Visualización, medida de tamaño y cantidad de nanopartículas para la administración de fármacos mediante NTA

Los casos de uso de nanopartículas para la administración de fármacos están aumentando rápidamente. Las nanopartículas ofrecen excelentes propiedades farmacocinéticas, liberación sostenida y controlada, y pueden dirigirse a células, tejidos u órganos específicos. El interés en la administración de fármacos a través de nanopartículas ha aumentado porque la tasa de descubrimiento de nuevos compuestos biológicamente activos, que pueden ser utilizados como terapias para tratar enfermedades, se ha ralentizado. A medida que disminuye el número de nuevos medicamentos presentados en el mercado cada año, el interés por aplicaciones de las estructuras polifuncionales de las nanopartículas para la administración de fármacos está creciendo rápidamente. Todas estas características pueden mejorar la eficacia de los medicamentos existentes.

Las nanopartículas utilizadas en la administración de fármacos se definen como coloides de menos de 1 micrón, que pueden formarse con diversos materiales de diferentes composiciones. Las nanopartículas vectoriales comúnmente definidas incluyen liposomas, micelas, dendrímeros, nanopartículas de lípidos sólidos, nanopartículas metálicas, nanopartículas semiconductoras y nanopartículas poliméricas. Las nanopartículas se han adoptado extensamente para entregar fármacos, genes, vacunas o diagnósticos a células o tejidos específicos de diversas maneras.

Al considerar un sistema de administración de fármacos a través de nanomateriales, el tamaño de las nanopartículas es un parámetro clave ya que influye directamente en su entrega, absorción, descomposición y excreción del cuerpo. Por ejemplo, las nanopartículas de 30 nm a varios cientos de nm pueden acumularse pasivamente en áreas de tumores debido a la fuga de estructuras vasculares, mientras que la actividad fagocítica prefiere partículas >500 nm, y las partículas de <30 nm no se acumulan en conductos biliares y las de <8 nm no lo hacen en los riñones. Además, el hígado absorbe menos partículas pequeñas (25 nm y 50 nm) en comparación con las grandes (200 nm y 300 nm). Por lo tanto, es importante medir con precisión el tamaño de las partículas administradas según diversos sistemas y procesos.

Análisis de sistemas de administración de fármacos mediante NTA (Análisis de Seguimiento de Nanopartículas)

Liposomas

Los liposomas (Figura 1) han sido investigados y desarrollados activamente durante varios años y ahora son el sistema de administración de fármacos más común. Los liposomas están aprobados como sistemas de administración de anfotericina B para infecciones fúngicas o protozoarias, doxorrubicina para el cáncer de mama y para las vacunas contra la hepatitis A e influenza. La importancia y el potencial del uso de liposomas en sistemas de administración continúa creciendo. Las razones son claras.

Figura 1

• Las terapias entregadas a través de liposomas pueden proteger los fármacos de la acción enzimática durante el metabolismo.
• Es posible solubilizar sustancias liposolubles mediante el uso de liposomas.
• Unir ligandos específicos a liposomas puede permitir que se dirijan a áreas específicas para el tratamiento.
• Las células pueden absorber fácilmente los liposomas.
• Se puede seleccionar liposomas para controlar la tasa de liberación.
• El uso de liposomas como vehículos de entrega puede reducir la dosis o la frecuencia de administración, disminuyendo así toxicidades y efectos secundarios.
• Los liposomas pueden transportar materiales biológicos como proteínas y ADN.

El tamaño de liposomas usados es cada vez más reconocido como un factor crítico para la eficacia terapéutica. El tamaño de los liposomas para la administración de fármacos influye en las tasas de circulación y retención en sangre, la eficacia del objetivo y la velocidad de absorción celular (o captación de material extraño celular), afectando en última instancia la liberación exitosa de la cantidad adecuada. Estas consideraciones de tamaño son cruciales para todos los sistemas de entrega de fármacos de tamaño nano.

Medición del tamaño de liposomas mediante NTA

El equipo NanoSight mide el tamaño y la concentración de liposomas en el agua y otros disolventes de manera rápida y precisa.

Solo es necesario un pequeño volumen de muestra con un mínimo de pretratamiento. Este equipo permite visualizar liposomas individualmente en suspensión y rastrear su movimiento Browniano para verificar la distribución del tamaño de las partículas en segundos.

