Carrageenan and chitosan nanoparticles: production, characterization and preliminary evaluation as controlled release system of 5-fluorouracil

The nanoparticle drug delivery systems are a promising strategy to avoid the adverse conventional effects of cancer chemotherapy. In this work, nanoparticles produced by polyelectrolytic complexation of chitosan and κ, ι, λ-carrageenan were evalueted as a release system of 5-Fluorouracil. At first, the polyelectrolyte complexes were produced from several experimental conditions such as initial polyelectrolytes concentration (0.5, 0.25 and 0.1), charge ratio (10, 1 and 0.1) and mixing order of the polyelectrolytes solutions. The complexes presented hydrodynamic diameter (Dh) between 217 and 1,555 nm, with polydispersity indexes (PDI) below 0.6. The complexes showed zeta potential above 30 mV for cationic particles and below -30 mV for anionic particles, indicating that the complexes have high stability. The nanoparticles showed soft size, polydispersity index and zeta potential variation during 30 days of storage. The Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) proved the interaction of the amine groups of chitosan and sulfate groups of carrageenan in the nanoparticles formation. The 5-FU entrapment in the nanoparticles was also confirmed by FTIR and promoted soft changes on characteristics of the complexes. The encapsulation efficiency ranged from 3.5 ± 1.1 to 15.4 ± 0.6%, the load capacity was maintained between 8.2 ± 0.4 and 38 ± 2.4%, and both were affected by 5-FU initial concentration. The in vitro drug release assay showed a burst effect with much of the drug being released within the first hours, followed by a slow and incomplete release over 8 hours of the experiment. The nanoparticles/5-FU complex showed low cytotoxic effect on tumor cell lines HL-60 and HCT-116, probably due to slightly alkaline pH of the culture medium. This result indicates the need for evaluating in vivo models to study the chitosan/carrageenan/5-FU nanoparticles as a promising tumor targeting delivery system.A liberação controlada de fármacos através de sistemas nanoparticulados é uma estratégia promissora para contornar os efeitos adversos da quimioterapia convencional do câncer. Nesse trabalho, nanopartículas produzidas por complexação polieletrolítica da quitosana e carragenanas (kappa, iota e lambda) foram avaliadas como sistema de liberação de 5-Fluorouracil. Inicialmente, os complexos polieletrolíticos foram produzidos a partir de diversas condições experimentais como concentração inicial de polieletrólitos (0,5, 0,25 e 0,1 mg/mL), razão de cargas (10, 1 e 0,1) e ordem de adição das soluções de polieletrólitos. Os complexos apresentaram diâmetro hidrodinâmico (Dh) entre 217 e 1555 nm, com índices de polidispersão (IPD) inferiores a 0,6 e potenciais zeta acima de 30 mV para partículas catiônicas e abaixo de -30 mV para partículas aniônicas, indicando que os complexos possuem alta estabilidade coloidal. As nanopartículas apresentaram pouca variação de tamanho, índice de polidispersão e potencial zeta durante 30 dias de armazenamento. A espectroscopia na região do infravermelho por transformada de Fourrier (FTIR) comprovou a interação dos grupos amina da quitosana e sulfato da carragenana na formação das nanopartículas, bem como a incorporação do 5-FU na matriz polimerica. A presença do 5-FU promoveu alterações discretas no tamanho, índice de polidispersão e potencial zeta das partículas. A eficiência de encapsulação variou entre 3,5 ± 1,1 a 15,4 ± 0,6% e a capacidade de carga se manteve entre 8,2 ± 0,4 e 38 ± 2,4% e ambos foram influenciados pela concentração inicial de 5-FU. Os ensaios de liberação in vitro do 5-FU encapsulado apresentaram efeito burst, com parte do fármaco sendo liberado nas primeiras horas, seguido de uma liberação lenta e incompleta ao longo de 8 horas do experimento. Os complexos nanopartícula/5-FU apresentaram baixo efeito citotóxico em linhagens de células tumorais HL-60 e HCT-116, provavelmente devido ao pH fisiológico do meio de cultura, resultado que viabiliza estudo das nanopartículas de quitosana/carragenanas/5-FU em modelos in vivo como sistema de liberação sítio dirigida sensível ao pH do microambiente tumoral