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Centro Universitário Franciscano Mestrado em Nanociências Disciplina: Nanotecnologia Ana Paula Tasquetto, Benônio Villalba, Bruno Vendrusculo e Iuri Jauris.

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1 Centro Universitário Franciscano Mestrado em Nanociências Disciplina: Nanotecnologia Ana Paula Tasquetto, Benônio Villalba, Bruno Vendrusculo e Iuri Jauris Prof a Dra. Marta Palma Alves Profª Dra. Solange Fagan Profª Dra. Renata raffin

2 Artigo Fator de impacto: 8,795

3 O sucesso dos sistemas de entrega vetorizada são projetados para permitir a entrega de agentes terapêuticos ou de diagnóstico para um local preferencial; Redução da dosagem sistêmica redução dos efeitos colaterais; Maior eficácia na administração do fármaco no local de destino.

4 A capacidade das nanopartículas para localizar o local de ação depende: - Propriedades químicas; - Presença de um vetor-ligante; - Tamanho das partículas. Combinação destas propriedades biodistribuição. Vantagens: - Tempo de circulação do fármaco prolongado; - Entrega controlada.

5 Mesmo com entrega vetorizada somente uma fração da dose administrada se localiza no sítio de destino Enquanto que as nanopartículas restantes se distribuem por todo o corpo Neste caso, a farmacocinética relacionada ao sistema de nanodelivery determina a dose nos tecidos não-alvo.

6 Nanopartículas materiais bem adaptados para a entrega no alvo do tumor Capacidade para circular na corrente sanguínea por períodos de tempo relativamente longo e capacidade de se acumular nos espaços tumor Vetorização de tumores

7 Vetorização ativa de tumores Figura 1: A biodistribuição in vivo de sistemas, administrados por via intravenosa, HFT-T vetorizados e HT-T não vetorizados investigado em um modelo de ratos KB-3-1.

8 Vetorização ativa de tumores Figura 2: O desempenho in vivo de siRNA administrado por sistemas nanodelivery vetorizado e não vetorizado.

9 Vetorização passiva de tumores

10 (A) Fármacos muito pequenos, com peso molecular pequeno, podem difundir-se, através da vascularização, para dentro do tumor, mas também podem difundir-se de volta para fora do tumor, o que permite a remoção destes compostos do espaço tumoral. (B) Aumentar o peso molecular dos fármacos ou o tamanho das nanopartículas fazem com que estas sejam retidas no tumor pelo efeito EPR. Nanopartículas possuindo entre 100 nm e 200 nm tem demonstrando se acumularem nos tumores. Vetorização passiva de tumores

11 Além do tamanho apropriado as nanopartículas devem possuir algumas propriedades que as permitam permanecer na corrente sanguínea por um longo período de tempo. Por exemplo a carga das nanopartículas é um parâmetro importante devido aos seus efeitos conhecidos sobre o tempo de circulação. Estudos in vivo tem demonstrado que a presença de um ligante alvo não parece afetar significativamente o extravasamento das nanopartículas, mas caso haja um estravasamento ineficiente isto poderá afetar o alvo da entrega. Vetorização passiva de tumores

12 Mesmo com alvos ativos e passivos apenas uma fração da dose administrada se acumula no tumor. 1) Há suficiente acúmulo no local de destino? 2) Qual é a dose sistêmica? Desafio

13 A dose eficaz depende da localização das nanopartículas no local do tumor e também da carga máxima (dose) que cada nanopartícula pode entregar. Problema: (ID%/g) tumor < (ID%/g) em órgãos e tecidos como o fígado. Aumento na quantidade de fármacos administrados ou agente de contraste pode ser prejudicial. Desafio

14 A maior capacidade de interiorização das nanopartículas pelas células, acompanhado por um simultânea melhoria do desenvolvimento e compreensão dos sistemas “nanodelivery” é um tema recorrente quando se fala sobre câncer. Claramente, a seleção do ligante alvo é importante, mas as propriedades das nanopartículas que influenciam a acumulação destas no tumor são parâmetros importantes também. Desafio

