das superfícies de fratura recobertas com ouro. As superfícies dos implantes foram observadas em ampliação de 100 a 5000x. O teste de uniformidade de conteúdo foi realizado de acordo com o método descrito na Farmacopéia Brasileira (2010). De forma resumida, dez unidades foram pesadas individualmente e o conteúdo de fármaco determinado para cada unidade, pelo método de cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE) descrito por Solano et al. (2012). As análises cromatográficas foram realizadas em cromatógrafo Thermo Surveyor System (USA), provido de detector ultravioleta (DAD) a 285 nm. A coluna Ace C18 (250 x 4,6 mm; 5 μm) foi utilizada e mantida a 25 ºC. O volume de injeção foi 25 μL. Utilizou-se fase móvel composta por acetonitrila e ácido acético 4% (v/v), com fluxo de 2 mL/min. Os resultados obtidos foram expressos em porcentagem do valor rotulado e a estimativa do desvio padrão relativo foi calculada. 2.4 Esterilização e teste de esterilidade. Os implantes foram esterilizados por exposição à radiação ultravioleta a 254 nm por 30 minutos. O método de inoculação direta descrito na Farmacopéia Brasileira (2010) foi utilizado para testar a esterilidade dos implantes expostos à radiação UV. Durante o desenvolvimento do teste de esterilidade, foram avaliadas a compatibilidade físico-química dos implantes com os meios de cultura e a atividade bacteriostática e fungistática dos mesmos frente a alguns microrganismos para definição das condições adequadas do ensaio. Além disso, foi traçado o espectro FTIR dos implantes submetidos à radiação UV e o conteúdo de etoposídeo nestes implantes foi determinado por CLAE de acordo método descrito anteriormente. 2.5 Perfil de liberação in vitro do etoposídeo a partir dos implantes de PCL. O perfil de liberação in vitro do fármaco foi realizado sob condições sink, em incubadora a 37 ºC sob agitação (30 rpm). Os implantes desenvolvidos (n = 5) foram colocados em frascos de vidro contendo 30 mL de tampão fosfato pH 7,4. Em intervalos de tempo pré-estabelecidos, amostras do meio foram coletadas e o volume reposto com tampão recém preparado. A quantidade de fármaco liberado foi determinada por CLAE (Solano et al., 2012) e expressa como porcentagem acumulada de etoposídeo no meio. A média da porcentagem de fármaco liberado a cada tempo foi calculada e utilizada para construir a curva do perfil de liberação in vitro. 2.6 Estabilidade do etoposídeo durante a elaboração dos implantes. O conteúdo de etoposídeo e a identificação de produtos de degradação foram determinados nas diferentes etapas do processo de obtenção dos implantes. As amostras utilizadas para essas análises foram: matéria-prima etoposídeo, PCL incorporada de etoposídeo e implantes cilíndricos constituído por PCL e etoposídeo. O método de CLAE para avaliação de substâncias relacionadas descrito na Farmacopéia Japonesa [Japanese..., 2006] foi empregado para identificação de produtos de degradação do etoposídeo. 2.7 Ensaio de citotoxicidade dos implantes com e sem etoposídeo. O ensaio de citotoxicidade foi realizado com a linhagem de célula humana do epitélio da retina (ARPE-19) cultivada em DMEM-F12 com soro bovino fetal 10%, a 37 ºC em atmosfera umidificada de CO2 (5%) e ar (95%). A viabilidade das células ARPE-19 em contato com os implantes com e sem fármaco foi avaliada através do ensaio colorimétrico baseado na conversão mitocondrial do sal de tetrazólio (MTT). A viabilidade celular foi determinada em 24, 48 e 72 horas. Os resultados foram expressos em porcentagem de viabilidade celular. 2.8 Avaliação do potencial tóxico dos implantes empregando o Teste em Membrana Córion-Alantóide de Ovo Embrionado de Galinha (HET-CAM). Foram utilizados ovos embrionados de galinha (n=4), pesando entre 50 e 60 g, incubados na posição horizontal e rotação constante, a temperatura de 37±0.5 °C e umidade relativa de aproximadamente 60%. No 3º dia do desenvolvimento embrionário, 3 mL de ovoalbumina foram removidos a partir da extremidade pontiaguda do ovo, que foi selada com parafilm. No décimo dia, foi feita uma abertura circular de aproximadamente 1,0 cm de diâmetro na região da câmara de ar da casca dos ovos e as formulações (implantes de PCL+etoposídeo, PCL, etoposídeo e salina como controle negativo) introduzidas diretamente sobre a membrana corion-alantóide. Depois do tratamento, os vasos sanguíneos, o sistema capilar e o albúmen foram examinados para a resposta vascular (efeitos irritantes de hiperemia, hemorragia, coagulação/opacidade). 