MEDICAMENTOS DE LIBERACIÓN...

APLICACIONES BIOMÉDICAS DE LOS COLOIDES MAGNÉTICOS

CURSO DE DOCTORADOMEDICAMENTOS DE LIBERACIÓN MODIFICADA

(MASTER EN CIENCIA, TECNOLOGÍA Y USO RACIONAL DEL MEDICAMENTO)

Dr. José Luis Arias [email protected]

Dept. Farmacia y Tecnología FarmacéuticaUniversidad de Granada

ÍNDICEAPLICACIONES BIOMÉDICAS DE LOS COLOIDES MAGNÉTICOS

1. Principales estrategias de formulación. 2. Principales propiedades de interés biomédico.3. Destino biológico y toxicidad.4. Transporte de fármacos.5. Nanoplataformas multifuncionales magnéticas.6. Aplicaciones biomédicas no relacionadas con el

transporte de fármacos.7. Conclusiones.8. Bibliografía.

1. PRINCIPALES ESTRATEGIAS DE FORMULACIÓN

Óxidos de hierro.Óxidos de hierro superparamagnéticos (SPION).Metales y aleaciones metálicas:

FePt, Fe3Pt, FeCo, CoFe2O4, FePt-Au.

1. PRINCIPALES ESTRATEGIAS DE FORMULACIÓNÓXIDOS DE HIERRO (y SPION)

Principales óxidos de hierro:Magnetita (Fe3O4).

Maghemita (γ-Fe2O3).

Hematita (α-Fe2O3).

Akagenita (β-FeOOH).

Wustita (FeO).

Goetita [FeO(OH)].

Fe3O4

1. PRINCIPALES ESTRATEGIAS DE FORMULACIÓNÓXIDOS DE HIERRO (y SPION): MAGNETITA

Estrategias de preparación:Métodos físicos:

Gas phase deposition.

Electron beam lytography.

Difícil obtención de escala nanométrica.

Métodos químicos:Rutas químicas (húmedas): chemistry solution-based methods,laser pyrolisis, chemical vapor deposition.

Procedimientos químicos: flow injection syntheses, hydrothermalreactions, hydrolisis and thermolysis of precursors, electrospraysyntheses, sonochemical reactions, precipitation in highlyconstrained domains (precipitation using microemulsions andvesicles, sol-gel preparation, polymer matrix-mediated synthesis,co-precipitation technique of iron salts, oxidation method).

Permiten controlan la composición, el tamaño y la forma:

• Variables: concentración de cationes, fuerza iónica, presencia de contraiones, pH.

Métodos de fase gaseosa:Thermal decomposition (pyrolisis), reduction, hydrolysis, disproportionation, oxidation.

100 nm


10 mL

FeCl2 1 M

HCl 2 M

40 mL

FeCl3 1 M

Ammonia1 M

(500 mL)

Room Temperature

Magnetically decanted

1) HClO4 2 M

2) EtOH

Chemicalco-precipitation

4 mL/min 1 mL/min

Mechanical stirring(2000 rpm)


40 60 80 100 120 140 1600

5

10

15

20

25

3080 + 25 nm

Diameter (nm)

Freq

uenc

y (%

)

1) Flushed with N2

2) 90 ºC, 4 hours

3) Cleaning

25 mL 5 M KOH

25 mL 2 M KNO3

216 mL Milli-Q water

Flushed with N2

6.5 mL

0.1 mL H2SO4

FeSO4 1 M

Flushed with N2

Oxidationmethod

1. PRINCIPALES ESTRATEGIAS DE FORMULACIÓNÓXIDOS DE HIERRO (y SPION): MAGHEMITA

Estrategias de preparación:Flame spray pyrolisis.

Oxidación de nanopartículas de Fe3O4 a 90 ºC en unasolución de nitrato férrico.

Tamaño ≈ 2 – 8 nm.

One-pot microemulsion method.

Thermal evaporation and co-precipitation techniques.

3. PRINCIPALES PROPIEDADES DEINTERÉS BIOMÉDICO

Funcionalización superficial.Hidrofobia/hidrofilia.Carga superficial.Geometría.Magnetismo.Capacidad de transporte de fármacos.

FUNCIONALIZACIÓN SUPERFICIAL


SPION/Polymer(core/shell)

Iron oxide(SPION)

Biodegradable polymer



Matrices inorgánicas: oro, sílice, gadolinio, hidrotalcita, zeolita, etc.

Matrices lipídicas: liposomas, niosomas, nanopartículas sólidas lipídicas, fosfolípidos, etc.

Estabilizadores monoméricos: carboxilatos, fosfatos, sulfatos, etc.