15 Outra possível aplicação para os sistemas orientados de “nanodelivery” seria na melhora da formação de imagens diagnósticas e o tratamento da arteriosclerose. Neste caso, o sistema de entrega orientado deve circular na corrente sanguínea e aderir a uma região específica da vasculatura. O tamanho reduzido e a área de superfície relativamente grande das nanopartículas as torna candidatos atraentes para esta aplicação. Placas ateroscleróticas

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17 Em outro estudo o contraste das placas ateroscleróticas em exames de ressonância magnética foi aprimorado utilizando-se agentes de contraste através dos sistemas orientados de “nanodelivery”. Tais sistemas orientados realçaram as imagens obtidas em exames de ressonância, e se comparados aos sistemas não orientados estes necessitariam do dobro de concentração na parede da aorta. Tratamento e diagnóstico de doenças cardiovasculares

18 Há uma relação natural entre as propriedades físico-químicas das nanopartículas e o que acontece com a partícula após a administração. Algumas das propriedades mais importantes relacionadas com o alvo de entrega a serem considerados na entrega orientada são a biodistribuição, opsonização e clearance. Destino dos sistemas “nanodelivery”

19 Nanopartículas menores que 5 nm ou 6 nm são rapidamente eliminadas da corrente sanguínea e excretadas. Nanopartículas maiores podem ser removidas da corrente sanguínea pelo retículo-endotelial, através opsonização resultando em acúmulo de nanopartículas no fígado,baço e pulmões. Opsonização e Clearance

20 Tanto o tamanho como a carga das nanopartículas são conhecidos por afetar a opsonização. Porém em geral, menores partículas tendem a circular por períodos de tempo maiores. Estudos realizados com blindagem de carga e redução da adsorção de proteínas no nanomaterial tem mostrado retardar a opsonização.

21 Opsonização e Clearance Em geral, a seleção da taxa de remoção das nanopartículas depende da aplicação. Para tumores, a meia-vida e a dose administrada deveria ser alta, permitindo uma alta concentração de nanopartículas no sangue por várias horas. Pequenas meias-vidas contrastes para diagnósticos por imagens. Como as nanopartículas são altamente mutáveis, o tempo em que estas circulam pela corrente sanguínea pode ser alterado. Pontos quânticos com meias-vidas de 48 min a 20 h

22 Biodistribuição A compreensão da biodistribuição é fundamental para o desenvolvimento de sistemas orientados de “nanodelivery” Alguns dos fatores que afetam as medidas de biodistribuição dos nanomateriais são a dose inicial, o método de administração, a massa tumoral, e o intervalo de tempo experimental. Contudo não existem procedimentos padronizados para medir-se a biodistribuição.

23 Biodistribuição

24 As propriedades físico-químicas que afetam a biodistribuição são igualmente relevantes tanto para alvos orientados ou não. Tamanho, forma, carga superficial e propriedades mecânicas podem ser selecionados com base no efeito que se quer obter na biodistribuição. Estudos revelam que nanopartículas de ouro com aproximadamente 10nm de diâmetro se distribuem em mais tecidos do que as partículas maiores (100 ou 250 nm).

25 Biodistribuição Além disso, a composição das nanopartículas tem mostrado afetar a biodistribuição, determinando a flexibilidade ou “formas adaptáveis” das nanopartículas. Propriedades como carga da superfície também afetam a biodistribuição das nanopartículas. Geralmente, a adição de polímeros hidrofílicos na superfície das nanopartículas neutraliza a carga da superfície. A neutralização da carga de superfície tem sido associada com um aumento no tempo de retenção das nanopartículas no sangue e a diminuição da opsonização pelo RES.

