Patrícia Kelly Alves Cabral
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10 UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE SAUDE E TECNOLOGIA RURAL CAMPUS DE PATOS - PB CURSO DE MEDICINA VETERINÁRIA MONOGRAFIA Sistemas de Liberação Controlada de Drogas: Uma Revisão. Patricia Kelly Alves Cabral 2004 11 UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE SAUDE E TECNOLOGIA RURAL CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE PATOS - PB CURSO DE MEDICINA VETERINÁRIA MONOGRAFIA Sistemas de Liberação Controlada de Drogas: Uma Revisão. Graduanda: Patrícia Kelly Alves Cabral Orientador: Onaldo Guedes Rodrigues Patos-PB, 2004 12 UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE SAUDE E TECNOLOGIA RURAL CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE PATOS - PB CURSO DE MEDICINA VETERINÁRIA PATRICIA KELLY ALVES CABRAL Monografia ao Curso de Medicina Veterinária como requisito parcial para obtenção do grau de Medico Veterinário. APROVADO EM .06 / 09 / 04 BANCA EXAMINADORA Orientador Prof. Dr. Onaldo Guedes Rodrigues Examinador Prof. Dr. Gilmar Trindade de Araújo Examinadora Profª. MsC Rosângela Maia Nunes da Silva 13 FICHA CATALOGADA NA BIBLIOTEECA SETORIAL DO CAMPUS DE PATOS - UFCG C117m Cabral, Patrícia Kelly Alves 2005 Sistemas de liberação Controlada de drogas: uma revisão./ Patrícia Kelly Alves Cabral – Patos-PB: CSTR, UFCG, 2005. 46f. Inclui bibliografia Orientador: Onaldo Guedes Rodrigues Monografia ( Graduação em Medicina Veterinária) – Centro de Saúde e Tecnologia Rural, Universidade Federal de Campina Grande.. 1 – Farmacologia - Revisão – Monografia. 2 . CDU: 616: 619 14 DEDICO Ao meu esposo pelo amor que me oferece todos os dias, através de pequenas demonstrações que se traduzem em compreensão, amizade e companheirismo. AMO VOCÊ, OBRIGADA. 15 AGRADECIMENTOS A DEUS: Por ter estado comigo todos esses anos me dando força e coragem para superar todas as dificuldades, até realizar o maior de todos os sonhos. AO MEU ESPOSO: Por todo amor, dedicação, compreensão e apoio que a mim foi dado em momentos muito difíceis de minha vida. AOS MEUS PAIS: Pela educação, ensinamentos e amor que a mim foram dados durante toda a vida. A MINHA IRMÃ: Pela cumplicidade e amor que nos une. AOS MEUS SOGROS: Pelo apoio e ajuda que recebi para que pudesse realizar o estágio. AOS MESTRES: Pelo aprendizado que hoje fazem de mim veterinária. Em especial agradecimento Onaldo G Rodrigues por acreditar em mim e a Rosângela pelo seu carinho todo especial. AOS AMIGOS: A todos aqueles que passaram por mim durante o curso, compartilhando momentos felizes e tristes. Em especial: Petrushka, Kassandra, Carol, Roseane. AOS ANIMAIS : Por serem o motivo maior de tanta dedicação. Em especial a Kojak meu cão irmão a quem compartilhei 12 anos de amor e cumplicidade. 16 SUMÁRIO DEDICATÓRIA......................................................................................... AGRADECIMENTOS.............................................................................. LISTA DE FIGURAS................................................................................ vi LISTA DE ABREVIATURAS.................................................................. vii RESUMO.................................................................................................... viii ABSTRACT................................................................................................ ix 1 INTRODUÇÃO.......................................................................................... 10 2 METODOLOGIA...................................................................................... 12 2.1 .....Local de realização da pesquisa.............................................................. 12 2.2 ......Período explorado.................................................................................. 12 2.3 ......Meios utilizados..................................................................................... 12 2.4 ......Análise do material consultado.............................................................. 12 3 REVISÃO DE LITERATURA................................................................. 13 3.1 Nanotecnologia....................................................................................... 13 3.2 Desenvolvimento de Sistemas de Liberação Controlada de Drogas...... 19 3.3 Nanoencapsulamento de fármacos......................................................... 25 3.3.1 Métodos mecânicos................................................................................ 26 3.3.2 Métodos físico-químicos........................................................................ 27 3.4 Microencapsulação de fármacos............................................................ 28 3.5 Materiais utilizados como polímeros biodegradáveis............................ 32 3.5.1 Polímeros naturais................................................................................ 32 3.5.2 Polímeros naturais modificados........................................................... 32 3.5.3 Polímeros sintéticos............................................................................. 33 4 APLICAÇÕES DO SISTEMA DE LIBERAÇÃO CONTROLADA... 34 4.1 Controle biológico de pragas................................................................ 34 4.2 Minerais nutricionais e remédios.......................................................... 35 5 CONCLUSÃO........................................................................................... 37 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................... 39 7 ANEXOS.................................................................................................... 43 17 LISTA DE FIGURAS Figura 1- Asa da borboleta (Morfo) mostrando um sistema nanoestruturado 14 complexo e auto-organizado. A figura mostra o fenômeno de iridescência (a luz branca é difratada nas camadas no material ordenado) Figura 2- Visualizando escalas de comprimento 15 Figura 3- A física, biologia e química se encontram na Nanotecnologia 16 Figura 4- Distribuição da rede nacional de nanotecnologia por região 17 Figura 5- Exemplos das diferentes formas farmacêuticas: (A) esfera (sistema 19 atricial) e (B) cápsula (sistema reservatório) Figura 6- Perfis de liberação de drogas em função do tempo: convencional x 20 controlada Figuras 7 e 8 Forma moderna de administração de fármacos através de sistema 21 Spray Drying. Figuras 9- (A) Representação esquemática da orientação de PVA ligadas a 22 moléculas de PLGA, na superfície de nanoesferas de PLGA. (B) Imagem obtida por SEM (topografia) de nanoesferas de PLGA Figura 10- Nanoesfera sólida. (A) matriz contendo o fármaco e (B) cadeias de 23 PEO Figura 11- Formas de liberação do ativo: nanoesferas e nanocápsulas. 