Estabilizadores orgánicos no poliméricos: 3-(aminopropil)trimetoxilano, ácidos alquenosulfónicoy alquenofosfónico, ácido oleico, ácido lactobiónico, ácido láurico, ácido hexadecilfosfónico, ácido ω-hidroxicarboxílico,ácido dodecilfosfónico, ácido hexadecilfosfónico, fosfonatos o alquilfosfonatos, etc.

Carbono.

Polímeros: Biodegradables: dextrano, carboxil-dextrano, dextran carboxilmetilado, alcohol polivinílico (PVA), alginato, chitosan,poli(ácido acrílico), poliaspartato, polisacáridos, gelatina, almidón, PEG, poli(glicolida), poli(D,L-lactida) (PLA),copolímero de poli(D,L-lactida) y PEG), poli(PEG-monometacrilato), poli(D,L-lactida-co-glicolida) (PLGA),poli(alquilcianoacrilato) (PACA), poli(ε-caprolactona) (PCL), poli(metiliden malonato), polietilen imina,poli(2-(metacriloiloxi)etil fosforilcolina)-block-(glicerol monometacrilato), etc.

No biodegradables pero biocompatibles: etilcelulosa, polímeros sintéticos (poliestireno, polimetilmetacrilato), etc.

Células: eritrocitos.

Virus: adenovirus.

Proteínas: albúmina sérica humana.



80 100 120 140 160 180 2000

10

20

30

40128 + 19 nm

Freq

uenc

y (%

)

Diameter (nm)

3 hours

1000 r.p.m.

Ethyl-2-cyanoacrylate [1 % (w/v)]

2 mM HCl

0.75 % (w/v)

1 mL 10-1M KOH



1) Rotavapor

2) Magnetic cleaning10-5 N HCl1 % (w/v) Pluronic F-68

SQdFdCEtOH solution

(1 mg/mL)

5 % (w/v) dextrose2 % (w/v) pluronic F-68

0.15 % (w/v)

Room Temperature

500 rpm



Magnetospirillumgryphiswaldense

Magnetosomas

Magnetosomas



Recubrimiento: ácido poliacrílico + ácido fólico

Permite controlar:Termodinámica superficial.

Propiedades eléctricas superficiales.

Geometría.

Interacción con MPS (RES).

Biodistribución, toxicidad,biocompatibilidad.

HIDROFILIA/HIDROFOBIA


CARGA SUPERFICIAL


1E-5 1E-4 1E-3 0,01 0,1

-50-40-30-20-10

010203040506070

pH = 5

Poly(ethyl-2-cyanoacrylate)

Core/shell

Fe3O4

ζ (m

V)

[KNO3] (M)

GEOMETRÍA


Magnetismo.

Biodistribución.

Toxicidad.

MAGNETISMO


-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500-500-400-300-200-100

0100200300400500

Magnetite 90 nm

Magnetite 9 nm

Magnetite 140 nm

M (k

A/m

)

H (kA/m)

MAGNETISMO


-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500-500-400-300-200-100

0100200300400500

Composite (US-Fe3O4/SQgem)

Composite (Fe3O4/SQgem)

Magnetite 9 nm

Magnetite 140 nm

M (k

A/m

)

H (kA/m)

MAGNETISMO


1.1 tesla

Fe3O4

Composites

MAGNETISMO


CAPACIDAD DE TRANSPORTE DE FÁRMACOS


0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,0100

2

4

6

8

10Maximum drug loading: 1 %

Γ S (%

)

[Gemcitabine HCl]eq (M)

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,0100

2

4

6

8

10

Γ S (μ

mol

/m2 )

[Gemcitabine HCl]eq (M)

Poor drugloading properties



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

20

40

60

80

100

Phosphate buffered saline (PBS), 37 ºC, 50 rpm

Gem

cita

bine

HC

l Rel

ease

(%)

Time (hours)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00

20

40

60

80

100

Gem

cita

bine

HC

l Rel

ease

(%)

Time (hours)

Uncontrollable drug release properties



Fe3O4

Biodegradable polymer

4. DESTINO BIOLÓGICO Y TOXICIDAD

LD50 de Fe3O4 en ratas: 400 mg/Kg.

LD50 de Fe3O4 recubierto con dextrano en ratones ≈ 4400 mg/kg.

Buena tolerancia en perros y ratas de dosis ≤ 3000 μmol Fe/Kg.

Campo magnético externo:1 T, 15 cm de alcance.

Implantes magnéticos.