26 A capacidade eficiente de incorporar um medicamento em sistemas de distribuição das nanopartículas depende: - Fármaco; - Nanopartícula; - Método de carga. Incorporação e liberação terapêutica de sistemas “nanodelivery”

27 Estabilidade do fármaco; Hidrofílica ou Hidrofóbica; Polímeros biodegradáveis (auto-montados, micelas); Lipossomas, polimerossomas, nonogéis. Estratégias

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30 (A) Um lipossoma hidrofílico carregado (verde) e fármacos hidrofóbicos (roxo). (B) Encapsulamento de fármacos hidrofóbicos em uma micela. (C) Encapsulação de fármacos hidrofílicos em nanogéis. Entrega de fármacos e diagnóstico

31 Eficiência de aprisionamento (incorporação) (É definido como a fração de carreamento do fármaco pelo montante total deste utilizado ou disponível para carrear). Capacidade de carregamento ou de eficiência (Refere-se simplesmente a relação entre o peso do fármaco incorporado e transportado) Quantificação de fármacos

32 Nanopartículas Biodegradáveis Formadas através da evaporação; Emulsão e solvente; Técnica: - O polímero é dissolvido primeiramente em uma fase orgânica que é posteriormente colocada em uma fase aquosa contínua, agitando-se até que o solvente evapore. - Fármacos hidrofóbicos podem ser facilmente incorporados em partículas durante este processo de diluição do fármaco, juntamente com a fase orgânica do polímero.

33 Quimioterápicos e sprays. Em um estudo que comparou dois tamanhos de partículas de PLGA, dexametasona foi carregado pela primeira vez em microesferas de PLGA usando um típico sistema de óleo em água, com evaporação do solvente. A utilização potencial dos portadores de quitosana tem sido demonstrada para um grande número de drogas e aplicações.

34 Por exemplo, as transportadoras quitosana tem recebido considerável atenção para a entrega de ácidos nucléicos devido a quitosana possuir carga positiva. Um dos fatores que contribuem para versatilidade da quitosana é que uma série de técnicas que foi desenvolvido para sintetizar nanopartículas de quitosana, incluindo gelificação iônica, precipitação, formação de micela reversa, auto- montagem e secagem.

35 Nanopartículas, lipossomas, incluindo, micelas, e polimerssomas, podem ser formadas usando vários anfifílicos, como os lipídios naturais ou copolímeros em bloco. Lipossomas são vesículas constituídas de uma forma esférica bicamada lipídica, ou multicamadas, contendo uma solução aquosa interna espaço vazio. Nanopartículas auto-montadas

36 Encapsulamento lipossomal é um método versátil para a terapêutica de carga, porque os fármacos (hidrofílicas biomoléculas) podem ser carregados no vazio do interior aquoso, enquanto que moléculas hidrofóbicas podem ser presas na bicamada lipídica. Quimioterápicos lipossomal doxorrubicina.

37 Micelas têm sido utilizadas como terapêutica anticâncer. Micelas biodegradáveis de nanopartículas catiônicas foram auto- montados usando anfifílicos poli ((Nmethyldietheneamine sebacato) co-[(colesterol oxocarbonylamido etílico) metil bis (etileno) de amônio brometo] sebacato), P (MDS co-CES). Neste estudo, o Herceptin ®, que é um anticorpo monoclonal, foi anexada à superfície das partículas quando paclitaxel foi carregado no micelas pela dissolução do polímero e drogas em DMF e diálise contra um acetato de sódio / tampão ácido acético. Este método deixe a eficiência de encapsulação de paclitaxel e de 58,1% uma capacidade de carga de 14,3%. Estudos demonstraram que o fármaco poderia ser liberado a partir das nanopartículas sobre um período de 69 h.

38 Polímero chamado vesículas polimerssomas têm sido utilizados para carregar uma variedade de terapias em modelos de fármacos. A insulina foi constituída durante auto-montagem de partículas 122nm. Recentemente, tem havido um interesse na criação de sistemas que são partículas híbridas que combinam as propriedades dos lipossomas e sistemas de polímero sintético para aplicações em nanocarreadores. Eficiência de 60% foram atingidos, quando 10% em peso de docetaxel foi adicionado durante o processo da auto-montagens da partícula.