29 18 LISTA DE ABREVIATURAS APC Associação para o Progresso da Ciência Gpa giga Mpa mega MCT Ministério das Ciências e Tecnologias CNPq Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia SiO2 dióxido de silício PVA poli (álcool vinílico) PLGA poli(lactide-co-glicolide) SEM micrografia eletrônica de transmissão PEO poli(óxido de etileno) SNC Sistema Nervoso Central IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas P&D Pesquisa e Desenvolvimento LDL liproproteína de baixa densidade 19 RESUMO Como serão administrados os fármacos, vitaminas, suplementos minerais, anestésicos, vacinas, etc. no próximo milênio: Injeções sem agulha, absorção pulmonar, géis formados por nanopartículas, soluções poliméricas, drogas com endereço certo.Os novos métodos usados para isso se baseiam no encapsulamento ou formação de nanopartículas desses compostos em microesferas poliméricas ou protéicas. Estas microesferas liberam os compostos, já no interior do organismo, em pequenas e controláveis doses diárias, durante semanas ou meses. O composto poderá ser administrado oralmente (a microesfera pode ser resistente ao ambiente estomacal), por inalação, pela pele (tal como os adesivos de nicotina) ou, ainda, por injeções sem agulha, o PowderJet, que utiliza tecnologia semelhante às impressoras jato-de-tinta. Vários polímeros já foram testados em sistemas de liberação de drogas. Muitos, em função de suas propriedades físicas, tais como: Poli(uretanos) por sua elasticidade; Poli(siloxanos) ou silicones por ser um bom isolante; Poli(metil metacrilato) por sua força física; Poli(vinil álcool) por sua hidrofobicidade e força, Poli(etileno) por sua dureza e impermeabilidade. Estes materiais devem ser quimicamente inertes e livres de impurezas. Alguns dos materiais que estão sendo usados comercialmente em sistemas de liberação controlada são: Poli(2-hidroxi etil metacrilato), poli(N-vinil pirrolidona), poli(metil methacrilato), poliacrilamida, polilactídeos (PLA), poliglicosídeos (PGA), poli(lactato-co-glicolato) (PLGA), poli(anidridos), entre outros. O desenvolvimento de sistemas de liberação controlada tem sido alvo de pesquisas há pelo menos quatro décadas. Desde que foi sugerida sua aplicação na indústria farmacêutica, muitos resultados foram obtidos, especialmente na manipulação molecular de carreadores e no estudo de suas interações com as drogas encapsuladas. Esses novos carreadores têm a vantagem de contornar propriedades físico-químicas limitantes (como a solubilidade aquosa ou em membranas) das drogas encapsuladas, melhorando assim a farmacodinâmica (potencialização do efeito terapêutico), farmacocinética (controle da absorção e distribuição tecidual) e os efeitos toxicológicos (redução da toxicidade local e sistêmica) das mesmas. O levantamento bibliográfico aqui apresentado teve como objetivo investigar as origens da pesquisa com essa nova tecnologia, o seu desenvolvimento e suas aplicações nas diversas áreas das ciências biológicas. 20 Palavras-chaves: Sistemas de liberação Controlada de Drogas, Sistemas poliméricos, Nanotecnologia. ABSTRACT As they will be administered the drugs; vitamins, minerals supplements, anesthetics, vaccines, etc. in the next millennium: Injections without needles, lung absorption, gels formed by nano- particles, solutions polymerics, drugs with address objective.The news methods used for that they base on the manufacturing or formation of nanoparticuls of those compositions in micro- sphere polymerics or proteins. These micro-e-spheres liberate the compositions, already inside the organism, in small and you controlled daily administrations, during weeks or months. The composition will vocally be able to be administered (the micro-sphere can be resistant to the stomach atmosphere), for inhalation, for the skin (just as the nicotine stickers) or, still, for injections without needle, powder-Jet, that uses technology similar to the printers jet-of-ink. Several polymeric they were already tested in systems of control delivery sistems of drugs. Many, in function of your physical properties, such as: Poli(uretans) for your elasticity; Poli(siloxanos) or silicons for being a good one insulating; Poli(metil metacrilato) for your physical force; Poli(vinil alcohol) for your hydrophobic properties and it forces, Poli(etileno) for your hardness and impermeability. These materials should be chemically inert and free from sludges. Some of the materials that are being used commercially in systems of controlled liberation are: Poli(2-hidroxi etil metacrilato), poli(N-vinyl pirrolidona), poli(metil methacrilato), poliacrilamida, polilactídeos (CHAT), poli-glucose (PGA), poli(lactato-co-glicolato) (PLGA), poli(anidridos), among others. The development of systems of controlled liberation has been objective of researches there is at least four decades. Since it was suggested your application in the pharmaceutical industry, many results were obtained, especially in the molecular manipulation of transporters and in the study of your interactions with the encapsulated drugs. Those new transporters have the advantage of outlining properties physical-chemistries limiting (as the aqueous solubility or in membranes) of the encapsulated drugs, improving like this the dinamic properties (potential of the therapeutic effect), kinetic properties (it controls of the absorption and distribution in 21 the fabrics) and the toxicological effects (reduction of the sides effects) of the same ones. The bibliographical rising here presented had as objective investigates the origins of the research with that new technology, your development and your applications in the several areas of the biological sciences. Key-words: Controlled Delivery Systems of Drugs, Polymerics systems, nanotechnology 22 1. INTRODUÇÃO O desenvolvimento de medicamentos evoluiu da fase botânica, no alvorecer das primeiras civilizações, para a era da química sintética na metade do século XX, alcançando o estágio atual da biotecnologia. Da mesma forma que a humanidade viu o surgimento de novas drogas com ações altamente específicas, capazes de controlar e prevenir as mais diversas doenças graças à elucidação dos mecanismos moleculares que as causam. Tem-se que a forma de ministrar essas drogas também mudou muito nestes últimos 100 anos, desde as convencionais, xaropes, garrafadas, pílulas, injetáveis até os sistemas de liberação controlada, sustentada com velocidades programáveis, ou seja, o poder de determinar precocemente a dose do composto farmacologicamente ativo e o tempo em que essa dose deve ser liberada para interagir com seus receptores biológicos (um minuto, uma hora, um dia, uma semana, um mês, e assim por diante). A tecnologia de liberação controlada de fármacos representa uma das fronteiras da ciência, a qual envolve diferentes aspectos multidisciplinares e pode contribuir muito para o avanço das ciências. O sistema de liberação controlado de drogas vem revolucionando a indústria farmacêutica (produção de medicamentos), como também a indústria química (derivados de petróleo, agroindústria, indústria civil na produção de tintas), principalmente. A terapêutica moderna está baseada em um “design” racional de liberação controlada e alta especificidade de compostos de drogas. Os novos métodos para a administração de drogas se baseiam no encapsulamento (forma de veículo) das drogas em várias formas (design) como nanocápsulas, microcápsulas, microesfera poliméricas ou protéicas. Estas, por sua vez, liberam a droga, já no interior do organismo, em pequenas e controláveis doses diárias, de acordo com a forma que foi projetada, durante dias, semanas ou meses, passando por vários fatores (eliminação de primeira passagem, ligações a proteínas, ligações a outros tecidos, etc.), os quais podem interferir com a biodisponibilidade e chegando a circulação sistêmica inalterada, pronta para interagir com seus sítios de ação. O princípio básico desse sistema é que estes compostos são biodegradáveis quando em contato com os sistemas biológicos e através da ação de fatores físico, químicos e como: pH, temperatura, ação enzimática, etc, vão sendo distribuídos (liberados) lentamente 23 ao organismo, fazendo com que frações pré-determinadas do composto farmacológico ativo sejam liberadas lentamente. Esse sistema pode ser usado para administrar compostos oralmente (a microesfera pode ser resistente ao ambiente estomacal e a ação de enzimas), por inalação, pela pele (tal como os adesivos de nicotina ´´ paths``(caminhos, guias)) ou, ainda, por injeções sem agulha, o “PowderJet” (jato de pó) (Figura X) que utiliza tecnologia semelhante às impressoras jato-de-tinta. Em relação à indústria farmacêutica, o interesse crescente em sistemas de liberação controlada de drogas confirma-se pelo fato de que oferecem inúmeras vantagens quando comparados aos sistemas convencionais de administração de fármacos, tais como; a) Maior eficácia terapêutica, com liberação progressiva