Sistemas multifuncionalizados empregando nanopartículas de quitosana ancoradas com metotrexato e incorporadas em micropartículas baseadas em amido resistente/pectina como estratégia para liberação cólon-específica do 5- fluorouracil como potencial para o tratamento do câncer colorretal

Abstract

5-fluorouracil (5-FLU) e metotrexato (MTX) são utilizados no tratamento do câncer colorretal (CC), no entanto, sua eficácia clínica é limitada devido à falta de especificidade, levando a efeitos colaterais graves. Neste sentido, nanopartículas (NPs) baseadas em quitosana (QS), encapsuladas com 5-FLU e funcionalizadas com MTX, bem como a incorporação dessas NPs em micropartículas (MPs) de amido resistente e pectina (AR/P) para administração oral foram delineadas visando alcançar a liberação direcionada, e aumentar a concentração local do fármaco no cólon e/ou região tumoral. O método de geleificação ionotrópica utilizando tripolifosfato (TPP) como reticulante foi eficiente na obtenção de NPs de QS/TPP/5-FLU, as quais apresentaram diâmetro médio entre 122,2 a 155,0 nm, com índice de polidispersão (PDI) entre 0,24 e 0,35, valor de potencial zeta (acima de +21 mV) e forma esférica. A eficiência de encapsulação (EE) do 5-FLU nestas NPs variou entre 12,24 a 23,58%, demonstrando que a amostra com maior proporção de QS (4:1:1 QS/TPP/5-FLU) promoveu maior EE. A QS foi conjugada com sucesso ao MTX, e o teor do MTX obtido para as amostras QS-MTX-1; QS-MTX-2 e QS-MTX-3 foi de 16,92, 27,52 e 30,89%, respectivamente. As NPs funcionalizadas com MTX apresentaram diâmetro médio entre 376,4 e 407,8 nm, com valores de PDI entre 0,38 e 0,41 e potencial zeta entre +31,6 e +26,3 mV, demonstrando uma redução na EE do 5-FLU (15,71-18,23%). Ensaios de mucoadesão demonstraram que as NPs de QS/TPP sem e com adição de 5-FLU apresentaram maior capacidade mucoadesiva comparadas as NPs funcionalizadas com MTX, as quais promoveram uma redução nos valores de potencial zeta, indicando uma menor adsorção de mucina à superfície dessas NPs. As NPs de QS/TPP com e sem 5-FLU foram encapsuladas em MPs de AR/P usando o método de geleificação ionotrópica por gotejamento manual e/ou aerossolização, e as MPs carregadas com NPs apresentaram diâmetro médio acima de 800 µm e 10 µm, respectivamente. A forma esférica das MPs e a eficiência de incorporação das NPs nas MPs foram confirmadas em ambos os métodos. Os estudos de liberação in vitro do 5-FLU demonstraram que a encapsulação das NPs em MPs de AR/P promoveu um maior controle das taxas de liberação do 5-FLU, com redução significativa em meio ácido (53%). NPs de QS foram marcadas com sucesso usando o fluoróforo Cy5 para sua monitorização usando imagens ópticas multiespectrais em camundongos. Nos ensaios de biodistribuição in vivo, as NPs QS-Cy5 apresentaram uma distribuição mais rápida ao longo do trato gastrointestinal (TGI), ou seja, um tempo de trânsito mais curto em comparação com as MPs carregadas com NPs. Além disso, as NPs QS-Cy5 mostraram absorção não específica na corrente sanguínea com acúmulo no rim, enquanto que para as MPs carregadas com NPs não foi observado acúmulo significativo no sangue ou nos principais órgãos, indicando que a encapsulação das NPs em MPs de AR/P resultou em uma maior proteção das NPs ao longo do TGI após a administração oral. Portanto, o conjunto de resultados sugere que as MPs de AR/P são potenciais carreadores para a liberação de NPs carregadas de fármaco ao cólon e este trabalho contribuirá para o desenvolvimento de sistemas orais para o tratamento do CC.

5-fluorouracil (5-FU) and methotrexate (MTX) has been widely used in the treatment of colorectal cancer (CRC), however, its clinical efficacy is limited due to its lack of specificity, leading to severe side effects. In this sense, chitosan (CS) nanoparticles (NPs) encapsulated with 5-FU and functionalized with MTX, as well as the incorporation of these NPs into resistant starch and pectin (RS/P) microparticles (MPs) for oral administration were designed to achieve targeted release, and to increase local drug concentration in the colon and/or tumor region. Ionotropic gelation method using tripolyphosphate (TPP) as a crosslinker was efficient in obtaining CS/TPP/5-FU NPs, with a mean diameter between 122.2 and 155.0 nm, with a polydispersity index (PDI) between 0.24 and 0.35, zeta potential value (above +21 mV) and spherical shape. 5-FU encapsulation efficiency (EE) in these NPs ranged from 12.24 to 23.58%, showing that the sample with a higher proportion of CS (4:1:1 CS/TPP/5-FU) which presented higher EE. CS was successfuly labelled to the MTX and MTX content obtained for CS-MTX-1; CS-MTX-2 and CS-MTX-3 samples were 16.92, 27.52 and 30.89%, respectively. NPs functionalized with MTX presented mean diameter between 376.4 and 407.8 nm, with PDI values between 0.38 and 0.41 and zeta potential between +31.6 and +26.3 mV, with a small reduction in the EE of 5-FU (15.71-18.23%). Mucosadhesion studies demonstrated that the CS/TPP NPs with and without 5-FU, presented higher mucoadhesive capacity compared to the NPs functionalized with MTX, which led to the reduction in the zeta potential values, indicating lower adsorption of mucin on the surface of these NPs. CS/TPP NPs with and without 5-FU were encapsulated into RS/P MPs using ionotropic gelation method by manual dripping and/or aerosolization, and MPs loaded with NPs had average diameter above 800 μm, and diameter of 10 μm, respectively. Spherical shape of the MPs and nanoparticle encapsulation efficiency into microparticles were confirmed in both methods. In vitro release studies demonstrated that the encapsulation of NPs into RS/P MPs promoted greater control of 5-FU release rates, with a significant reduction in acid media (53%). CS NPs were successfuly labelled using Cy5 fluorophore and were monitored using multispectral optical imaging in mouse. In vivo biodistribution studies, CS-Cy5 NPs showed a faster clearance in the distribution pattern along the gastrointestinal tract (GIT), i.e., a shorter transit time compared to CS NPs-loaded RS/P microparticles. In addition, CS-Cy5 NPs showed non-specific absorption into the blood-stream with associated kidney accumulation, while for the CS NPs-loaded RS/P microparticles no significant accumulation was observed in blood or major organs, indicating that the encapsulation of NPs into RS/P MPs resulted in higher protection of the NPs along the GIT after oral administration. Therefore, the set of results suggests that RS/P MPs are potential carriers for delivering drug-loaded nanoparticles to the colon and this work will contribute to the development of oral-systems for the treatment of CRC.