Desenvolvimento de novos carreadores para fármacos a base de zeólitas: estudo das zeólitas Faujasita, Beta e Mordenita como ferramentas para liberação modificada de isoniazida e olanzapina

Abstract

As zeólitas são aluminossilicatos formados pela união de unidades TO4 onde o átomo T geralmente é Si e Al. Estes sólidos apresentam como uma de suas principais características poros e cavidades de dimensões bem definidas, elevadas áreas específicas e capacidade de troca catiônica, conferindo habilidade de peneiramento e armazenamento de moléculas. Estas propriedades fazem que estes materiais sejam recentemente amplamente aplicados e estudados para diversas finalidades, dentre elas se destacam aplicações que visam o melhoramento de medicamentos, tratamentos e diagnóstico de doenças. Considerando essas premissas essa tese tem como objetivo central estudar a aplicação das zeólitas sintéticas Beta, Mordenita e Faujasita, já consolidadas industrialmente, como ferramentas na melhora tecnológica dos fármacos isoniazida e olanzapina. A ioniazida é um dos fármacos utilizados para o tratamento de turbeculose, doença infectocontagiosas que possui um alto índice de mortalidade mundial. A isoniazida é um bactericida que apresenta elevada solubilidade em água e baixa permeabilidade. Por outro lado, a olanzapina é um agente antipisicótico usado para o tratamento de esquizofrenia e doenças de desordem mental, apresentando baixa solubilidade e pouca biodisponibilidade oral. Na busca de um uso mais eficiente destes fármacos, esta tese estuda o desenvolvimento de novos carreadores a base de zeólitas para serem empregados na liberação modificada dos mesmos. Para tal, as zeólitas e fármacos foram previamente caracterizados e os parâmetros relacionados a adsorção e liberação avaliados. Para o estudo conduzido com a isoniazida foram realizadas cinéticas de adsorção a diferentes pH’s, resultados que foram ajustados aos modelos matemáticos de Langergren, a equação de pseudo-segunda ordem e a difusão intrapartículas do modelo de Weber e Morris. Tendo-se como base os resultados cinéticos, foram construídas isotermas de adsorção, considerando o pH mais favorável e o tempo em que o equilíbrio de adsorção é atingido, pH 3 e 4 horas para a Faujasita e pH 6 e 10 horas para a Beta, os resultados obtidos foram ajustados a modelos matemáticos de Langmuir e Freündlich. Materiais híbridos compostos por cada tipo de zeólita e a isoniazida foram formulados e caracterizados por diversas técnicas e os híbridos compostos com as zeólitas Faujasita e Beta estudados quanto a liberação da isoniazida em dois meios de liberação, meio ácido e tampão fosfato, com a finalidade de avaliar se esses híbridos conseguem proporcionar ou não um controle na liberação da isoniazida nesses meios. Esses resultados da cinética de liberação foram ajustados aos modelos matermáticos de Korsmeyer-Peppas e Higuchi. Em paralelo, como uma forma de melhor compreender as interações entre zeólita e isoniazida, foram realizados estudos de modelagem molecular, explorando a mecânica molecular clássica, aplicando campo de força baseado em potenciais interatômicos empíricos com melhor ajuste para o sistema zeólita fármaco, o COMPASS27. Estudos de adsorção também foram conduzidos com a olanzapina onde foi avaliado a influência do pH, do tempo de contato e da concentração inicial da solução de fármaco, assim como estudo de liberação. Os resultados mostraram que as zeólitas Beta e Faujasita foram as que apresentaram melhor capacidade de retenção, em que para a Faujasita só é observado uma adsorção considerável de olanzapina com mudança do pH do meio para 6. Para o estudo com a olanzapina também foi observado maior proteção frente a degradação térmica e liberação em meio ácido do fármaco retino da zeólita.