e controlada do fármaco, a partir da degradação da matriz; b) Diminuição significativa da toxicidade e maior tempo de permanência na circulação; c) Natureza e composição dos veículos variada e, ao contrário do que se poderia esperar, não há predomínio de mecanismos de instabilidade e decomposição do fármaco (bio-inativação prematura); d) Administração segura (sem reações inflamatórias locais) e conveniente (menor número de doses); e) Direcionamento a alvos específicos, sem imobilização significativa das espécies bioativas; f) Tanto substâncias hidrofílicas quanto lipofílicas podem ser incorporadas; Nas formas de administração convencionais (spray, injeção, pílulas) a concentração da droga na corrente sangüínea apresenta um aumento, atinge um pico máximo e então declina. Desde que cada droga possui uma faixa de ação terapêutica acima da qual ela é tóxica e abaixo da qual ela é ineficaz, os níveis plasmáticos são dependentes das dosagens administradas. Este fato é problemático se a dose efetiva estiver próxima à dose tóxica. Nessa pesquisa bibliográfica, buscamos realizar um levantamento na literatura a cerca do desenvolvimento, da evolução e aplicações práticas de sistemas de liberação controlada de drogas no mundo contemporânea e, assim, compreender a sua origem, necessidades, perspectivas de evolução, métodos de produção e aplicações nas diversas áreas no mundo moderno, especialmente na indústria de medicamentos. 24 2. - METODOLOGIA 2.1. Local de Realização da Pesquisa A pesquisa foi realizada nas instalações da Universidade Federal de Campina Grande no CAMPUS de Patos – PB tendo como ponto de apoio o acervo da Biblioteca Setorial e sistema de informatização disponível para pesquisa bibliográfica (computadores, internet). 2.2- Período Explorado O levantamento bibliográfico foi realizando em um período compreendendo os anos de 1964 até os dias atuais. 2.3- Meios Utilizados A pesquisa foi realizada através da investigação em livros textos, em monografias, em dissertações e teses sobre o assunto e temas relacionados, e na rede mundial de computadores (WWW), através de consultas a bancos de dados especializados como: CAPES, BIOMEDNET, BIRREME, MEDLINE, SCIENCEDIRET entre outros. Foi usado, também consultas diretas a especialistas na área para orientação sobre a seqüência de assuntos a serem abordados. 2.4- Análise do Material Consultado O material consultado foi cuidadosamente selecionado e investigado, quanto a segurança de sua fonte de informação, métodos de desenvolvimento, sua periodicidade, aplicações e usos, importância médica, importância econômica, análise dos resultados já em curso e abordagem científica futura. 25 3. REVISÃO DE LITERATURA 3.1. Nanotecnologia Os termos nanociência e nanotecnologia reúnem muitas idéias e procedimentos conhecidos (que já eram uma preocupação de muitos cientistas, como pode ser verificado na área de colóides e superfícies) com uma proposta de inovação tecnológica que auxilie e acompanhe todos os avanços científicos importantes hoje, utilizando ferramentas novas, anteriormente não disponíveis, que nos permitem ver as estruturas nanométricas e até movimentar átomos, por exemplo, as microscopias de força atômica (mostra detalhes topográficos em superficies) e de tunelamento (que permite movimentar átomos e observar densidade eletrônica), com vários modos diferentes de obtenção de imagem (INOUE, 1989; GATTI, 2002; HARUYAMA, 2003). Esta inovação inclui as noções de fabricação molecular como por exemplo modificações moleculares em polímeros condutores, nanotubos de carbono (forma tubular de carbono com diâmetro tão pequeno quanto 1 nm, que possui extraordinárias propriedades mecânicas como tensão de ruptura 2000 GPa (Giga) contra MPa (Mega) em aços, complexidade em sistemas nanoestruturados (auto-organização, como as estruturas de uma asa de borboleta, quando ampliada como mostrada na Figura 1, auto-replicação (sistemas capazes de copiarem a si próprios e de, mais do que isso, construírem outros produtos), comportamento fractal, reconhecimento molecular (p. ex. receptores de importância na área biomédica), nanodispositivos eletrônicos e optoeletrônicos (KAZUHIRO, 1989; GOMES, 2002). Portanto, a nanotecnologia pode ser vista como a criação de materiais funcionais, dispositivos e sistemas através do controle da matéria na escala de nanômetros, implicando em sistemas que apresentem novos fenômenos e propriedades, que são dependentes do tamanho, como a superplasticidade devido à alta área superficial destas partículas. Para se entender idéias presentes em nanotecnologia é importante que se entenda o que significa "nano", além da compreensão de química e física aplicada a sistemas coloidais (LUNCINDA-SILVA, 2002). 26 fonte: http://lqes.iqm.unicamp.br Figura 1: Asa da borboleta (Morfo) mostrando um sistema nanoestruturado complexo e auto-organizado. A figura mostra o fenômeno de iridescência (a luz branca é difratada nas camadas no material ordenado). Nano é um prefixo grego que significa "anão". Um nanômetro é igual a 1 milionésimo de milímetro ou 1 bilionésimo de metro. Para termos uma idéia de que escala de comprimento estamos falando, um fio de cabelo possui o diâmetro de 100.000 nm Átomos são cerca de 1/10.000 do tamanho de uma bactéria e bactérias são 1/10.000 do tamanho dos mosquitos (DURAN, 2002, 2003). Esta noção de escala pode ser melhor visualizada na Figura 2. Em virtude de todo este quadro, há um corrente interesse em materiais nanoestruturados devido ao seu potencial em várias áreas científicas e tecnológicas, como catálise, materiais optoeletrônicos, tribologia, liberação controlada de fármacos e bioencapsulação (SILVA, 1999). Hoje em dia, este interesse envolve novos métodos de preparação, como por exemplo a formação de nanopartículas sólidas a partir da liofilização (congelamento da dispersão e retirada do solvente com alto vácuo) como no caso de polifosfato de alumínio, em meio aquoso, utilizando componentes de sistemas estritamente inorgânicos. 27 fonte http://lqes.iqm.unicamp.br Figura 2: Visualizando escalas de comprimento. De acordo aos documentos recentes da "American , European e o APEC Center for Technology Foresight", o impacto da nanociência e nanotecnologia beneficiou todas as áreas científicas e tecnológicas conhecidas hoje, incluindo materiais e fabricações na nanoeletrônica, dispositivos de informação tecnológica, saúde, biotecnologia e agricultura, segurança nacional, educação e a competitividade nacional. O gráfico na Figura 3, da APC ilustra como a ciência evoluiu ao longo de décadas para permitir neste milênio, o florescimento deste novo campo. 28 fonte http://lqes.iqm.unicamp.br Figura 3: A física, biologia e química se encontram na Nanotecnologia. Particularmente no Brasil, que no passado sempre foi um espectador distante dos grandes avanços tecnológicos, a mudança de velhos paradigmas da ciência mundial e o total intercâmbio tecnológico possibilitado pela rede mundial de computadores, favoreceu o país, assim como outros países em desenvolvimento. Neste contexto, o Ministério das Ciências e Tecnologias/MCT e o Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia/CNPq tomou a iniciativa, através de um comitê de articulação para um Programa Nacional de P&D em Nanociências e Nanotecnologias, de coordenar ações que levassem a um apoio nesta área. Estes esforços culminaram na existência de uma rede nacional de pesquisadores nesta área (Figura 4, Tabela 1). 