Macromolecular confinement of therapeutic protein in polymeric particles for controlled release: insulin as a case study

ABSTRACT Sustained release systems for therapeutic proteins have been widely studied targeting to improve the action of these drugs. Molecular entrapping of proteins is particularly challenging due to their conformational instability. We have developed a micro-structured poly-epsilon-caprolactone (PCL) particle system loaded with human insulin using a simple double-emulsion w/o/w method followed by solvent evaporation method. This formulation is comprised by spheric-shaped microparticles with average size of 10 micrometers. In vitro release showed a biphasic behavior such as a rapid release with about 50% of drug delivered within 2 hours and a sustained phase for up to 48 h. The subcutaneous administration of microencapsulated insulin showed a biphasic effect on glycemia in streptozotocin-induced diabetic mice, compatible with short and intermediate-acting behaviors, with first transition peak at about 2 h and the second phase exerting effect for up to 48h after s.c. administration. This study reveals that a simplified double-emulsion system results in biocompatible human-insulin-loaded PCL microparticles that might be used for further development of optimized sustained release formulations of insulin to be used in the restoration of hormonal levels.

Crude ethanol extract from babassu (Orbignya speciosa): cytotoxicity on tumoral and non-tumoral cell lines

Plant-derived substances have been considered as important sources of drugs, including antineoplasic agents. Babassu mesocarp is popularly used in Brazil as a food additive, and in popular medicine against several conditions, such as inflammations, menstrual pains and leukaemia. From babassu Orbignya speciosa (Mart.) Barb. Rodr. [Arecaceae (Palmae)] epicarp/mesocarp, an ethanol extract was prepared and named OSEME, which was tested on the viability,morphology and metabolism of several cell lines, such as the leukaemic cell lines, HL-60, K562 and the latter multidrug resistant counterpart K562-Lucena 1, the human breast cancer cell line MCF-7, the mouse fibroblast cell line 3T3-L1 and fresh human lymphocytes. OSEME promoted a dose-dependent decrease on the viability of all cells. This effect was much more pronounced on the tumoral cell lines than on non-tumoral cells, a phenomenon revealed by the dose of OSEME which promotes half of maximal effect (ID50). The decrease on viability was followed by shrinkage of cells, alteration on their morphology, and a markedly nuclear condensation. Curiously, stimulation of 6-phosphofructokinase activity (6.6-times) was observed on HL-60 cells, treated with OSEME, when compared to control treated with ethanol (vehicle). These results support evidences to suggest OSEME as a promising source of novel antineoplasic agents.

Substâncias derivadas de plantas têm sido usadas como importante fonte de agentes antineoplásicos. O mesocarpo do babaçu é popularmente usado no Brasil como suplemento alimentar e na medicina popular para o tratamento de várias afecções, tais como: inflamações, cólicas menstruais e leucemia. A partir do epicarpo/mesocarpo do babaçu Orbignya speciosa (Mart.) Barb. Rodr. [Arecaceae (Palmae)] foi preparado um extrato etanólico, denominado OSEME, o qual foi incubado com as seguintes linhagens humanas leucêmicas: HL-60, K562 e a sua derivada resistente a múltiplas drogas, K562-Lucena 1; além destas, foram testadas a linhagem humana de câncer de mama, MCF-7; a linhagem de fibroblastos de camundongo, 3T3-L1 e linfócitos humanos de sangue periférico. OSEME promoveu diminuição da viabilidade em todas as linhagens celulares testadas de maneira dose-dependente. Este efeito foi mais pronunciado sobre as linhagens celulares tumorais quando comparado às não tumorais, o que foi revelado pela dose de OSEME capaz de promover metade do efeito máximo (ID50). A diminuição da viabilidade foi acompanhada por danos sobre a morfologia celular com pronunciada condensação citoplasmática e nuclear. Curiosamente, quando a linhagem HL-60 foi tratada com OSEME, foi detectado um aumento de 6,6 vezes da atividade da enzima 6-fosfofrutoquinase, quando comparado ao grupo controle (células tratadas com o veículo etanol). Esses resultados sugerem que OSEME pode ser uma promissora fonte de novos agentes antineoplásicos.

High dilutions of Euphorbia tirucalli L. (aveloz) modify the viability and glycolytic metabolism of cell lines / Altas diluições de Euphorbia tirucalli L. (aveloz) modificam a viabilidade e o metabolismo glicolítico de linhas celulares

The latex of Euphorbia tirucalli L. (Aveloz) is popularly used to treat cancers from diverse sources such as: breast, prostate, lung and kidney. Furthermore, high dilutions of this latex (latex-HDs) have been successfully used in the treatment of tumors, although the mechanisms involved in this antitumoral activity are not yet known [...] Latex-HDs were obtained through the interaction of two procedures: 1:100 dilution in mass and agitation, using 2 solvents, water and 70% ethanol in homeopathic preparations 5, 15 and 30cH, following the Brazilian Homeopathic Pharmacopeia. Cell lines were incubated with 1 % and 10 % of latex-HDs for 24 hours. Controls treated with similar preparations without latex were incubated under the same conditions. Cell viability was analyzed by MTT assay and morphological features were assessed by May-Grunwald-Giemsa method. Cell ultrastructure was analyzed by transmission electron microscopy. Metabolic alterations were detected by spectrophotometric assay for the enzyme 6-phosphofructo-1-kinase (PFK-1) activity. 1% of ethanolic latex-HDs induced no alterations in MelanA cells viability, however Aveloz 15cH induced an increase in MCF7 cells viability. After aqueous treatment, MelanA cells viability decreased in almost all systems, whereas in MCF7 cells, an increase was detected in dynamized water systems and Aveloz 15CH. However, only water 15cH increased cell viability in comparison to control and non-dynamized water. No alterations in MCF7 morphology and ultrastructure were visualized through light microscopy or electronic microscopy, respectively. Interesting results were detected when we studied the glycolytic metabolism of both cells, giving support to evidences showing that HDs interfere in the metabolism of cell lines. Further studies are needed to better understand the mechanisms involved in this in vitro biological response to HDs.

