Avaliação da segurança e da viabilidade tecnológica de nanofibras de celulose de caule de tabaco como insumo farmacêutico

Abstract

Derivados celulósicos como a nanocelulose vêm se destacando e gerando interesse contínuo em diversas áreas devido a sua versatilidade e alto valor agregado. Na tecnologia farmacêutica, as nanofibras de celulose (NFC) de resíduos agroindustriais surgem como uma importante alternativa aos excipientes tradicionais. O caule de tabaco se apresenta como um material rico em celulose tornando-se uma alternativa sustentável a ser explorada como fonte de nanofibras de celulose. Sendo assim, a presente tese prioriza a sustentabilidade, a utilização de materiais que seriam descartados para obtenção de novos produtos. Primeiramente, foi realizada uma análise sobre o panorama atual de patentes abrangendo um período de 12 anos envolvendo propriedades intelectuais relacionados a nanocelulose em produtos farmacêuticos. As patentes foram divididas por clusters e separadas em dois principais grupos: (i) NFC+NC (sinônimos de nanocelulose) e (ii) BNC (nanocelulose bacteriana). As patentes dentro desses grupos foram classificadas em cinco grandes áreas de acordo com sua aplicação. O cluster de design e manufatura representou 50% e 35,5% das patentes para os grupos compostos por nanocelulose (NFC+NC) e nanocelulose bacteriana (BNC), respectivamente. O cluster referente aos “sistemas de cultura celular e tecnologia celular” representaram 13,4% das patentes pesquisadas apenas para o grupo NFC+NC. Na sequência, o cluster de drug delivery mostrou que 17,9% e 35,5% das patentes pertenciam aos grupos NFC+NC e BNC. O grupo referente à “tratamento de feridas” forneceu 11,6% das patentes para o grupo NFC+NC e 6,5% para o BNC. Por fim, o grupo de “engenharia de tecidos” classificou 7,1% e 22,6% das patentes NFC+NC e BNC. Como segunda abordagem, a possibilidade de utilização das NFC de caule de tabaco na produção de formas farmacêuticas orais trouxe consigo a preocupação com a segurança do material devido aos conhecidos efeitos deletérios do tabaco à saúde. Portanto, um estudo em modelo animal foi realizado para estabelecer a segurança das NFC de caule de tabaco para posterior uso como um “novo” ingrediente farmacêutico. Os resultados do ensaio de toxicidade aguda (Up and Down) realizado em ratas Wistar, mostraram que as NFC de caule de tabaco não apresentaram toxicidade ao utilizar doses de 175, 550, 1750 e 5000 mg.kg-1. No teste de toxicidade subcrônica de dose repetida (28 dias), os resultados mostraram que as NFC não causaram mortalidade ou sinais de toxicidade em ratas Wistar quando foram utilizadas doses de 500, 2500 e 5000 mg.kg-1. Assim, devido à aparente ausência de efeitos adversos nas avaliações hematológica, bioquímica e histopatológica, a extrapolação dos resultados para humanos sugere que as NFC de caule de tabaco devam ser relativamente seguras para uso nas doses testadas. Esse resultado positivo abriu perspectivas para propor seu uso como potencial insumo farmacêutico. Por fim, com a determinação da segurança das NFC de caule de tabaco, uma abordagem tecnológica para aplicação das NFC foi possível. O comportamento gel-like das NFC foi explorado e utilizado como agente aglutinante em processo de granulação em leito fluidizado. Os resultados foram comparados com a povidona (PVP), um aglutinante amplamente utilizado na indústria. Dessa forma, ao comparar o uso de NFC e PVP como agentes aglutinantes, foi possível mostrar que a dispersão de NFC apresentou viscosidade semelhante à dispersão de povidona, mesmo em diferentes concentrações. Foram produzidos grânulos com propriedades de fluxo fraca, baixa umidade e altos rendimentos. Além disso, a friabilidade granular apresentou para todos os grânulos, exceto para THP-NFC, uma perda de massa na faixa de 20% após 10 min de rotações. Os resultados representam a análise de três lotes diferentes e revelam que a povidona e as nanofibras de celulose diferem quimicamente entre si e apresentam mecanismos de interação distintos que podem ser influenciados pela presença do fármaco. Este resultado positivo contribuiu para uma análise comparativa tanto das questões morfológicas quanto das propriedades de fluxo dos grânulos obtidos. Em conclusão, a presente tese compilou as patentes mais recentes quanto ao uso da nanocelulose em produtos farmacêuticos e possibilitou a compreensão do avanço deste biomaterial como uma tendência promissora para o desenvolvimento de um futuro mais verde. A avaliação de segurança in vivo revelou o aspecto não-tóxico ou minimamente tóxico das NFC de caule de tabaco e se mostrou como uma alternativa sustentável e segura para uso como insumo farmacêutico nas doses experimentadas e compatíveis com o uso proposto. Sendo assim, o processo tecnológico de granulação em leito fluidizado proporcionou o uso das NFC de caule de tabaco como agente aglutinante e os resultados obtidos são um indicativo favorável da atuação dessas nanofibras como um aglutinante ecologicamente correto em substituição a um material amplamente utilizado.