29 Figura 4. Distribuição da rede nacional de nanotecnologia por região. Tabela 1 - Coordenadores em nanociência e nanotecnologia em 2002. COORDENADORES INSTITUIÇÃO UF TÍTULO I. J. R. BAUMVOL Física/UFRS RS Materiais Nano-Estruturados O. M. L.MALTA Ciências/UFPE PE Nanotecnologia Molecular N. DURÁN IQ/UNICAMPNCA/UMC SP Nanobiotecnologia E.F. DA SILVA JR Física/UFPE PE Nanodispositivossemicondutores Verbas: R$ 3,2 milhões (para consolidação das redes) Centro Nacional em nanotecnologia são previstos entre USD 200 e USD 300 milhões/10 anos (dados: CNPq). Antes de considerarmos a evolução e a variedade destas estruturas, particularmente das nanopartículas poliméricas, é necessário avaliar a motivação que levou ao uso de sistemas de liberação controlada e sustentada de fármacos, freqüentemente descritos na 30 literatura como sistemas de liberação controlada ("drug delivery systems"), os quais implicam em dispositivos dirigidos a alvos específicos em organismos, sendo estes os campos da nova área da nanotecnologia, denominada nanobiotecnologia. A nanobiotecnologia envolve aspectos da combinação de pesquisas nas áreas de "nanotecnologia" e "biomedicina" o que resultou na "nanobiotecnologia" que envolve áreas como a genômica, robótica, descoberta de novas drogas e processos químicos. O termo nanopartículas aplicado à liberação controlada de fármacos é amplo e refere-se a dois tipos de estruturas diferentes, nanoesferas e nanocápsulas, principalmente. Denominam-se esferas aqueles sistemas em que o fármaco encontra-se homogeneamente disperso ou solubilizado no interior da matriz polimérica ou cerosa (DE AZEVEDO, 2003.) Desta forma obtém-se um sistema monolítico, onde não é possível identificar um núcleo diferenciado. Nanocápsulas, ao contrário, constituem sistemas reservatórios, onde é possível identificar-se um núcleo diferenciado, que pode ser sólido ou líquido. Neste caso, a substância encontra-se envolvida por uma membrana, geralmente polimérica, isolando o núcleo do meio externo. Uma ilustração destes sistemas de liberação controlada está na Figura 6. Há alguns pontos nesta nova tecnologia que precisam ser amadurecidos e pensados com cuidado. Por exemplo, a dificuldade de interrupção da ação farmacológica de um medicamento administrado via nanoesferas e o alto custo dos polímeros biodegradáveis. Há também o risco de nanopatologia, designando a presença de nanopartículas de natureza inorgânica, em tecidos humanos que não são metabolizadas e tem excreção dificultada levando a sintomas como febre, hepatomegalia e acidose metabólica, o que nos obriga a rever os conceitos de biodisponibilidade nestes sistemas. Questões éticas em nanotecnologia e nanociência são importantes, p. ex. nanosistemas que poderiam fugir ao nosso controle, entre estas armas biológicas mais destrutivas que poderiam ser construídas sob esta metodologia (bioterrorismo) (BROOKING, 2001) 31 fonte http://lqes.iqm.unicamp.br Figura 5- Exemplos das diferentes formas farmacêuticas: (A) esfera (sistema atricial) e (B) cápsula (sistema reservatório). 3.2. Desenvolvimento de Sistemas de Liberação Controlada de Drogas O desenvolvimento de formulações que permitam a liberação controlada de fármacos em sítios específicos, visando a diminuição de efeitos tóxicos e/ou aumento do índice terapêutico, tem recebido grande atenção nos últimos anos. A finalidade última dos sistemas de liberação controlada de fármacos, como já analisado, do ponto de vista do tratamento clínico, o controle de concentração terapêutica é importante, e foi, ao lado do direcionamento do fármaco a alvos específicos, um dos principais objetivos de todas estas pesquisas (FARREL, 2003; KAWASHIMA, 2001). A diferença de concentração plasmática efetiva em função do tempo, entre sistemas convencionais e de liberação controlada, pode ser melhor visualizado na Figura 7, a seguir. Para termos uma idéia do grau fundamental que uma liberação sustentada possui, imaginemos uma situação bastante comum da administração de analgésicos em pacientes com câncer terminal: nos casos em que a concentração da droga estiver abaixo da 32 concentração terapêutica, o que é inerente a sistemas convencionais, o paciente experimentará dor (SCHAFFAZICK, 2002; YANO, 2002). Por outro lado, os picos de concentração são prejudiciais em outro sentido: conferem uma dose que atinge níveis tóxicos no plasma. fonte http://lqes.iqm.unicamp.br Figura 6- Perfis de liberação de drogas em função do tempo: convencional x controlada.Exploremos este conceito de concentração terapêutica. Portanto, em primeira instância, sistemas nanoparticulados são muito úteis na manutenção da dose terapêutica em níveis seguros, da diminuição dos picos e valores plasmáticos, além de conferir proteção e economia de fármaco (LIMA, 1999; KREUTER, 2001; LOCKMAN, 2002;). Neste contexto, como bem frisado na introdução, sistemas de liberação controlada representam um desenvolvimento relativamente novo e, quanto às suas necessidades, têm o objetivo de prolongar e melhorar o controle da administração de fármacos. A preparação de nanopartículas passa a ser crucial e se concentra em dois pontos: modificações (aprimoramentos) que criem novas rotas ou melhorem outros métodos e 33 funcionalização química das partículas. No primeiro caso, um método de preparação interessante foi patenteado no Brasil. Trata-se da aplicação da técnica de “Spray Drying” (JAIN, 2002) (Figuras 7 e 8) envolvendo a adição de partículas de SiO2 antes da secagem, na preparação de nanocápsulas ou nanoesferas para encapsulação de diclofenaco, conhecido antiinflamatório. Com isto se consegue maior estabilidade da dispersão, melhor distribuição do tamanho das partículas, e uma viabilidade industrial para a produção das nanopartículas, evitando-se o processo de liofilização. fonte http://lqes.iqm.unicamp.br Figuras 7 e 8- Forma moderna de administração de fármacos através de sistema Spray Drying. Modernamente, têm sido obtidas nanoesferas a partir de micelas poliméricas utilizandose de hidrogéis de polivinilpirrolidona com isopropilacrilamida, pois foi verificado que seu tempo na circulação sangüínea era mais longo. Um hidrogel é uma rede de polímeros hidrofílicos que são reticulados e que tem a propriedade de intumescer em ambientes abundantes em água. (GAUR et al., 2000). A preparação destas nanoesferas é possível dentro de núcleos aquosos de gotas de micelas inversas e permite uma modulação precisa da distribuição de tamanho das partículas (preparadas com diâmetro menor que 100 nm). Desde que a reação de polimerização e subseqüente encapsulação ocorre em núcleos aquosos, é possível 34 encapsular moléculas hidrofílicas. A superfície destas partículas já é hidrofóbica, como mostrado na (Figura 9), com maior tempo na circulação sangüínea. No segundo caso, as pesquisas em funcionalização químicas de superfície de nanopartículas muitas possibilidades estão sendo testadas. A adsorção de polímeros na superfície das nanopartículas é um fenômeno importante, pois pode alterar sua hidrofobicidade, facilitando sua redispersão em água, o que é importante para efeitos de utilização em injeções além de alterar o direcionamento a alvos específicos do organismo. Na Figura 9a há uma representação esquemática de grupos hidroxila de moléculas de PVA fixadas a grupos acetil do PLGA, via ligação de grupos hidrofóbicos. As nanoesferas produzidas pelo método de evaporação de solvente, visualizadas por SEM, estão ilustradas na Figura 7b. fonte http://lqes.iqm.unicamp.br Figura 9- (A) Representação esquemática da orientação de PVA ligadas a moléculas de PLGA, na superfície de nanoesferas de PLGA. (B) Imagem obtida por SEM (topografia) de nanoesferas de PLGA. 35 Os novos sistemas carregadores coloidais para liberação controlada e dirigida de fármacos procuram mudar a distribuição da substância ativa, aumentando a permanência na circulação sistêmica para que se alcance maior eficácia terapêutica, com doses menores, e baixa toxicidade. Logo, o potencial terapêutico destes dispositivos biodegradáveis encapsulando o ingrediente ativo depende do tempo de circulação na corrente sangüínea e, principalmente, do destino in vivo do carregador, que deve ser direcionado a alvos específicos (freqüentemente designados por “drug targets”) (OKTAR, 2003; PARIS, 