39 São redes de polímeros reticulados; Hidrofílicos, mas são insolúveis em ambientes aquosos; Permitem que o fármaco seja carregado em matriz polimérica desses materiais, fazendo a liberação controlada depender do coeficiente de difusão do fármaco na rede de hidrogel. Nanogéis

40 Foram desenvolvidos em uma classe de carreadores de fármacos, conhecido como sistemas “inteligente” ou sistemas de entrega “inteligente”; Podem inchar em meio aquoso, e também podem responder a uma variedade de estímulos ambientais, como pH, temperatura, força iônica, ou campo elétrico através de um aumento ou diminuição de volume. Nanogéis

41 Como o campo de administração de fármacos alvo continua a avançar, será cada vez mais importante em projetos de sistemas em nanoescala com propriedades de entrega eficiente, melhorar a eficácia terapêutica e diagnóstica. Devem ser consideradas importantes as propriedades físico- químicas que regem a segmentação, biodistribuição e apuramento, bem como a eficácia do sistema de transporte, defesa, e liberação de agentes terapêuticos e diagnósticos. A seleção e adição de ligantes de direcionamento para a superfície das nanopartículas já foi observada para melhoria na eficácia terapêutica em relação aos sistemas que não os utilizam. Conclusão

42 Assim, começa-se a entender o papel que eles desempenham na orientação e interação de nanopartículas e células. No entanto, os poucos estudos que compararam esses sistemas demonstraram que o papel dos ligantes é dependente da aplicação. Alguns desses estudos têm sugerido que o principal benefício da incorporação de ligantes é mediar a internalização celular. Apenas um pequeno número de estudos têm-se centrado na comparação entre o desempenho in vivo e biodistribuição no alvo em sistemas de entrega. Conclusão

43 Um estudo adicional é necessário para realmente determinar como a presença de um ligante afeta a entrega. O “Design” das nanoparticulas, ou seja, as propriedades físico-químicas, incluindo tamanho, forma, carga superficial e características mecânicas, continuarão a ser os parâmetros chave desses projetos devido ao seu efeito na biodistribuição. É importante levar em conta todos estes fatores em conjunto com as estratégias de segmentação para compreender como predizer e controlar a distribuição de nanopartículas. Conclusão

44 Muitas das mesmas propriedades que governam biodistribuição também determinam a taxa de depuração. O desafio na concepção de materiais para a entrega alvejada é que as propriedades do material deverá permitir um tempo de residência adequado que é o tempo suficiente para a localização das partículas e entrega do fármaco ou de diagnóstico, mas não impede que o sistema seja totalmente eliminada em uma quantidade aceitável de tempo. O tempo de permanência desejado partículas varia com a aplicação desejada, e este período pode ser ajustado. Conclusão

45 Finalmente, o desafio consiste em projetar um sistema que tem a perfeita combinação de propriedades para permitir a articulação adequada das nanopartículas alvo, com o local de destino, biodistribuição conveniente e eficiente de remoção. As propriedades dos materiais que contribuem para a segmentação, biodistribuição e eliminação também deve ser equilibrada com as propriedades que afetam a capacidade de apanhar uma terapêutica ou diagnóstica. A principal consideração na determinação da capacidade de um sistema de nanopartículas para prender uma molécula é a interação entre o polímero e a terapêutica. Conclusão

46 Esta relação é muitas vezes um saldo de interações intermoleculares, incluindo interações hidrofóbicas/hidrofílica e eletrostática. Outra consideração é o método em que o fármaco pode ser incorporado no material, e se os métodos disponíveis permitirão que uma quantidade aceitável seja carregada. A estratégia de carga e de estabilidade do fármaco retido também deve ser cuidadosamente considerado, a fim de projetar sistemas que sejam capazes de transportar uma quantidade suficiente do medicamento para o local de destino. Conclusão

47 Á medida que avançamos no sentido de desenvolver sistemas de alto desempenho nanodelivery plenamente eficazes, será necessário projetar novos materiais que incorporam as melhores propriedades para a segmentação, biodistribuição, a depuração, incorporação de fármacos, e liberação no local de destino. Conclusão


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