Obtention and characterization of nanoparticulated systems loaded with valproic acid and evaluation of its blood-brain barrier penetration

A epilepsia é normalmente a associação de pré-disposição genética e doença ou uma lesão cerebral. Aproximadamente 1 entre 50 a 100 pessoas apresentam essa pré-disposição à convulsões. Um dos fármacos mais prescritos e utilizados para o tratamento de convulsões é o ácido valpróico (AV), tornando-se a medicação de primeira escolha no tratamento da epilepsia infantil por apresentar um amplo espectro de ação, embora apresente efeitos colaterais bastante conhecidos como pancreatite e a hepatotoxicidade, que pode ser fatal. Sistemas nanoparticulados como nanocápsulas, obtidas a partir da utilização de polímeros biodegradáveis como o polietilenoglicol (PEG) e macromoléculas naturais como a quitosana (QS), que proporcionam hidrofilia e bioadesividade, têm sido estudadas com o objetivo de aumentar a penetração cerebral e reduzir a dosagem do fármaco. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo desenvolver e caracterizar físico-quimicamente nanocápsulas de poli(ε-caprolactona) contendo AV e revestidas com QS (NCQ) e/ou com PEG 6000 (NCP e NCQP), investigar a farmacocinética plasmática, a penetração do AV através da barreira hematoencefálica (BHE) por microdiálise e a hepatotoxicidade em ratos Wistar. Nanocápsulas revestidas com QS (NCQ) foram obtidas pelo método de nanoprecipitação do polímero pré-formado seguido do revestimento com adição de 5 mL de solução de QS a 1%. Para a preparação de NCP, foi utilizada metodologia similar adicionando 0,7% de PEG 6000 na fase aquosa. Para a preparação de NCQP, as nanocápsulas preparadas com a adição de 0,35% de PEG 6000 e revestidas posteriormente com solução de QS a 1% (2,5 mL). As formulações foram caracterizadas físico-quimicamente avaliando-se o tamanho das partículas, potencial zeta, pH e taxa de incorporação. As nanocápsulas foram visualizadas por MET e a estabilidade foi investigada por retroespalhamento de luz (Turbiscan Lab®). As formulações (AV 5 mg/mL) apresentaram um pequeno tamanho de partícula (144,2 ± 2,0 nm, 153,2 ± 1,8 nm, e 231,3 ± 15,6 nm, para NCQ, NCP e NCQP, respectivamente), com baixo índice de polidispersão, alta taxa de incorporação (95 a 98 %), pH ácido, potencial zeta positivo para NCQ (+8,7 ± 0,4 mV) e negativo para NCP (- 6,6 ± 0,8 mV) e NCQP (- 2,8 ± 1,3 mV). As fotomicrografias mostraram partículas de forma esférica e as formulações demonstraram boa estabilidade durante 24h de análise a 40°C. As concentrações plasmáticas foram investigadas em ratos Wistar (15 mg/kg via i.v. de AV) para todas as formulações e valproato sódico (grupo controle). A análise farmacocinética compartimental apresentou uma distribuição muito rápida para o AV em NCQ e a ASC0-∞ aproximadamente duas vezes menor em comparação à NCP, NCQP e o fármaco livre (3874 ± 1775; 8280 ± 2136; 7849 ± 1021 e 7978 ± 3622 μg/mL/min, respectivamente). O clearance do AV aumentou significativamente para NCQ (0,284 ± 0,156 L/h/kg) (α = 0,05%). A penetração do AV através da BHE foi realizada em ratos Wistar acordados por microdiálise (MD) cerebral, no córtex frontal utilizando sondas CMA/12 (3 mm). Os experimentos de MD mostraram um aumento de 5 vezes no fator de penetração cerebral após a administração de NCQ em comparação com o fármaco em solução (0,110 and 0,021, respectivamente), demonstrando a viabilidade da utilização de QS como polímero de revestimento objetivando a BHE. A NCP demonstrou um aumento de 1,7 vezes no fator de penetração cerebral e NCQP não demonstrou qualquer diferença na penetração. A investigação da hepatotoxicidade do AV foi realizada após cinco dias de tratamento (dose de 30 mg/kg q12h de AV) em solução ou em nanocápsulas (NCQ ou NCP) com grupo controle de solução salina. Os níveis séricos de asparto aminotransferase (AST), alanina aminotransferase (ALT), gama-glutamiltransferase (GGT), fosfatase alcalina (FAL), creatinina (CRE) e uréia foram determinados. Os resultados mostram a manutenção dos níveis normais de enzimas hepáticas como a ALT e FAL para NCQ (54,2 ± 11,2 UI/mL and 149 ± 26 UI/mL) demonstrando um efeito hepatoprotetor não observado para os outros grupos. Análises histológicas do fígado dos animais não apresentaram a formação de esteatose microvesicular para NCQ em comparação com a formação de esteatoses em todos os outros grupos, incluindo o grupo controle. Ao final, os resultados indicaram que NCQ possa ser uma formulação em potencial, necessitando ser investigada pelo aumento da penetração cerebral de AV e efeito hepatoprotetor observados.Epilepsy is usually a combination of genetic pre-disposition and a disease or a brain damage. About 1 in 50 to 100 people has this genetic predisposition to seizures. One of the world’s most prescribed drugs to treat epileptic seizures is valproic acid (VA), which is the first choice drug to treat epilepsy in childhood due to its broad spectrum of action, although its well known side effects such as pancreatitis, hepatotoxicity can be fatal. Nanoparticulated systems such as nanocapsules, obtained from biodegradable polymers like polyethylene glycol and natural macromolecules like chitosan, who gives the system hidrophilicity and bioadhesivity, have been used to increase brain penetration and reduce drug doses. In this context, the present work aimed to develop and physicochemically characterize poly(ε-caprolactone) nanocapsules loaded with VA and coated with chitosan (NCQ) and/or polyethylene glycol (PEG) 6000 (NCP and NCQP), and to investigate their plasma pharmacokinetics, VA blood-brain barrier penetration (BBB) by microdialysis and hepatotoxicity in Wistar rats. Nanocapsules coated with chitosan were obtained by nanoprecipitation of preformed polymer followed by coating with 1% chitosan solution added prior to final adjustments at a volume of 5 mL. For NCP preparation, similar methodology was used adding 0.7% PEG 6000 in the aqueous phase. For NCQP preparation, the nanocapsules prepared with PEG 6000 (0.35% w/v) was further coated with chitosan 1% in solution adding 2.5 mL prior to the final adjustments. The formulations were physicochemical characterized by particle size, zeta potential, pH, incorporation efficiency. The particles were visualized by MET and the stability investigated by backscattering (Turbiscan Lab®). The formulations (VA 5 mg/mL) presented small particle sizes (144.2 ± 2.0 nm, 153.2 ± 1.8 nm, and 231.3 ± 15.6 nm, for NCQ, NCP and NCQP, respectively), with low polidispersion index, high incorporation efficiency (95 to 98 %) and acid pH. The zeta potential was positive for NCQ (+8.7 ± 0.4 mV) and negative for NCP (- 6.6 ± 0.8 mV) and NCQP (- 2.8 ± 1.3 mV). The photomicrography of all formulations showed spherically shaped particles. The formulations showed good stability during 24 hours investigation at 40 ºC. Plasma concentrations were investigated in Wisar rats after 15 mg/kg i.v. dosing of all formulations and sodium valproate solution (control group). The pharmacokinetic compartmental analysis showed a very rapid distribution of VA when incorporated in NCQ in comparison to the other formulations and the AUC0-∞ about two times lower in comparison to NCP, NCQP and the drug alone (3874 ± 1775; 8280 ±2136; 7849 ± 1021 and 7978 ± 3622 μg/mL/min, respectively). VA clearance was significantly increased after NCQ dosing (0.284 ± 0.156 L/h/kg) (α = 0.05 %). Drug penetration through BBB was performed in awaken Wistar rats by brain microdialysis at the frontal cortex using CMA/12 probes (3 mm). The microdialysis experiments showed a five times increase in VA brain penetration factor after NCQ administration in comparison to drug alone (0.110 and 0.021, respectively), demonstrating the viability of chitosan as coating polymer to aim the BBB. NCP showed only a 1.7 times increase in brain penetration factor and NCQP did not showed any difference in comparison to drug alone. The investigation of drug hepatotoxicity was conducted after 5 days i.v. dosing of VA 30 mg/kg q12h as solution or nanocapsules (NCQ or NCP). A saline control group was also investigated. Serum levels of asparte aminotransferase, alanine aminotransferase, gamma-glutamyltransferase, alkaline phosfatase, creatinin and urea were determined. The results showed the maintenance of normal levels of hepatic enzymes such as alanine aminotransferase and alkaline phosfatase for NCQ (54.2 ± 11.2 IU/mL and 149 ± 26 IU/mL) showing a hepatoprotective effect not observed in the other groups investigated. Histological analysis of animals livers showed no microvesicular steatosis formation when NCQ was administered in comparison with the formation of steatosis in all other groups including control. Overall the results indicate that NCQ is a potential formulation to be investigated for the treatment of epilepsy due to its increase in VA brain penetration and hepatoprotective effect observed