2003). Isto pode ser feito pela utilização de copolímeros-bloco (KWON, 2002) como, por exemplo, PEO e PLA, em que a porção hidrofóbica (PLA) forma a matriz polimérica (nanopartícula) enquanto que a porção hidrofílica forma a cobertura. A presença destes polímeros sobre a superfície da partícula decresce a adsorção de opsoninas e subseqüente fagocitose, ou seja, o carregador não é reconhecido pelo sistema de defesa do organismo. Uma aplicação destes sistemas é a utilização de nanopartículas sólidas que encapsulem drogas anticâncer para serem direcionadas mais facilmente ao alvo. Uma das mais promissoras entre as várias estratégias que foram tentadas é utilizar nanopartículas que tenham em sua superfície cadeias de polímeros anfifílicos como por exemplo, o poli(óxido de etileno), PEO, como representado na figura 10 (UCHEGBU, 1999). fonte http://lqes.iqm.unicamp.br Figura 10- Nanoesfera sólida. (A) matriz contendo o fármaco e (B) cadeias de PEO. 36 Trabalhos importantes têm sido realizados com nanoesferas na liberação de fármacos para o cérebro. A difusão passiva de substâncias através das células endoteliais do cérebro é dependente da massa molar e da lipofilicidade dos compostos. Entretanto, um grande número de espécies ativas que possuem lipofilicidade favorável e que normalmente deveriam ser capazes de transpor estas células, não o conseguem (GATTI, 2002). Isto ocorre devido à existência de uma eficiente “bomba de efluxo”, incluindo transportadores aniônicos orgânicos (como P-glicoproteínas, às vezes referidas como proteína de resistência multi-droga). Estes sistemas são conhecidos como barreira hematoencefálica (“blood-brain barrier”), os quais representam um grande obstáculo para várias drogas, incluindo antibióticos, antioncoplásicos, e uma variedade de drogas atuantes no SNC. Uma das possibilidades de vencer esta barreira é a utilização de nanoesferas para o transporte, por exemplo, de neuropeptídeos, para o tratamento de tumores cerebrais. Para isto, as nanopartículas devem ser injetadas por via intravenosa e devem ser cobertas por uma camada de polisorbato para que possam mimetizar lipoproteínas de baixa densidade e, podendo assim interagir com receptores de LDL e difundir pelas células endolteliais do cérebro. Logo, pode-se deduzir que as propriedades de superfície das partículas são fatores chave que determinam a permanência na circulação sistêmica e, aumentam a biodisponibilidade do ingrediente ativo (FILHO, 2003). Entretanto, com a metodologia de se modificar a superfície de nanopartículas, não se conseguiu ainda evitar totalmente a ação, ainda que menor, do sistema reticuloendotelial, uma importante barreira fisiológica (GAUR, 2002) Após administração intravenosa de nanoesferas, assim como de outros carregadores coloidais, as proteínas do plasma conhecidas como opsoninas (imunoglobulinas IGM e IGG , relacionadas à resposta imune inata do organismo), são rapidamente adsorvidas na superfície das partículas. Esta adsorção de opsoninas leva ao rápido reconhecimento pelas células do reticuloendotelial de macrófagos, principalmente no baço e células de Kuppfer, no fígado) e conseqüente fagocitose das partículas, especialmente no fígado (60-90%), baço (2-20%), medula óssea (0,1-1%) e quantidades variadas nos pulmões (SHERSTON et al., 1996). Em função da existência destas barreiras, as recentemente investigações, feitas no sentido de reduzir a captura das partículas coloidais pelo sistema reticuloendotelial, 37 representam uma proposta futura de poder aumentar a concentração destes veículos no sangue e conseqüentemente no alvo desejado (KREUTER et al., 2002; DAVDA, 2002). 3.3- Nanoencapsulamento de Fármacos Os primeiros registros de tentativas de aplicação de nanoencapsulamento datam dos anos 30, mas o primeiro produto com material encapsulado só surgiu em 1954. A empresa norte-americana Nacional Cash Register foi à pioneira ao comercializar um papel de cópia sem carbono (“no carbon required”). Este papel recebia uma fina camada de microcápsulas (menores que 20 µm) contendo uma tinta incolor. Tal camada era recoberta com um reagente também incolor. A pressão da ponta do lápis sobre a superfície do papel rompia as microcápsulas, liberando a tinta incolor que, ao entrar em contato com o reagente, tornavase colorida, produzindo uma outra folha com cópia idêntica ao que estava sendo escrito no primeiro papel. As pesquisas em torno da nanoencapsulamento (Figura 3 e Figura 4), foram embasadas pelo trabalho de Würster, por volta de 1950, com o processo patenteado de encapsulamento de finas partículas sólidas em leito fluidizado (WURSTER, 1964). Em seguida vieram os processos de coacervação (inicialmente para encapsulamento de líquidos e tempos mais tarde como técnica preparativa de nanopartículas), implantes (primeiramente introduzidos nos anos 70) e aplicações transdérmicas. É importante neste momento definirmos alguns termos relacionados a nanoencapsulamento. O termo nanopartículas é genérico, sendo usado de acordo com o tamanho da partícula a que se está referindo. Partículas com tamanho menor que 1 µm são consideradas nanopartículas, enquanto que as partículas maiores são denominadas micropartículas. Existe uma certa controvérsia com relação ao tamanho limite para as micropartículas, uma vez que erroneamente alguns autores consideram partículas maiores que 1 µm como nanopartículas. Na grande maioria dos trabalhos, os sistemas que se mostraram particularmente interessantes foram nanopartículas de polímeros biodegradáveis. Trata-se de um sistema em que o direcionamento do fármaco a sítios-alvo específicos do organismo é claramente identificável, sendo também bastante estável, não sendo reconhecido por macrófagos do sistema reticuloendotelial de defesa. Trata-se, portanto, do melhor sistema ora disponível 38 para se investigar o comportamento de carregadores coloidais em organismos vivos, estritamente ligados à liberação controlada de fármacos (MIDDLETON, 2002). Várias patentes relativas ao uso destes sistemas foram relatadas nos últimos anos, incluindo, por exemplo, nanopartículas ocas de proteínas com capacidade para bioreconhecimento molecular, auxiliadas por um transportador na liberação a células específicas, corte transversal (interior) ativo distribuído uniformemente no interior ativo concentrado no núcleo modelo para preparação de nano e microesferas através de polimerização em micelas reversas (AKKARA et al., 2000) ou mesmo novas formulações de comprimidos com resistência gástrica, utilizando como componentes polivinilpirrolidona reticulado, alginato de sódio, goma xantana e bicarbonato de sódio, dirigindo-se a absorção ao trato gastrointestinal. Há vários métodos diferentes de preparação de sistemas nanoparticulados (FILHO, 2003; SOPPIMATH, 2001). Os mais destacados e utilizados são: 3.3.1- Métodos Mecânicos: Se pensarmos em produção em larga escala, estes métodos podem ser úteis comercialmente. Um exemplo é o revestimento em leito fluidizado, em que partículas são mantidas em suspensão através de um fluxo de ar contínuo e são revestidas por atomização do material revestidor no leito de partículas suspensas. Existe também a centrifugação multiorifício, que utiliza centrifugação para lançar os núcleos através de uma membrana do material revestidor e o revestimento em turbinas, o qual consiste em revestir núcleos sólidos através da pulverização do material de revestimento, com fácil remoção do solvente pela corrente de ar. Entretanto, o método mecânico mais utilizado é o “Spray Drying” (secagem em spray), em que o fármaco, em solução ou dispersão, é nebulizado, juntamente com o material revestidor solubilizado ou fundido. Isto é feito em uma câmara de evaporação, causando a rápida solidificação das gotículas originando as partículas (FARREL, 2003; FILHO, 2003). 