Cellulosic derivatives such as nanocellulose have been standing out and generating continuous interest in several areas due to its versatility and high added-value. In pharmaceutical technology, nanofibrillated cellulose (NFC) from agro-industrial wastes arises as an important alternative to the traditional excipients. Tobacco stalk emerges as a cellulose-rich material becoming a sustainable alternative to be explored and its possible multifunctionalities applied as a plant-based nanofibrillated cellulose source. Thus, the present thesis prioritizes sustainability, the use of materials that would be discarded to obtain new products. Firstly, an analysis on the current panorama regarding the search of patents within a 12-year timeframe involving applications related to nanocellulose of all types in pharmaceuticals was performed. Patents were divided-by-clusters and separated into two main groups: (i) NFC+NC (synonyms for nanocellulose), and (ii) BNC (bacterial nanocellulose). The patents within these groups were classified into five major areas according to its application. Design and manufacturing cluster represented 50% and 35.5% of patents for the groups comprising nanocellulose (NFC+NC) and bacterial nanocellulose (BNC), respectively. Cell culture systems and cell technology cluster depicted 13.4% of searched patents only for NFC+NC group. In the sequence, drug delivery cluster showed that 17.9% and 35.5% of patents belonged to NFC+NC and BNC groups. Wound healing cluster provided 11.6% of patents to NFC+NC group and 6.5% to BNC. Lastly, tissue engineering cluster classified 7.1% and 22.6% of NFC+NC and BNC patents. As a second approach, the possibility of using NFC from tobacco stalk in the production of oral pharmaceutical forms brought with it the concern about the material’s safety due to tobacco’s known deleterious effects on health. Therefore, an animal model study was carried out to establish the safety of NFC from tobacco stalk for later use as a “new” pharmaceutical ingredient. Results showed that NFC in the acute toxicity test (Up and Down) performed on female Wistar rats was practically non-toxic when using doses of 175, 550, 1750 and, 5000 mg.kg-1. In the repeated dose subchronic toxicity test (28 days), the results showed that NFC did not cause mortality or signs of toxicity in female Wistar rats when doses of 500, 2500 and, 5000 mg.kg-1 were used. Thus, due to the lack of apparent adverse effects found in hematology, clinical biochemistry and histopathology assess, the extrapolation of the results to humans suggests that NFC from tobacco stalk should be relatively safe for usage at experimented doses and compatible with the proposed use. This positive result opened perspectives to prospect its use as a potential pharmaceutical ingredient. Finally, by the establishment of safety, a technological approach to apply NFC from tobacco stalk could be performed. The gel-like behavior of NFC was explored and used as binder agent in a fluidized bed granulation process. Results were compared with povidone (PVP), a widely binder used in industry.Therefore, when comparing the use of binding agents NFC and PVP, it was possible to show that NFC dispersion presented similar viscosity to povidone dispersion, even in different concentrations. The process provided granules with fair flow properties, low moisture, and high yields. Additionally, granules friability presented for all granules, except for THP-NFC a weight loss in the range of 20% after the 10-min rotations. The results represent the analysis of three different batches and reveal that povidone and nanofibrillated cellulose chemically differ from each other and exhibit different mechanisms of interaction that may be influenced by the presence of the drug. This positive result contributed to a comparative analysis of both morphological issues and the flow properties of the granules obtained. In conclusion, the present work had compiled the protected innovations regarding the use of nanocellulose in pharmaceuticals and turned possible the comprehension of the advance of this biomaterial as a promise trend to the development of a greener future. The in vivo safety evaluation revealed the non-toxic or minimally toxic aspect of NFC from tobacco stalk and proved to be a sustainable and safe alternative for usage as pharmaceutical ingredient at experimented doses and compatible with the proposed use. In addition, the technological process of fluidized bed granulation provided the use of NFC from tobacco stalk as binder agent and the positive results demonstrated to be a favorable indication of the NFC role as an eco-friendly substitute binder to a widely used material.