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Caracterização dos implantes. Os implantes poliméricos incorporados de etoposídeo apresentaram peso médio de 2,26 ± 0,08 mg, comprimento de 6,34 ± 0,18 mm, e diâmetro de 0,62 ± 0,02 mm (n=10). A MEV dos implantes contendo etoposídeo demonstrou que a sua superfície era lisa e homogênea, sem evidência de poros ou canais. Enquanto, a seção transversal dos mesmos apresentou poucos poros (Fig. 1). (a) (b) (c) Figura 1. Implantes constituídos por PCL e etoposídeo: visão macroscópica (a); MEV da superfície em aumento de 500X (b); MEV da seção transversal em aumento de 1500X (c). Na Figura 2 está apresentado o padrão de difração de raios-X para PCL e etoposídeo puros e implantes contendo PCL e etoposídeo. A forma dos picos nos padrões de difração do etoposídeo e PCL puros confirma a natureza cristalina de ambos. No caso da PCL pura, picos característicos foram observados em 2θ = 21,21 e 2θ = 23,61. O etoposídeo mostrou seis picos principais em 10,53; 16,53; 19,65; 21,09; 23,55 e 25,35º (2θ). Alguns picos característicos do fármaco e do polímero foram observados no padrão de difração do implante (Fig. 2c), porém com intensidade reduzida. Tal fato demonstra que a natureza cristalina do etoposídeo e PCL foi preservada nos implantes. Figura 2. Padrões XRD para PCL puro (a), etoposídeo puro (b) e implantes constituídos por PCL e etoposídeo (1:1) (c). Na Figura 3 estão apresentados os espectros FTIR típicos da PCL, etoposídeo, mistura física de etoposídeo e PCL, e implantes constituídos por PCL e etoposídeo. Absorções típicas do etoposídeo foram observadas no espectro das Figuras 3a-c, tais como: 3446 cm-1 correspondente ao estiramento de –OH fenólico; 1760 cm-1 referente ao estiramento da carbonila do anel lactona e 1614, 1504 e 1459 cm-1 correspondente ao estiramento de C=C de grupos aromáticos. As Figuras 3b-d apresentaram uma banda intensa a 1724 cm-1 devido ao estiramento do grupo carbonila de éster presente no polímero PCL. Nestes espectros também foram observadas bandas a 2944 e 2865 cm-1 referentes ao estiramento de –CH2 da PCL. Os espectros FTIR indicaram que as absorções típicas dos grupos funcionais do etoposídeo e PCL foram preservadas após a mistura física destes compostos e depois da incorporação do fármaco ao sistema polimérico, sugerindo que a integridade química do etoposídeo foi mantida. (a) (b) (c) (d) Figura 2. Espectros FTIR de etoposídeo (a), implantes constituídos por etoposídeo e PCL (1:1) (b), mistura física etoposídeo+PCL na proporção 1:1 (c) e PCL (d). Os resultados do teste de uniformidade de conteúdo comprovam que o etoposídeo foi homogeneamente disperso nos implantes de PCL, uma vez que o limite de variação de conteúdo de etoposídeo das unidades testadas (7,86%) foi inferior à especificação farmacopéica (15%) [Farmacopéia..., 2010]. 3.2 Esterilização e teste de esterilidade. Os implantes contendo etoposídeo foram esterilizados por radiação UV e foi verificado que a exposição à radiação não promoveu alteração na estrutura química do etoposídeo presente no implante, uma vez que nenhuma alteração foi observada no espectro FTIR dos implantes estéreis. Além disso, não houve diferença significativa (p > 0,05) entre o conteúdo de etoposídeo presente nos implantes estéreis e não estéreis. Não foi observado crescimento microbiano em nenhum tubo contendo o implante e meio de cultura, confirmando a esterilidade dos implantes expostos à radiação UV. O teste de esterilidade foi realizado conforme descrito na Farmacopéia Brasileira (2010), não havendo necessidade de alterações das condições de ensaio, uma vez que os constituintes do implante não apresentaram incompatibilidade físico-química com os meios de cultura e nem atividade antimicrobiana frente a alguns microrganismos padrão. 