39 3.3.2- Métodos Físico-químicos: De um modo geral, estes métodos estão baseados na dissolução de um fármaco, juntamente com um polímero, em determinado solvente, seguida pela adição, sob agitação constante, de um não-solvente à mistura. O não solvente causa à precipitação do polímero ou pode ocorrer também a separação de fases (muitas vezes chamados de processos de coacervação). Estes processos de coacervação podem ser divididos em simples (por mudança no pH, força iônica, temperatura) ou complexos (complexação entre dois polieletrólitos de carga oposta). É bom lembrar que existem casos em que a noção de coacervação não explica a separação de fases líquido-líquido, como é o caso de sistemas inorgânicos recentemente descobertos com polifosfato de sódio/nitrato de crômio/água, onde se tem separação de fases devida a grandes desvios da idealidade termodinâmica(DE AZEVEDO et al., 2002). A copolimerização interfacial, pelo contato entre os monômeros na interface, forma nanocápsulas. Outro ponto importante a se tratar são os mecanismos pelos quais estas nanopartículas podem sofrer biodegradação no organismo humano. Se a matriz polimérica não degrada dentro do corpo ela deve ser cirurgicamente removida, implicando em um alto custo e risco para o paciente. Por exemplo, já havia registros no passado de sistemas alternativos para administração de vacinas em camundongos. Estes pesquisadores demonstraram que a produção de anticorpos em camundongos imunizados com uma única dose de um antígeno contido numa matriz polimérica não degradável mantinha-se por mais de seis meses em níveis comparados aos dos camundongos imunizados por duas vezes com o mesmo antígeno. Entretanto, a aplicação desta estratégia suscitou a preocupação sobre os possíveis efeitos adversos que a presença deste material no organismo poderia ocasionar criando-se, desta forma, a necessidade de remoção cirúrgica do implante, após a liberação do antígeno. Neste sentido, a síntese de polímeros biodegradáveis contribuiu para a melhoria destes sistemas, visto que eles não requerem remoção cirúrgica e apresentam poucos efeitos colaterais (DAYTON, 2002). Matrizes poliméricas biodegradáveis já são biocompatíveis e degradáveis, isto é degradam in vivo em fragmentos menores que podem ser excretados pelo corpo. Estes produtos de degradação não são tóxicos, e não devem criar 40 nenhuma resposta inflamatória. Outra característica importante é a degradação ocorrer em um razoável período de tempo, requerido pela aplicação (PREIS; 1979). Os sistemas de liberação controlada do tipo polimérico são classificados de acordo com vários mecanismos, já conhecidos há algum tempo (PEPPES, 1987). Os sistemas controlados por difusão são os mais comuns e dois tipos são descritos. No primeiro, o agente bioativo (fármaco) forma uma partícula interna (caroço) envolvida por uma barreira de difusão inerte. Estes sistemas incluem membranas, cápsulas, nanocápsulas, lipossomas e fibras ocas. O segundo tipo é um sólido monolítico no qual o agente ativo é disperso ou dissolvido em um polímero inerte e a difusão do fármaco é a etapa limitante, sendo a taxa de liberação dependente da escolha do polímero. Os sistemas controlados quimicamente fazem uso da bioerosão (Figura 11) de polímeros, resultando na absorção dos resíduos pelo organismo. Bioerosão polimérica pode ser definida como a conversão do material insolúvel em água em um material solúvel. A droga também pode estar ligada covalentemente ao polímero e ser liberada por cisão da ligação por ação da água ou de enzimas. Nos sistemas controlados por solvente o agente ativo está dissolvido ou disperso na matriz polimérica e não se difunde através da matriz. Para que ocorra a difusão, o polímero deve se intumescer (por exemplo, com água), abaixando a temperatura de transição vítrea e tornado o material mais plástico. Deste modo, o fármaco contido na matriz pode se difundir para o meio externo. As diferentes formas de liberação controlada mencionados estão sumariadas na Figura 6. 3.4 Microencapsulação de Fármacos O conceito de “microcápsula” surgiu da idealização do modelo celular. Neste, a membrana que envolve e protege o citoplasma e os demais componentes exerce ao mesmo tempo outras funções como controlar a entrada e saída de material na célula. De modo semelhante, a microcápsula consiste, em geral, em uma camada de polímero que atua como um filme protetor, isolando a substância ativa (gotículas líquidas ou partículas sólidas) e evitando os efeitos de sua exposição inadequada. Essa “membrana” desfaz-se sob estímulo específico, liberando a substância no local ou momento ideais. O material ativo também 41 fonte http://lqes.iqm.unicamp.br Figura 11- Formas de liberação do ativo: nanoesferas e nanocápsulas. pode estar incluso em uma matriz sólida de polímero, formando nesse caso uma “microesfera” (SHAHIDI, 1993). As primeiras pesquisas na área farmacêutica, realizadas pela Universidade de Wisconsin (Estados Unidos), datam dos anos 50. As microcápsulas são usadas principalmente para aumentar a estabilidade de uma droga ou para modificar ou retardar sua liberação em locais específicos de ação. Substâncias antiinflamatórias, por exemplo, podem ter seu tempo de atuação no plasma sangüíneo aumentado pela microencapsulação, prolongando seu efeito no organismo. Na área de alimentos, os estudos foram iniciados nos anos 60 pelo Instituto de Pesquisas Southwest (Estados Unidos da América), com a microencapsulação de óleos essenciais para prevenir a oxidação e a perda de substâncias voláteis e controlar a liberação do aroma. Além dos aromas, a aplicação dessa tecnologia estendeu-se à incorporação de aditivos naturais e ingredientes (corantes, temperos, acidulantes, vitaminas e minerais) que alteram a textura, melhoram a qualidade nutricional, aumentam a vida de prateleira ou 42 controlam as propriedades dos alimentos processados da microencapsulação protege esses ingredientes contra perdas nutricionais e preserva ou mascara cor e sabores (inibindo a reação com outros materiais), além de incorporar aos alimentos mecanismos de controle da liberação de certos componentes (RÉ, 2000). A microencapsulação tem inúmeras outras aplicações industriais, entre elas, no setor agropecuário, na produção de pesticidas (herbicidas, inseticidas e parasiticidas) sintetizados quimicamente ou de natureza biológica (microrganismos com atividade específica contra uma praga-alvo). A microencapsulação de pesticidas químicos torna a aplicação do produto mais eficaz, reduzindo riscos de toxidez para o homem durante seu manuseio e, ao controlar a velocidade de liberação para o meio ambiente, diminui o risco de concentrações elevadas na lavoura e contaminação ambiental. No caso de biopesticidas, a microencapsulação mantém o poder do microrganismo de infectar a praga-alvo, protegendo-o do meio ambiente e, principalmente, da inativação pela luz solar, antes que ele seja ingerido pela praga (lagartas, insetos adultos etc.). Inúmeros métodos permitem microencapsular um material ativo, dependendo do tipo do material, da aplicação e do mecanismo de liberação desejado para sua ação. A diferença básica entre esses métodos está no tipo de envolvimento ou aprisionamento do material ativo pelo agente encapsulante, sendo que a combinação entre o material e o agente pode ser de natureza física, química ou físico-química(AKKARA, 2000; GAUR, 2000). Entre os métodos físicos, alguns mais conhecidos são spray drying (secagem de gotículas), spray cooling (solidificação de gotículas por resfriamento) e extrusão (modelamento de microesferas por meios mecânicos). Entre os métodos químicos, destacam inclusão molecular (encapsulação de certas moléculas por outras) e polimerização interfacial (reação de polimerização no limite entre duas soluções, uma delas contendo o material ativo em suspensão). Já os métodos físico-químicos mais estudados são coacervação ou separação de