Nanopartículas cólon-específicas de zeína para co-encapsulação de 5-fluorouracil e propionato para potencial aplicação no tratamento do câncer colorretal: desenvolvimento farmacotécnico e atividade biológica in vitro

O câncer colorretal (CCR) ocupa a terceira posição em relação às mortes mundiais relacionadas ao câncer. O 5-fluorouracil (5-FU) é o fármaco de escolha para o tratamento do CCR; no entanto, apresenta uma série de limitações, como absorção instável no trato gastrointestinal (TGI), problemas relacionados a sua elevada hidrofilia, meia vida plasmática curta e variação na sua farmacocinética, ocasionando muitos efeitos adversos. Sistemas de liberação cólon específicos contendo 5-FU a partir de nanopartículas poliméricas têm sido explorados na literatura, visando contornar essas limitações e possibilitar a administração oral desse quimioterápico. Nesse contexto, nanopartículas de zeína tem ganhado cada vez mais destaque principalmente devido à sua capacidade de resistir à degradação da porção superior do TGI. Adicionalmente, a co-encapsulação com o propionato poderia ampliar a eficácia da terapia, já que esse metabólito ativo possui relação com a homeostase intestinal, com a manutenção da integridade da mucosa intestinal, além de também possuir ação anti-inflamatória, imunomoduladora e potencial anticâncer. Dessa forma, o presente trabalho tem por objetivo desenvolver nanopartículas à base de zeína para a liberação cólon-específica do 5-FU e propionato com potencial aplicação no tratamento do CCR. As nanopartículas foram preparadas pela técnica de nanoprecipitação e posteriormente foram caracterizadas quanto aos aspectos físico-químicos e frente atividade in vitro. Em razão da instabilidade desses sistemas, realizou-se um estudo visando a estabilização das nanopartículas por meio dos polissacarídeos quitosana (QS) e alginato de sódio (AS). As partículas contendo AS em sua composição apresentaram diâmetro hidrodinâmico médio (DHM) entre 192 e 259 nm, índice de polidispersão (PdI) de ~ 0,145, potencial zeta (PZ) entre -32 e -53 mV e eficiência de encapsulação (EE%) entre 49 e 50% para 5-FU e 58 e 65% para PROP. Já as partículas contendo QS apresentaram DHM entre 120 e 190 nm, PdI entre 0,190 e 0,286, PZ variando entre 39 e 53 mV e EE% entre 34 e 44% para 5-FU e 49 e 68% para PROP. As nanopartículas contendo QS apresentaram maior estabilidade em condições elevadas de sal e as nanopartículas contendo AS exibiram maior estabilidade frente às diferentes condições de pH. As nanopartículas contendo maior concentração de AS exibiram uma alta estabilidade em todas as análises realizadas, sendo selecionada para a continuidade do trabalho. Ensaios de caracterização físico-química da formulação escolhida evidenciaram a presença de nanopartículas esféricas com distribuição de tamanho uniforme, além de indicarem estabilidade térmica e interação entre 5-FU, PROP e os polímeros utilizados, indicando sucesso na formação das nanopartículas. Os ensaios de corona proteica e de capacidade de interação com a mucina evidenciaram a interação das NPs com proteínas e sua capacidade de interação com a mucina. O perfil de liberação in vitro do fármaco pelas nanopartículas demonstrou liberação controlada ao longo do tempo e capacidade das nanopartículas em proteger o fármaco em condições gástricas. A biocompatibilidade das NPs foi avaliada em células HCT116, exibindo citotoxicidade dose-dependente e efeito aditivo entre os fármacos. Um efeito hormético foi observado nos ensaios de migração celular. As análises por microscopia confocal e citometria de fluxo demonstraram a capacidade de internalização celular das nanopartículas em células HCT116. Esse achado é desejável, considerando o mecanismo de ação intracelular do 5-FU. Frente modelo 3D, as NPs demonstraram efeito citotóxico tempo e dose-dependente. Ademais, as NP foram efetivas em controlar a permeabilidade do 5-FU e do propionato através de monocamada de células Caco-2. Em conjunto, os resultados obtidos evidenciam o potencial das nanopartículas desenvolvidas como uma estratégia promissora para a entrega direcionada de fármacos no cólon, abrindo perspectivas para o aprimoramento de terapias voltadas ao tratamento de doenças colorretais.