3.3 Perfil de liberação in vitro do etoposídeo a partir dos implantes de PCL. O perfil de liberação in vitro do etoposídeo a partir dos implantes poliméricos foi obtido na forma de porcentagem acumulada de liberação do fármaco em função do tempo em dias (Fig. 4). Liberação acumulada de etoposídeo (%) 80 60 40 20 0 50 100 150 200 250 300 Tempo (dias) Figura 4. Perfil de liberação in vitro do etoposídeo a partir dos implantes de PCL. Resultados apresentados como média ± desvio padrão (n=5). Os implantes poliméricos desenvolvidos promoveram a liberação controlada do etoposídeo por longo período e apresentaram um padrão de liberação de duas etapas: um burst inicial, seguido por uma fase de liberação lenta. No primeiro estágio, aproximadamente 31% do fármaco foram liberados nos primeiros 30 dias de incubação. Esta etapa inicial é caracterizada por uma alta taxa de liberação do fármaco e possivelmente ocorreu devido à presença de etoposídeo adsorvido na superfície do sistema. Na segunda fase de liberação, verificou-se que aproximadamente 68% do fármaco foram liberados lentamente a partir dos implantes poliméricos. Neste estágio, o fármaco foi lixiviado dos implantes devido a sua difusão através dos poros presentes na matriz polimérica e ao aumento da permeabilidade desta matriz em decorrência da degradação polimérica. 3.4 Estabilidade do etoposídeo durante a elaboração dos implantes. Os resultados das análises cromatográficas permitem concluir que as etapas de preparo dos implantes poliméricos não interferem na estabilidade do etoposídeo, uma vez que os produtos de degradação não foram observados nos cromatogramas da PCL incorporada de etoposídeo e dos implantes cilíndricos. Além disso, não houve diferença significativa (p < 0,05) no conteúdo de etoposídeo da mistura de PCL e etoposídeo antes e depois da etapa de moldagem. 3.5 Ensaio de citotoxicidade dos implantes com e sem etoposídeo. Os implantes poliméricos com e sem etoposídeo não apresentaram um efeito citotóxico significante sobre as células do epitélio da retina, já que não houve diferença significativa (p > 0,05) entre a viabilidade celular do grupo controle (meio de cultura+células) e dos grupos tratados (implante de PCL sem etoposídeo + células; implante de PCL incorporado de etoposídeo + células) conforme resultados apresentados na Figura 5. Implante PCL + Etoposídeo Implante PCL Controle Viabilidade Celular (%) 200 150 100 50 0 24 48 72 Tempo (horas) Figura 5. Efeito dos implantes desenvolvidos (implantes de PCL e de PCL incorporada de etoposídeo) sobre a viabilidade de células ARPE-19 após 24, 48 e 72 horas de tratamento. A viabilidade das células tratadas com as amostras foi expressa em relação à viabilidade das células do grupo controle, tratado com meio de cultura, fixada em 100%. Além disso, observou-se que não houve redução da viabilidade celular com o aumento do tempo de contato das células com os implantes. 3.6 Avaliação do potencial tóxico dos implantes empregando o teste em membrana córion-alantóide de ovo embrionado de galinha (HET-CAM). Os implantes poliméricos com e sem etoposídeo não foram irritantes quando adicionados na membrana córion-alantóide de ovo embrionado. Os resultados obtidos para os implantes poliméricos foram comparados aos obtidos para salina (Fig. 6) e não foi observada diferença significativa entre eles (p>0,05). A salina foi utilizada como controle negativo por ser praticamente não irritante [Gupta et al., 2009]. (a) (b) Figura 6. Imagens da membrana corioalantóica após tratamento com salina (a) e implantes de PCL e etoposídeo (1:1) (b). 4. CONCLUSÃO Os resultados demonstram que o etoposídeo foi homogeneamente incorporado na matriz polimérica a fim de desenvolver um sistema implantável de liberação controlada de fármacos. Os espectros FTIR não mostraram interações químicas acentuadas entre PCL e etoposídeo. Os padrões XRD demonstraram a integridade da natureza cristalina do etoposideo após incorporação no PCL. Além disso, os implantes de PCL promoveram a liberação controlada do fármaco durante um período prolongado, podendo ser considerados uma alternativa promissora para o tratamento do retinoblastoma. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Quiral Química do Brasil S.A. pela doação do fármaco etoposídeo, e ao Centro Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG) e Farmacopéia Brasileira pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS Choonara, Y.E., Pillay, V., Danckwerts, M.P., Carmichael, T.R. e Toit, L.C. (2010) “A review of implantable intravitreal drug delivery technologies for the treatment of posterior segment eye diseases”, Journal of Pharmaceutical Sciences, 99, 2219-2239. Farmacopéia Brasileira (2010), 5ª ed., Agência Nacional de Vigilância Sanitária, Brasília, vol.1. Gupta, H. et al. (2009) “Development and Characterization of 99mTc-timolol Maleate for Evaluating Efficacy of In Situ Ocular Drug Delivery System”, AAPS PharmSciTech, 10, 540-546. Japanese Pharmacopoeia (2006), 15th ed., Society of Japanese Pharmacopoeia, Tokyo, 653-654. Kiss, S., Leiderman, Y. e Mukai, S. (2008) “Diagnosis, classification, and treatment of retinoblastoma”, International Ophthalmology Clinics, 48, 135-147. Kuno, N. e Fujii, S. (2010) “Biodegradable Intraocular Therapies for Retinal Disorders”, Drugs Aging, 27, 117134. Solano, A.G.R., Silva, G.R., Fialho, S.L., Silva-Cunha, A. e Pianetti, G.A. (2012) “Development and validation of a high performance liquid chromatographic method for determination of etoposide in biodegradable polymeric implants”, Quím. Nova. In press. Thrimawithana, T.R., Young, S., Bunt, C.R., Green, C. e Alany, R.G. (2011) “Drug delivery to the posterior segment of the eye”, Drug Discovery Today, 16, 270-277. Weinberg, B.D., Blanco, E., Gao, J. (2008) “Polymer Implants for Intratumoral Drug Delivery and Cancer Therapy”, Journal of Pharmaceutical Sciences, 97, 1681-1702. DEVELOPMENT AND CHARACTERIZATION OF ETOPOSIDELOADED INTRAOCULAR POLYMERIC IMPLANTS Ana G. R. Solano1,2, Silvia L. Fialho3, Armando Silva-Cunha1, Rodrigo L. Oréfice4, Gisele R. da Silva2, Gérson A. Pianetti1. 1 Departament of Pharmaceutical Products, Federal University of Minas Gerais, Belo Horizonte (MG), Brazil 2 Pharmacy School, Federal University of São João Del Rei, Divinópolis (MG), Brazil 3 Pharmaceutical and Biotechnological Development, Fundação Ezequiel Dias, Belo Horizonte (MG), Brazil 4 Department of Metallurgical and Materials Engineering, Federal University of Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brazil E-mail: [email protected] Abstract. Retinoblastoma is an intraocular malignant tumor most common in childhood. Currently, treatment consists of a combination of systemic chemotherapy and focal therapy consolidative. The systemic chemotherapy present some disadvantages such as difficulty of drugs to penetrate the posterior segment of the eye due to the natural ocular barriers, the need for higher doses to maintain therapeutic levels inside the eye and systemic toxicity. Polymeric delivery systems directly implanted in the vitreous are a promising alternative for the treatment of retinoblastoma. These systems can promote the increase in therapeutic efficacy, reduction in systemic side effects and prolonged and controlled release of the drug at the tumor site. This study developed implants composed of poly(ε-caprolactone) and etoposide, for its future application in chemotherapy treatment of retinoblastoma. These implants were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-ray Diffraction (XRD), and content uniformity. In addition, the in vitro release profile of drug-loaded PCL implants and in vitro toxicity were evaluated. The in vitro toxicity was evaluated by cytotoxicity test, and Hen Egg Test-Chorioallantoic Membrane (HET-CAM). Also the stability of etoposide during the preparation process of the implants was evaluated. The different techniques for characterization of implants showed that etoposide was homogeneously dispersed in the polymeric matrix, and the chemical integrity of etoposide was maintained after the dispersion. The preparation process of implant did not interfere in the stability of drug. The polymeric implants led to a controlled release of the drug for a prolonged period and the results of in vitro toxicity of polymer systems were satisfactory for the future application of implants in the retinoblastoma treatment. Keywords: Polymeric implant, Etoposide, Poly(ε-caprolactone), Retinoblastoma.