fases (separação do polímero encapsulante de um meio líquido e sua precipitação na superfície do material ativo disperso no mesmo meio) e envolvimento lipossômico (encapsulação por membranas lipídicas) (PARK, 2002). A escolha do agente encapsulante depende do método utilizado para formar as microcápsulas, do tipo de aplicação do produto (aditivos para alimentos, fármacos, fragrâncias, pesticidas etc.) e da forma como ele agir·. A substância encapsulada pode ser 43 liberada por estímulos mecânicos (rompimento das microcápsulas através de pressão) ou outros (variação da temperatura ou do pH no meio onde as microcápsulas ou microesferas estão). Em uma loção cosmética para o corpo, por exemplo, as microcápsulas que contêm a fragrância são rompidas, liberando-a, pela pressão dos dedos durante a aplicação na pele (ruptura mecânica). Já em um medicamento oral, para que a mucosa do estômago seja protegida do contato com o princípio ativo e este seja liberado apenas no local exato de sua absorção (no intestino), pode-se usar um agente encapsulante que só se dissolva em meio alcalino (como o intestinal) (PORTER, 1994). Os produtos microencapsulados hoje á venda no Brasil (drogas antiinflamatórias, vitaminas e suplementos minerais e cosméticos) são importados, pois poucas empresas de países desenvolvidos dominam essa tecnologia. Em todo o mundo, a falta de conhecimentos básicos sobre mecanismos de formação de partículas e sobre as possibilidades de aplicação dos vários processos de microencapsulação conhecidos ainda limita o uso destes, apesar do crescente interesse da indústria. No Brasil, uma das metas do Laboratório de Tecnologia de Partículas, da Divisão de Química do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), é contribuir para o desenvolvimento de uma tecnologia nacional envolvendo preservação e liberação controlada de substâncias ativas, para fornecer, a diferentes setores da indústria nacional, o apoio necessário à elaboração de produtos microencapsulados (SHAHIDI, 1993). 44 3.5 Materiais Utilizados Como Polímeros Biodegradáveis A aplicação de materiais poliméricos para propósitos médicos está crescendo muito rápido, e tem sido evidenciada em diversos campos como engenharia de tecidos, implante de dispositivos médicos e órgãos artificiais, próteses, oftalmologia, odontologia, reparo ósseo e outros Sistemas poliméricos de liberação de drogas são largamente utilizados e não só permitem uma liberação lenta e gradual do ingrediente ativo, como também podem possibilitar o direcionamento a alvos específicos do organismo, como sítios de inflamação ou tumor (SOMA, 2000). Polímeros biologicamente degradáveis incluem, portanto: 3.5.1- Polímeros naturais: São sempre biodegradáveis como, por exemplo, o colágeno, a celulose e a quitosana e são muito utilizados como matrizes em liberação de fármacos. Um exemplo é a aplicação de quitosana enxertada com poli (ácido acrílico), formando um copolímero,na confecção de nanoesferas para se estudar a liberação controlada em função do tempo, utilizando-se de eosina, um corante solúvel em água, como marcador (NASCIMENTO et al., 2001; BRANNON-PEPPAS, 2002). 3.5.2 Polímeros naturais modificados: Um problema encontrado em polímeros naturais é que eles freqüentemente levam muito tempo para degradar. Isto pode ser resolvido adicionando-se grupos polares às cadeias, que por serem mais lábeis podem diminuir o tempo de degradação. Exemplos destas modificações podem ser a reticulação de gelatina utilizando-se formaldeído, a reticulação de quitosana utilizando-se glutaraldeído, levar celulose a acetato de celulose. Modificações enzimáticas também são utilizadas, como a modificação de quitosana por tirosinase. 45 3.5.3- Polímeros sintéticos: São também largamente utilizados, como, por exemplo, poli(etileno), poli(álcool vinílico), poli(ácido acrílico), poli(acrilamidas), poli(etilenoglicol), poliésteres. No caso dos poliésteres, estes são mais utilizados pelo químico e têm no poli(glicolide) o polímero alifático linear mais simples. O monômero glicolide é sintetizado a partir da dimerização do ácido glicólico e a polimerização por abertura de anel leva a materiais de alta massa molar, com aproximadamente 1-3% do monômero residual. Na prática, copolímeros de glicolide com l-lactide e dl-lactide são os mais utilizados em sistemas de liberação controlada, com vantagens. Uma delas é o menor tempo de degradação, este menor tempo de degradação se explica devido à amorfização provocada pela quebra da regularidade entre as cadeias na presença do monômero em copolímeros de l-lactide com 25—70% em glicolide. Uma estrutura típica de um polímero biodegradável é a do poli(ácido láctico). São também preparados copolímeros-bloco compostos de PEOPPO-PEO (Pluronic, um copolímero-bloco relativamente hidrofílico) e poli(alfaaprolactona) (hidrofóbico) obtido a partir da abertura de anel de alfa-caprolactona na presença de PEO-PPO-PEO e catalisador octoato estanhoso (HA, J.C., 2000). 4. Aplicações dos Sistemas de Liberação Controlada No atual contexto mundial, em que a competitividade industrial é crescente, o domínio da tecnologia, ou seja, a aplicação de princípios, métodos, instrumentos ou processos elaborados a partir da pesquisa científica para desenvolver e aperfeiçoar produtos, é essencial para qualquer país. Algumas tecnologias, que podem ser utilizadas em variados setores e permitem um controle mais sofisticado de certas propriedades de uso de diferentes produtos, alcançam hoje maior valor estratégico. Uma delas, que mostra enorme potencial, é a microencapsulação de materiais ativos. Ainda pouco conhecida no Brasil, essa tecnologia envolve processos complexos que permitem incorporar, a um material ativo, novas propriedades funcionais e ‚ inteligentes, como a liberação ou atuação controlada em um 46 meio específico ou sob condições apropriadas, tornando mais eficaz o produto final do qual esse material fará parte. No Brasil temos alguns exemplos importantes a saber: 4.1. Controle biológico de pragas A microencapsulação de bioinseticidas vem sendo obtida, pelo IPT, dentro de estudos que visam ao controle biológico de pragas que infestam culturas importantes para o país, como soja e milho. Um dos bioinseticidas microencapsulados pelo IPT é um complexo com esporos e uma toxina da bactéria Bacillus thuringiensis. O estudo, desenvolvido pelo Agrupamento de Biotecnologia (Divisão de Química) do IPT, em parceria com o Centro Nacional de Recursos Genéticos e Biotecnologia (Cenargen), da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa), visa controlar as populações da lagarta-do-cartucho-do-milho (Spodoptera frugiperda), que causa grandes perdas nessa lavoura. Os testes de desempenho do bioinseticida microencapsulado (figura 5) serão feitos em breve pelo Cenargen. Outro bioinseticida também objeto de pesquisas no IPT é o composto de poliedros de Baculovirus anticarsia, produzidos e purificados pelo Centro Nacional de Pesquisa e Monitoramento de Impacto Ambiental (CNPMA), também da Embrapa, em lagartas criadas e infectadas em laboratório. A microencapsulação desse bioinseticida, usado no combate à lagarta Anticarsia gemmatalis, que desfolha as plantações de soja e reduz as safras, pretende evitar que os baculovírus sejam inativados pela radiação ultravioleta durante a estocagem e a aplicação em campo. Microencapsulado, o vírus permanece ativo por mais tempo, aumentando as chances de que infecte a lagartaalvo ao ser liberado em seu trato gastrointestinal, depois que as microcápsulas são ingeridas por ela (RÉ, 1998). 