Development of nanostructured delivery scaffolds for doxorubicin via electrospinning

Abstract

Doxorubicin (DOX) is a class I (high permeability and high solubility) anthracycline antibiotic widely used as a chemotherapeutic drug for treating many types of cancers. It can induce apoptosis of cancerous cells by damaging DNA and its replication via the mechanisms of intercalation between nucleotides, by inhibition of topoisomerase-II and by generating oxygen free radicals. However, free DOX is known to have a very low therapeutic index and repeated administration of high doses are required to achieve the desirable therapeutic effect, which causes severe side effects to normal tissues like cardiotoxicity and myelosuppression. So, the development of suitable carrier systems for local treatment of cancer recurrence is necessary. Recent studies indicate that an enhanced therapeutic efficacy can be achieved by using nanocarriers that accomplish rapid drug release once they arrive at the tumor site. It is recognized that the use of electrospun nanofibers for drug carriers is very promising in the biomedical field, mainly for the local chemotherapy postoperation. The objective of this study is to develop a novel system for local application of DOX either in surgical locci or in a topical application device enabling a controlled release of the drug. The developed system involves the encapsulation of DOX into electrospun polymeric nanofibers. Chosen polymers were poly (ethylene oxide) (PEO) and poly (ε-caprolactone) (PCL), because they are both biocompatible and biodegradable, and are approved by FDA, and chitosan (CS) which is a biocompatible natural polymer. Nanofibers’ composition and preparation methods were optimized for the two polymeric systems. Topographic and morphologic characterization were done by Scanning Electron Microscopy (SEM). Crystalline structural characterization of the produced nanofibers was achieved by differential scanning calorimetry (DSC) and X-ray diffraction evidencing the presence of DOX inside the fibers. To elucidate the interactions between the polymer and DOX, as well as, to analyze the chemical composition, Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR) and Nuclear Magnetic Resonance (NMR) were used. To know more about the surface properties of the nanofibers produced, contact angles of water on the surface of the electrospun nanofibers were measured. Mechanical properties of the nanofibers were also evaluated by stress- strain tests. Controlled release assays were carried out at cancer tissues’ conditions (pH 5.5 and 37°C). The kinetics of DOX release from PEO-loaded with and without CS, and from PCL-loaded nanofibers was established and can be tailored adjusting electrospinning conditions and drug load capacity. The sulforhodamine B (SRB) assay was also performed to measure drug-induced cytotoxicity in human colorectal cancer cell line HCT-116.

A doxorrubicina (DOX) é uma antraciclina pertencente à classe I (elevada permeabilidade e elevada solubilidade) muito usada como fármaco anticancerígeno. A DOX pode induzir a apoptose das células cancerígenas danificando o ADN e interferindo na sua replicação através de mecanismos de intercalação entre os nucleótidos, por inibição da topoisomerase-II e por gerar radicais livres de oxigénio. Contudo, a DOX é conhecida por ter um baixo índice terapêutico sendo necessárias elevadas doses e administrações repetidas para obter o efeito terapêutico desejado, causando efeitos secundários severos tais como cardiotoxicidade e mielossupressão. Estudos recentes indicam que se pode alcançar uma melhor eficácia de tratamento usando nano transportadores para a entrega local de fármacos para quimioterapia local após cirurgias. O objetivo deste trabalho é desenvolver um sistema contendo DOX para aplicação local tanto na loca cirúrgica após extração do tumor, como na forma de um dispositivo de aplicação tópica que permita a libertação controlada do fármaco onde for necessário. O sistema desenvolvido envolve a encapsulação da DOX em nanofibras poliméricas produzidas por electrospinning. Os polímeros escolhidos foram o óxido de polietileno (PEO) e a policaprolatona (PCL) devido à sua biocompatibilidade e biodegradibilidade e por serem aprovados pela FDA, e o quitosano (CS) por ser um polímero natural biocompatível. A composição e o método de preparação das nanofibras foram otimizados para os dois sistemas poliméricos. A caracterização topográfica e morfológica foi realizada por Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM). A caracterização estrutural cristalina das nanofibras produzidas foi efetuada por calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e por difração de Raios-X que evidenciaram ainda a presença de DOX dentro das fibras. As propriedades mecânicas foram avaliadas por testes de tensão e stress. Para elucidar acerca das interações entre os polímeros e a DOX, assim como para analisar a composição química das fibras, foi usada a Espetroscopia de Absorção no Infravermelho por Transformada de Fourier (ATR-FTIR) e a Ressonância Magnética Nuclear (NMR). Para saber mais sobre as propriedades da superfície das nanofibras, foram medidos os ângulos de contacto com a água. Os ensaios de libertação controlada do fármaco foram realizados sob condições miméticas dos tecidos cancerígenos (pH 5.5 e a 37°C). A cinética da libertação de DOX das nanofibras de PEO com e sem CS e das nanofibras de PCL foi avaliada e poderá ser alterada ajustando as condições do electrospinning e a capacidade de encapsulamento do fármaco. O ensaio de sulforodamina B (SRB) foi também realizado para medir a citotoxicidade induzida pelo fármaco na linha celular do cancro colorectal HCT-116.