Resumo (inglês)

Colorectal cancer (CRC) ranks third among global cancer-related deaths. 5-Fluorouracil (5-FU) is the drug of choice for treating CRC; however, it presents several limitations, such as unstable absorption in the gastrointestinal tract (GIT), issues related to its high hydrophilicity, a short plasma half-life, and pharmacokinetic variability, all of which lead to numerous adverse effects. Colon-specific delivery systems utilizing polymeric nanoparticles to carry 5-FU have been explored in the literature as a means to overcome these limitations and enable the oral administration of this chemotherapeutic agent. In this context, zein nanoparticles have gained increasing prominence, primarily due to their ability to resist degradation in the upper GIT. Additionally, co-encapsulation with propionate could enhance therapeutic efficacy, given that this active metabolite is linked to intestinal homeostasis and the maintenance of intestinal mucosal integrity, while also exhibiting anti-inflammatory, immunomodulatory, and potential anticancer properties. Thus, the present study aims to develop zein-based nanoparticles for the colon-specific delivery of 5-FU and propionate, with potential application in CRC treatment. The nanoparticles were prepared using the nanoprecipitation technique and subsequently characterized regarding their physicochemical properties and in vitro activity. Due to the instability of these systems, a study was conducted to stabilize the nanoparticles using the polysaccharides chitosan (CS) and sodium alginate (SA). Particles containing AS exhibited a mean hydrodynamic diameter (MHD) between 192 and 259 nm, a polydispersity index (PdI) of ~0.145, a zeta potential (ZP) between - 32 and -53 mV, and an encapsulation efficiency (EE%) of 49–50% for 5-FU and 58–65% for PROP. In contrast, particles containing QS showed an MHD between 120 and 190 nm, a PdI between 0.190 and 0.286, a ZP ranging from 39 to 53 mV, and an EE% of 34–44% for 5-FU and 49–68% for PROP. QS-containing nanoparticles demonstrated greater stability under high-salt conditions, whereas AS-containing nanoparticles exhibited greater stability across varying pH conditions. Nanoparticles with the highest AS concentration showed high stability in all analyses performed and were selected for the continuation of the study. Physicochemical characterization assays of the selected formulation revealed spherical nanoparticles with a uniform size distribution, as well as thermal stability and interactions between 5-FU, PROP, and the polymers used, indicating successful nanoparticle formation. Protein corona and mucin interaction assays demonstrated the interaction of the NPs with proteins and their ability to interact with mucin. The *in vitro* drug release profile showed controlled release over time and the nanoparticles' ability to protect the drug under gastric conditions. NP biocompatibility was evaluated using HCT116 cells, revealing dose-dependent cytotoxicity and an additive effect between the drugs. A hormetic effect was observed in cell migration assays. Confocal microscopy and flow cytometry analyses demonstrated the cellular internalization of the nanoparticles in HCT116 cells. This finding is desirable, given the intracellular mechanism of action of 5-FU. In a 3D model, the NPs exhibited a time- and dose-dependent cytotoxic effect. Furthermore, the NPs were effective in controlling the permeability of 5-FU and propionate across a Caco-2 cell monolayer. Taken together, the results highlight the potential of the developed nanoparticles as a promising strategy for targeted colonic drug delivery, opening up prospects for improving therapies for colorectal diseases.

Palavras-chave

Nanopartículas proteícas , Câncer colorretal , Sistemas de liberação de fármacos , Ácidos graxos de cadeia curta , Co-encapsulação , Protein nanoparticles , Colorectal cancer , Drug delivery systems , Short-chain fatty acids , Co-encapsulation

Idioma

Português

Citação

MANTOVANELLI, Vitória Ribeiro. Nanopartículas cólon-específicas de zeína para co-encapsulação de 5-fluorouracil e propionato para potencial aplicação no tratamento do câncer colorretal: desenvolvimento farmacotécnico e atividade biológica in vitro. 2026. 142 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Farmacêuticas) – Universidade Estadual Paulista (Unesp), Faculdade de Ciências Farmacêuticas, Araraquara, 2026.