4.2. Minerais nutricionais e remédios Outro campo para o qual a microencapsulação vem trazendo grandes benefícios é o nutricional, em especial no caso do combate à deficiência mineral. Estudos com crianças, adolescentes, gestantes e idosos demonstram a carência de certos minerais na dieta da população brasileira. A deficiência torna-se mais grave no caso de ferro, iodo, cálcio e 47 zinco, elementos de grande importância em processos orgânicos como crescimento, maturação sexual, atuação do sistema imunológico, produção hormonal, desenvolvimento da inteligência e outros. Instituições governamentais e particulares têm procurado prevenir tais carências através da ‚fortificação de certos alimentos ou da suplementação com medicamentos (aditivos nutricionais). No entanto, a incorporação de vários minerais a alimentos de uso comum (cereais, farinha, leite etc.) apresenta uma grande dificuldade: a reatividade elevada desses elementos com outros ingredientes e a facilidade com que se oxidam, alterando a cor e/ou o gosto do produto. Nesses casos, a microencapsulação pode mascarar o sabor dos minerais nos produtos enriquecidos, reduzir a reatividade com outros componentes e controlar sua liberação nas áreas do trato gastrointestinal que permitam melhor absorção. Nesse contexto, o IPT e o Departamento de Alimentos e Nutrição Experimental, ligado à Faculdade de Ciências Farmacêuticas da Universidade de São Paulo (USP), formaram uma parceria para avaliar se sais de cálcio e ferro microencapsulados e incorporados a alimentos não reagem com outros componentes, mantendo seu poder nutricional. A microencapsulação dos minerais é feita no IPT e a avaliação está sendo realizada em laboratório, em dietas com leite e farinha formuladas pelos pesquisadores da USP. meio emulsivo) e microencapsulado simultaneamente, resultando em um processo chamado de co-precipitação em sistema de quase-emulsão. Testes que simulam a passagem pelo trato gastrointestinal das microesferas produzidas por esse processo estão sendo realizados em laboratório, para avaliar se sua dissolução ocorre de acordo com o previsto. B O Instituto de Pesquisas Tecnológicas também estuda a microencapsulação na área de medicamentos, em cooperação (desde junho de 1996) com o Laboratório de Engenharia Química, do Instituto Nacional Politécnico de Toulouse (França). Juntos, pesquisadores brasileiros e franceses testaram um método de preparação de cristais esféricos criado há pouco no Japão. O formato esférico (figura 6) melhora a fluidez de cristais de drogas farmacêuticas e permite fabricar comprimidos diretamente por compressão. O método foi testado e modificado para que o material ativo (a droga) passe a ser cristalizado (em meio emulsivo) e microencapsulado simultaneamente, resultando em um processo chamado de co-precipitação em sistema de quase-emulsão. Testes que simulam a passagem pelo trato gastrointestinal das microesferas produzidas por esse processo estão sendo realizados em laboratório, para avaliar se sua dissolução ocorre de acordo com o previsto (RÉ, 1998). 48 Outros exemplos na área médica poderão ser vistos em artigos de periódicos anexados a esta monografia (Anexos 1, 2 e 3.) 49 5. CONCLUSÃO A nanotecnologia pode ser vista como a criação de materiais funcionais, dispositivos e sistemas através do controle da matéria na escala de nanômetros, implicando em sistemas que apresentem novos fenômenos e propriedades, que são dependentes do tamanho. Neste contexto a liberação controlada de fármacos “drug delivery systems” se enquadram perfeitamente e se valem destes novos fenômenos dependentes do tamanho (facilitando adsorção e difusão intermembranas, com alta adesão devido à superplasticidade destas partículas) e intrinsecamente também dependentes da funcionalização química, que envolve todos os métodos de preparação e suas modificações. A grande motivação que levou ao estudo destas estruturas nanômetricas aplicadas a sistemas biológicos foram as suas inúmeras vantagens como o direcionamento a alvos específicos, liberação progressiva do fármaco, menor toxicidade, menor número de doses (conveniência), diminuição dos picos plasmáticos, proteção e economia de fármaco. A aplicação de materiais poliméricos biodegradáveis para propósitos médicos tem sua importância para estes sistemas, como foi discutido. Dois tipos de materiais podem ser incluídos neste caso: os biodegradáveis e os bioabsorvíveis. Estritamente falando, polímeros biodegradáveis são aqueles que degradam em fragmentos menores devido à ação de enzimas no organismo, enquanto que o termo bioabsorvível refere-se a polímeros menos estáveis à presença de água. A preparação e funcionalização das nanopartículas utilizadas como carregadores são os pontos importantes da contribuição dos químicos. Vimos exemplos claros deste fato como a aplicação da técnica de “Spray Drying” envolvendo a adição de partículas de SiO2 antes da secagem, obtenção de nanoesferas a partir de micelas poliméricas utilizando-se de hidrogéis de polivinilpirrolidona com isopropilacrilamida e a modificação química da superfície das partículas, utilizando-se da adsorção de polímeros, como grupos hidroxila de moléculas de PVA fixadas a grupos acetil do PLGA, via ligação de grupos hidrofóbicos. Análise crítica do passado recente e o que nós podemos esperar para o futuro. No texto apresentado foi exposta uma parte das inúmeras vantagens relacionadas a sistemas de liberação controlada de fármacos. De fato, ademais da eficácia terapêutica, ela é conveniente ao paciente, seja do ponto de vista de seu conforto e adesão ao tratamento, seja 50 do menor custo em hospitais, com menor necessidade de internações, remoções cirúrgicas de implantes e complicações pós-cirúrgicas. Entretanto nada foi exposto a respeito de possíveis desvantagens associadas a estes tratamentos. Uma dificuldade seria interromper a ação farmacológica do medicamento, no caso de intoxicação ou alguma intolerância, inclusive com risco de acúmulo do fármaco se não for acompanhada a sua farmacocinética. Isto já não é problemático no caso das medicações transdérmicas, em que é possível retirálas. Outros importantes fatores são as diferenças individuais, fazendo com que sejam necessários vários estudos farmacocinéticos e farmacodinâmicos, pois não se pode ter certeza de reprodutibilidade (variações de idade, estado de saúde, metabolismo, como por exemplo, a variação de volume de esvaziamento gástrico ou uma velocidade de liberação mais lenta ou pouca absorção no intestino). Muito se comenta que o custo elevado dos polímeros biodegradáveis pode ser um empecilho, mas o Brasil está fazendo um grande esforço no desenvolvimento de novos polímeros biodegradáveis, como por exemplo o poli(hidroxibutirato co-valerato) de custos menores. A possibilidade de repatenteamento (rejuvenescimento) de fármacos mais antigos, pela reformulação em micro/nanoesferas é uma realidade. Mas, às vezes, nos deparamos com situações um tanto quanto estranhas: por exemplo, hoje há esforços para se encapsular diclofenaco, um antiinflamatório, (o que já se conseguiu, com sucesso). Aspectos éticos importantes estão envolvidos, como o risco do bioterrorismo utilizar nanopartículas como vetores. A nanociência mostra ferramentas novas em busca de aplicações, trazendo algo efetivamente novo e mudando velhos paradigmas de visão de mundo, trazendo impactos reais para a sociedade, como nanotubos de carbono fazendo conexão elétrica entre fios de platina, nanocircuitos, estruturas supramoleculares, automontagem. Os desenhos de engrenagens realizadas com átomos de carbono, de hidrogênio e nitrogênio (os “nanosystems”) beneficiando nanomáquinas estarão muito distantes. Esta revolução tecnológica é um desafio para o Brasil, pois os riscos são elevados em termos de volume de investimento, mas como podemos ser competitivos, principalmente na área de medicamentos com as nossas biodiversidade e na área de processos biotecnológicos com microrganismos, os ganhos podem ser enormes: o “nanomundo” é extremamente “espaçoso”... para todos. 51 6- REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA AKKARA, J. 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