Zeolites are aluminosilicates formed by the union of TO4 units where the T atom is usually Si and Al. These solids have, as one of their main characteristics, well-defined pores and cavities, high specific areas and cation exchange capacity, conferring sieving ability and storage of molecules. These properties mean that these materials have recently been widely applied and studied for several purposes, among them applications that aim to improve medicines, treatments and diagnosis of diseases. Considering these premises, this thesis has the central objective of studying the application of the synthetic zeolites Beta, Mordenite and Faujasita, already industrially consolidated, as tools in the technological improvement of the drugs isoniazid and olanzapine. Isoniazid is one of the drugs used to treat tuberculosis, an infectious disease that has a high worldwide mortality rate. Isoniazid is a bactericide that has high water solubility and low permeability. On the other hand, olanzapine is an antiphysical agent used for the treatment of schizophrenia and diseases of mental disorder, presenting low solubility and little oral bioavailability. In the search for a more efficient use of these drugs, this thesis studies the development of new carriers based on zeolites to be used in their modified release. For that, the zeolites and drugs were previously characterized and the parameters related to adsorption and release were evaluated. For the study conducted with isoniazid, adsorption kinetics were performed at different pH's, results that were adjusted to the Langergren mathematical models, the pseudo-second order equation and the intraparticle diffusion of the Weber and Morris model. Based on the kinetic results, adsorption isotherms were constructed, considering the most favorable pH and the time in which the adsorption balance is reached, pH 3 and 4 hours for Faujasita and pH 6 and 10 hours for Beta, the results obtained were adjusted to mathematical models by Langmuir and Freündlich. Hybrid materials composed of each type of zeolite and isoniazid were formulated and characterized by several techniques and the hybrids composed with zeolites Faujasita and Beta studied regarding the release of isoniazid in two release media, acid medium and phosphate buffer, in order to to evaluate whether or not these hybrids can provide control over the release of isoniazid in these media. These results of the release kinetics were adjusted to the Korsmeyer-Peppas and Higuchi mathematical models. In parallel, as a way to better understand the interactions between zeolite and isoniazid, molecular modeling studies were carried out, exploring classical molecular mechanics, applying force fields based on empirical interatomic potentials with better adjustment for the drug zeolite system, COMPASS27. Adsorption studies were also conducted with olanzapine where the influence of pH, contact time and initial concentration of the drug solution was evaluated, as well as a release study. The results showed that Beta and Faujasita zeolites showed the best retention capacity, where for Faujasita only a considerable adsorption of olanzapine is observed with a change in the pH of the medium to 6. For the study with olanzapine, it was also observed greater protection against thermal degradation and release in acid medium.

Las zeolitas son aluminosilicatos formados por la unión de unidades TO4 donde suele ser Si y Al. Estos sólidos tienen como una de sus principales características poros y cavidades bien definidos, áreas específicas elevadas y capacidad de intercambio catiónico, lo que les confiere capacidad de tamización y carga de moléculas. Estas propiedades hacen que en los últimos tiempos estos materiales hayan sido ampliamente aplicados y estudiados con diversos fines, entre los que destacan las aplicaciones que tienen como objetivo el diseño de medicamentos, tratamientos y diagnóstico de enfermedades. Teniendo en cuenta estas premisas, esta tesis tiene como objetivo central estudiar la aplicación de las zeolitas sintéticas Beta, Mordenita y Faujasita, ya consolidadas industrialmente, como herramientas en la mejora tecnológica de los tratamientos con los fármacos isoniazida y olanzapina. La isoniazida es uno de los fármacos que se utilizan para tratar la turbeculosis, una enfermedad infecciosa que tiene una alta tasa de mortalidad en todo el mundo. La isoniazida es un bactericida que tiene alta solubilidad en agua y baja permeabilidad. Por otro lado, la olanzapina es un agente utilizado para el tratamiento de la esquizofrenia y enfermedades del trastorno mental, presentando baja solubilidad y poca biodisponibilidad oral. En la búsqueda de un uso más eficiente de estos fármacos, esta tesis estudia el desarrollo de nuevos excipientes basados en zeolitas para ser utilizados en la liberación modificada de los fármacos. Para ello, previamente se caracterizaron las zeolitas y fármacos y se evaluaron los parámetros relacionados con la adsorción y liberación. Para el estudio realizado con isoniazida, se realizaron cinéticas de adsorción a diferentes pH's; resultados que fueron ajustados a los modelos matemáticos de Langergren, la ecuación de pseudo-segundo orden y la difusión intrapartícula del modelo de Weber y Morris. Con base en los resultados cinéticos, se construyeron isotermas de adsorción, considerando el pH más favorable y el tiempo en que se alcanza el equilibrio de adsorción; pH 3 y 4 horas para Faujasita y pH 6 y 10 horas para Beta, los resultados obtenidos fueron ajustados a modelos matemáticos de Langmuir y Freündlich. Se formularon y caracterizaron materiales híbridos compuestos por cada tipo de zeolita e isoniazida mediante varias técnicas y se estudiaron los híbridos compuestos con zeolitas Faujasita y Beta respecto a la liberación de isoniazida en dos medios de liberación, medio ácido y tampón fosfato, con el fin de para evaluar si estos híbridos pueden proporcionar control sobre la liberación de isoniazida en estos medios. Los resultados de la cinética de liberación se ajustaron a los modelos matemáticos de Korsmeyer-Peppas e Higuchi. Paralelamente, como una forma de comprender mejor las interacciones entre zeolita e isoniazida, se realizaron estudios de modelado molecular, explorando la mecánica molecular clásica, aplicando campos de fuerza basados en potenciales interatómicos empíricos con mejor ajuste para el sistema de zeolita fármaco, COMPASS27. También se realizaron estudios de adsorción con olanzapina donde se evaluó la influencia del pH, el tiempo de contacto y la concentración inicial de la solución del fármaco, así como un estudio de liberación. Los resultados mostraron que las zeolitas Beta y Faujasita mostraron la mejor capacidad de retención, donde para Faujasita solo se observa una adsorción considerable de olanzapina con un cambio en el pH del medio a 6. Para el estudio con olanzapina, también se observó mayor protección contra la degradación térmica y la liberación en medio ácido del fármaco retenido en la zeolita.