4. DESTINO BIOLÓGICO Y TOXICIDAD

CONDICIONES EXPERIMENTALES:

Dosis de MAG-SQGem NPs: 5 mg/Kg eq. en el día 6 desde el desarrollo del tumor sólido.

Animales: ratones DBA/2 con tumor sólido subcutáneo inducido(L1210 wt, tamaño: 50 – 100 cm3).

Tiempo de exposición al imán (1.1 teslas): 2 horas.

5. TRANSPORTE DE FÁRMACOS


Magnetic nanoparticles for drug delivery

Small size.

Appropriate magnetic responsiveness.

Carry a wide variety of chemotherapeutic agents.

Controllable drug release rates.

Maximum biocompatibility. Minimal antigenicity.

Biodegradability.

Reproducible at large scale.


Algunos ejemplos de fármacos vehiculizados:Antitumorales: doxorrubicina, epirubicina, adriamicina,gemcitabina, metotrexato, 5-fluorouracilo, ftorafur.

Antiinflamatorios: 21-acetato de dexametasona.

Enzimas: estreptoquinasa.

Péptidos: clorotoxina.

Proteínas.

Anticuerpos: transtuzumab.

Plásmidos (magnetofección).



Dosis de MAG, SQGem, MAG-SQGem NPs: 5 mg/Kgeq. los días 6, 9, 13 y 16 tras el desarrollo deltumor sólido.




0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 5 10 15 20 25

Days after tumor inocculation

Tum

or v

olum

e (m

m3 )

Untreated SQgem NA (5mg/kg eq.)Mag-SQgem NA (5mg/kg eq.)

Antitumor activity of magnetic composites (5 mg/Kg eq)compared with SQGem nanoassemblies (5 mg/Kg eq)against L1210 wt subcutaneous tumor bearing mice.

Doses: IV injections on days 6, 9, 13 and 16 after development of 50 – 100 cm3 sized tumors (p < 0.05)


0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25 30 35

Post treat,ent (Days)

Surv

ival

(%)

CONTROL

SISTEMA MAGNÉTICO(GEMCITABINA)

GEMCITABINA

CONTROL GEMCITABINA SISTEMA MAGNÉTICO(GEMCITABINA)


B = 1.1 T

B = 0 T

Evidencia de la actividad antitumoral in vivode SQGem en un modelo murino de tumor

sólido (s.c.): “prussian blue staining”


TCL-SPION: magnetosomas


La nanotecnología posibilita el acceso a nuevas dianas específicas dela quimioterapia:

Enzimas y receptores específicos de células cancerosas.

Cambios en las vías de los mecanismos de transducción.

Expresión de receptores relacionados con la angiogénesis,

Alteraciones en la replicación, reparación, traducción, transcripción del DNA.

Modificaciones postsintéticas del DNA.

Procesos de regulación cromosómica.

National Cancer Institute (EE.UU.): La nanotecnología ofrece extraordinariasposibilidades para lograr avances significativos en el tratamiento del cáncer.

5. TRANSPORTE DE FÁRMACOSTRANSPORTE MAGNÉTICO DE GENES (MAGNETOFECCIÓN)

6. NANOPLATAFORMAS MULTIFUNCIONALESMAGNÉTICAS

TRANSPORTE DE FÁRMACOS E HIPERTERMIA


TRANSPORTE DE FÁRMACOS E HIPERTERMIA

Calentamiento bajo la influencia de un campo magnético alterno: mecanismo de relaj


TRANSPORTE DE FÁRMACOS Y RESONANCIA MAGNÉTICADE IMAGEN (MRI)

SPION son potentes potenciadores de los tiempos de relajación de protones T1 y T2.

Además:Agente de contraste (ión metálico pesado: 111In, 99mTc, Gd, Mn).

Agente fluoróforo.

National Cancer Institute (EE.UU.): La nanotecnología ofrece extraordinariasopciones para lograr avances significativos en el diagnóstico (por imagen) del cáncer.


Principales aplicaciones de la nanotecnología al diagnóstico:Obtención de información anatómica, farmacocinética y farmacodinámicaen los estudios de fármacos.

Identificación de moléculas biológicas diana.

Identificación de procesos celulares diana.

TRANSPORTE DE FÁRMACOS Y RESONANCIA MAGNÉTICADE IMAGEN (MRI)

Imagen de órganos y tejidos.

Imagen específica de células (etiquetado de células).

Imagen del transporte de fármacos: AGENTES TERAGNÓSTICOS.