Análisis simultáneo de múltiples parámetros en tiempo real de nanopartículas

NTA puede proporcionar información sobre los siguientes parámetros de partículas además de tamaño y concentración:

• Intensidad de dispersión para identificar poblaciones de partículas adyacentes y distinguir materiales con índices de refracción muy diferentes.
• Con esta función única, los usuarios pueden investigar si las estructuras de administración de fármacos de tamaño nano, como liposomas, difieren en su contenido; por ejemplo, un liposoma vacío podría tener un índice de refracción (capacidad de dispersar luz) más bajo que un liposoma que contiene un material de alto índice de refracción. Por lo tanto, se pueden distinguir incluso tamaños similares.
• La función de detección de fluorescencia puede categorizar adecuadamente partículas clasificadas en un contexto complejo. La capacidad de fluorescencia del NanoSight se explica en notas de aplicación adicionales.
• NTA se ha utilizado en estudios de terapia fotodinámica del cáncer para investigar el efecto del suero en la estabilidad de varios estudios de liposomas (Reshetov et al, Photochem Photobiol. Sep-Oct 2012,88(5):1256-64. doi: 10.1111/j.1751-1097.2012.01176.x).

Uso de NTA en otros sistemas de administración de fármacos

PBAE (poli β-amino éster) puede ser un sistema de administración para terapias genéticas para tratar varios tipos de cáncer. PBAE ofrece ventajas sobre otros sistemas en que permite varias uniones poliméricas a través de rutas de combinación con ADN. También tiene propiedades de liberación rápida debido a la hidrólisis, aunque esto plantea problemas de variación de dosis y en producción y almacenamiento. La liofilización es el método común de almacenamiento y se ha utilizado NTA para evaluar el impacto de la liofilización en la agregación (aumento de tamaño) y descomposición (disminución de tamaño) de nanopartículas de PBAE-ADN (Tzeng et al 2011 y Sunshine et al 2012).

PLGA (ácido poli-láctico-co-glicólico) es un sistema de administración aprobado por la FDA. PLGA se descompone en ácido láctico y glicólico, ambos productos finales de las rutas metabólicas del cuerpo. PLGA ha sido utilizado como sistema de administración para amoxicilina así como para hormonas liberadoras de gonadotropina para el tratamiento del cáncer de próstata avanzado. Para reducir los niveles de tratamiento y los efectos tóxicos secundarios asociados, se encapsuló micofenólico de inmunosupresión en PLGA. NTA se utilizó para verificar el tamaño de las nanopartículas, un parámetro clave para garantizar una entrega correcta y facilitar la comparación de resultados entre investigadores (Shirali et al 2011).

El movimiento exitoso de moléculas a través de las membranas celulares es crucial para la entrega. Dado que la mayoría de las moléculas no pueden penetrar por sí mismas las membranas celulares, se requiere un vehículo de entrega eficiente. Sokolova et al (2012) investigaron el fosfato de calcio (con un diámetro de 100 nm a 250 nm, dependiendo de la funcionalización) como un vehículo versátil para la entrega de moléculas grandes y pequeñas en las membranas celulares utilizando NTA, dispersión de luz dinámica (DLS) y microscopía electrónica (EM).

Ohlsson et al (2012) informaron sobre el movimiento de solutos entre membranas celulares de bicapa lipídica de proteoliposomas individuales con un tiempo inferior a 100 milisegundos, empleando NTA para verificar la estabilidad e integridad de los liposomas.

Ghonaim y colegas han informado extensamente sobre la modificación de la química del lipopoliamina y espermina que afecta a varios sistemas de entrega no virales de ADN plasmídico/siRNA en su estudio de nanopartículas como medios de entrega genética (Ghonaim et al, 2007a, Ghonaim et al, 2007b, Ghonaim et al, 2007c, Ghonaim, 2008, Ghonaim et al, 2009, Soltan et al, 2009, Ghonaim et al, 2010). Del mismo modo, Ofek et al (2010) adoptaron NTA para caracterizar sistemas dendríticos para la entrega de siRNA, y Bhise utilizó NTA para medir el tamaño de partículas y la distribución del tamaño en su estudio de polímeros de entrega genética en cultivo celular (Bhise et al, 2010). Bhise ha ampliado recientemente este estudio para desarrollar un análisis que cuantifique el número de plásmidos por nanopartículas poliméricas, midiendo la densidad de número de plásmidos por nanopartícula de 100 nm usando NTA (Bhise et al, 2011).

Wei et al (2012) ha identificado la necesidad de métodos precisos para caracterizar tamaño, forma y composición de nanopartículas en su desarrollo y avance de nanofármacos, así como para la ingeniería de partículas que mantenga la toxicidad celular inespecífica a niveles bajos y mejore la estabilidad durante el almacenamiento.

Se han reportado otras aplicaciones de medición de tamaño mediante NTA y entrega de sistemas de nanopartículas para fármacos (Hsu et al, 2010, Park et al, 2010, Tagalakis et al, 2010).