TRANSPORTE DE FÁRMACOS Y RESONANCIA MAGNÉTICADE IMAGEN (MRI) DE ÓRGANOS Y TEJIDOS


TRANSPORTE DE FÁRMACOS Y RESONANCIA MAGNÉTICADE IMAGEN (MRI) ESPECÍFICA DE CÉLULAS


TRANSPORTE DE FÁRMACOS Y RESONANCIA MAGNÉTICADE IMAGEN (MRI) DEL TRANSPORTE DE FÁRMACOS

¿Sistemas teranósticos?



¿Sistemas teranósticos?¿De qué estamos

hablando?



¿Y si pudiéramosdiagnosticar la eficacia

de una terapia deforma individualizada?

7. APLICACIONES BIOMÉDICAS NO RELACIONADASCON EL TRANSPORTE DE FÁRMACOS

Ingeniería de tejidos.Radioinmunoterapia y terapia fotodinámica.Bioanálisis e inmunoensayos.

Separación de células.

inmobilización enzimática.

Sensibilización celular.

inmunoensayos.

Separaciones biológicas y ambientales.

7. APLICACIONES BIOMÉDICAS NO RELACIONADASCON EL TRANSPORTE DE FÁRMACOS

INGENIERÍA TISULAR

5. UN PASO ADELANTE:LOS SISTEMAS TERANÓSTICOS

5.1. PRINCIPALES COMPONENTES

Teranosis: Asociación de un test diagnóstico y una intervención terapéutica específicao dirigida basada en los resultados del test.

Testdiagnóstico

Identificará pacientes que responderán eficazmente a una terapia.

Identificará pacientes que no responderán a una terapia.

Identificará pacientes que tendrán RAMs consecuencia de una terapia.

Monitorizará en el tiempo la respuesta individual a untratamiento específico.

Validará la estrategia terapéutica.

Intervenciónterapéutica

Será útil en el tratamiento del estado patológico.

Será específica y con toxicidad mínima.

Mejorará la calidad de vida del paciente.


5.1. PRINCIPALES COMPONENTES

Teranosis: Asociación de un test diagnóstico y una intervención terapéutica específicao dirigida basada en los resultados del test.

Requisitos:Pequeño tamaño (< 100 nm).

Alta densidad de vehiculización de fármacos y agentes de contraste o fluoróforos.

Eficiente “tissue targeting” y mínima captación no específica.

Mecanismo de liberación de fármaco basado en respuesta a estímulos.

Proporcionará una imagen ultrasensitiva para poder prevalidar y monitorizar la terapia.

5. UN PASO ADELANTE:LOS SISTEMAS TERANÓSTICOS5.2. EL PUNTO DE VISTA FARMACOLÓGICO

Un poco de historia:Captación de iodina en metástasis de carcinomas tiroideos.

• Pacientes respondedores a dosis terapéuticas de 131I.

Radioinmunoimagen (captación y dosimetría de Mab radiomarcados).• Pacientes respondedores a la radioinmunoterapia.

Detección de receptores de somatostatina.• Pacientes respondedores a la terapia con

radionúclidos mediada por Rsomatostatina.

• Pacientes respondedores a la terapia conanálogos de somatostatina.


Sistema teranóstico:Si la diana del fármaco es una molécula biológica:test diagnóstico de imagen + fármaco.

Si la diana del fármaco es un proceso celular:test diagnóstico de imagen + grupo de fármacos que actúenen el proceso celular diana.

Agente de contraste,agente fluoróforo Fármaco

+

Sistema teranóstico

=


5.3. EL PUNTO DE VISTA GALÉNICO

Mab, LR de factores de crecimiento, LR hormonales, etc.

Agentes antitumorales, agentes antiateroscleróticos, etc.

Agentes de contraste, agentes fluoróforos, etc.



NPs perfluorocarbono cargadas con gadolinio (� 200 nm).Gadolinio: metal paramagnético (agente de contraste en RM).

Detección, caracterización, tratamiento y seguimiento de la angiogénesis.

Nanobialys cargadas con manganeso.

NPs obtenidas por autoensamblaje molecular de cadenas anfifílicas de PEI (50 – 100 nm).

Detección y tratamiento de la aterosclerosis.

Fármacos: DOX y camptotecina (vehiculización � 100 %).

MAb específicode fibrina (NIB5F3)

Cloruro deProtoporfirina

manganeso (III)

MRI



Sistemas NPs para el diagnóstico y la terapia fotodinámica de lesiones ateroscleróticas.NPs magnetofluorescentes recubiertas de dextrano.

Proceso de formaciónde una placa de ateroma Corte de una placa de ateroma



Sistemas NPs para el diagnóstico y la terapia fotodinámica de lesiones ateroscleróticas.NPs magnetofluorescentes recubiertas de dextrano.

• Captación incrementada en placas de ateroma.

• Gran especificidad por macrófagos, sin toxicidad.

• Detección mediante MRI(núcleo superparamagnético: 8000 Fe / NP).

• Detección mediante fluorescencia (750 nm)(conjugación NP - agentes fluoróforos: Alexa Fluor 750).

• Agente fotosensibilizante (650 nm):5-(4-carboxifenil)-10,15,20-trifenil-2,3-dihidroxiclorina (TPC).

Tampón7.4

Efecto positivo del tiempo en laacumulación (protección estérica)

Línea celular de macrófagosmurinos RAW 264.7

Macrófagos humanos (U937)en PBS + 1 hora de

tratamiento con luz (650 nm)

Fototoxicidaddosis dependiente



Sistemas magnéticos coloidales en angiogénesis.Micelas poliméricas anfifílicas con capacidad de respuesta a campos magnéticos.

• Ligando superficial: cRGD específico de integrinas αvβ3.

• Fármaco: DOX liberado por mecanismo pH dependiente.

• Agente de contraste: SPIO.

• Micela anfifílica polimérica: MAL-PEG-PLA o MPEG-PLA.

Células endotelialestumorales SLK

(integrinas αvβ3)

CONTROL

Microscopía confocal de barrido láserde la fluorescencia de la DOX

(1 hora de incubación en células SLK)


5.3. EL PUNTO DE VISTA GALÉNICOSistemas magnéticos coloidales en el tratamiento del cáncer.

Escualenos de gemcitabina con núcleo magnético.

• Detección mediante MRI y capacidad de respuesta a campos magnéticos(Fe3O4 ultrapequeña � 9 nm).

• Agente quimioterápico: escualeno de gemcitabina (SQGem).

� 150 nm1) Rotavapor

2) Limpieza magnéticaSolución acuosa acidulada de ATA

Agitación mecánicaa Tª ambiente

Soluciónetanólica

de SQgem




Ausencia de tratamiento

Insuficiente eficacia terapéutica

¿Eficacia terapéutica óptima?




Eficacia terapéutica óptima

¿Y si pudiéramosdiagnosticar la eficacia

de una terapia deforma individualizada?




Diagnóstico de la localización del coloide magnético en el tumor

Suspensión deNPs compuestas(MAG-SQGem)

Suspensión deFe3O4 (9 nm)

Suspensiónde SQGem

Agua destilada

Aspecto granular(T2 reducida)

RMN: 7 teslas





RMN: 7 teslas

Suspensión deFe3O4 (9 nm)

Aspecto granular(T2

* reducida)

Suspensión deNPs compuestas(MAG-SQGem)






Dosis de MAG-SQGem NPs: 5 mg/Kg eq. en el día 6 desde el desarrollo del tumor sólido.







Antes de I.V. 2 horas tras I.V.


Ratón nº 1RMN: 7 teslas





Antes de I.V. 2 horas tras I.V.Antes de I.V. 2 horas tras I.V.






Antes deI.V. 2 horas

tras I.V.







Una vez diagnosticada la eficaciadel coloide magnético en alcanzar el tumor,¿podemos predecir que esta estrategia será

útil en el tratamiento de este modelode tumores sólidos?.




Determinación de la eficacia antitumoral del coloide magnético


Dosis de MAG, SQGem, MAG-SQGem NPs: 5 mg/Kgeq. los días 6, 9, 13 y 16 tras el desarrollo deltumor sólido.






Determinación de la eficacia antitumoral del coloide magnético

Eficacia antitumoral estadísticamente significativa

en comparación con el tratamiento de referencia

Mediante el sistema teranóstico hemos podido predecir la

eficacia antitumoral

6. CONCLUSIONES

Es necesario diseñar sistemas capaces de interaccionar específicamente concomponentes celulares y biomoléculas relacionadas con el diagnóstico y eltratamiento del cáncer (National Cancer Institute, EE.UU.).

Los sistemas teranósticos permiten individualizar al máximo la farmacoterapiapara obtener los mejores resultados clínicos posibles.

Un sistema teranóstico aportará información sobre la eficacia de la farmacoterapiaantes que los métodos tradicionales (ej. observación de la remisión tumoral).

La teranosis puede acelerar el proceso de desarrollo de nuevos fármacos, a la vezque reduce los riesgos asociados y los costes, y potenciará el asesoramiento deuna enfermedad.

7. BIBLIOGRAFÍA

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J.R. McCarthy, F.A. Jaffer, R. Weissleder, A macrophage-targeted theranostic nanoparticlefor biomedical applications, Small 2 (2006) 983-987.

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