O látex de Ephorbia tirucalli L. (aveloz) é usado popularmente no tratamento de diversos tipos de câncer incluindo mama, próstata, pulmão e rim. Além do mais, altas diluições desse látex (latex-HDs) têm sido utilizadas com sucesso no tratamento de tumores, embora o mecanismo dessa ação ainda seja desconhecido [...] As látex-HDs foram obtidas através de 2 procedimentos: diluição 1:100 em massa e agitação, com 2 solventes, água e etanol 70%, nas diluições homeopáticas 5, 15cH e 30cH de acordo com a Farmacopéia Homeopática Brasileira. As linhas celulares foram incubadas com látex-HDs 1% e 10% por 24 horas. Foram preparados controles similares sem o látex e incubados sob as mesmas condições. A viabilidade celular foi analisada através do método May-grunwald-Giemsa. A ultrastrutura celular foi analisada através de microscopia eletrônica de transmissão. As alterações metabólicas foram detectadas por ensaio de espectrofotometria para a atividade da enzima 6-fosfofructo-1-quinase (PFK-1). Látex-Hds em etanol 1% não induziram qualquer alteração na viabilidade das células MelanA, mas Aveloz 15cH induziu aumento da viabilidade das células MCF7. Após tratamento, a viabilidade das células MelanA diminuiu em quase todos os sistemas, enquanto que nas células MCF7 foi detectado aumento nos sistemas aquosos e Aveloz 15cH, mas só água 15cH aumentou a viabilidade celular por comparação ao controle e água não dinamizada. Não foram detectadas alterações na morfologia celular por microscopis de luz quando se estudou o metabolismo glicolítico em ambas as células, demonstrando que os padrões de resposta celular dependem do tipo de solvente, metabolismo celular e procedimento de diluição. Esta é a primeira vez que se mostra que as altas diluições interferem no metabolismo de linhas celulares. Outros estudos são necessários para se compreender melhor os mecanismos envolvidos nesta resposta in vitro a altas diluições de aveloz.

Allosteric regulation of 6-phosphofructo-1-kinase activity of fat body and flight muscle from the bloodsucking bug Rhodnius prolixus

6-phosphofructo-1-kinase (phosphofructokinase; PFK) activity from Rhodnius prolixus, a haematophagous insect which is usually a poor flyer, was measured and compared in two metabolically active tissues - flight muscle and fat body. The activity of this important regulatory glycolytic enzyme was much more pronounced in muscle (15.1 ± 1.4 U/mg) than in fat body extracts (3.6±0.4 U/mg), although the latter presented higher levels of enzyme per protein content, as measured by western-blotting. Muscle extracts are more responsible than fat body to ATP and fructose 6-phosphate, both substrates of PFK. Allosteric regulation exerted by different effectors such as ADP, AMP and fructose 2,6-phosphate presented a singular pattern for each tissue. Optimal pH (8.0-8.5) and sensitivity to pH variation was very similar, and citrate was unable to inhibit PFK activity in both extracts. Our results suggest the existence of a particular PFK activity for each tissue, with regulatory patterns that are consistent with their physiological roles.

A atividade da fosfofrutocinase (PFK) de Rodnius prolixus, um inseto hematófago, o qual vôa somente pequenas distâncias, foi medida e comparada em dois tecidos metabolicamente ativos - músculo de asa e corpo gorduroso. A atividade desta importante enzima glicolítica regulatória foi muito mais pronunciada em músculo de asa (15,1 ±1,4 U/mg) do que em extrato de corpo gorduroso (3,6 ±0,4 U/mg) embora este último tenha apresentado níveis mais altos da enzima por quantidade de proteína, como medido por western-blotting. Extratos de músculo foram mais responsivos do que corpo gorduroso para ATP e frutose-6-fosfato, ambos substratos da PFK. A regulação alostérica exercida por diferentes efetores tais como ADP, AMP, frutose-2,6-bisfosfato apresentou um padrão singular para cada tecido. O pH ótimo (8,0-8,5) e a sensibilidade a variações de pH, foram muito similares e o citrato foi incapaz de inibir a atividade da PFK em ambos os extratos. Nossos resultados sugerem a existência de uma atividade particular da PFK para cada tecido com padrões regulatórios que são consistentes com suas funções fisiológicas.

Inactivation of yeast inorganic pyrophosphatase by organic solvents

Várias aplicações para a catálise enzimática em solventes orgânicos têm sido desenvolvidas visando processos químicos, industria alimentícia e métodos analíticos. Entretanto, o único problema ainda não resolvido para estas aplicações é o fato que estes catalisadores são bem menos ativos nestas condições que em meio aquoso. Assim, estudos dos mecanismos pelos quais as enzimas são inativadas em solventes orgânicos podem facilitar a compreensão da interrelação estrutura/função da interação entre os catalisadores e o solvente. Neste trabalho, nós analisamos os efeitos de uma série de álcoois (metanol, etanol, 1-propanol e 2-propanol) e de acetona na atividade catalítica da pirofosfatase inorgânica de leveduras. Foi observado que os solventes inativaram a enzima de uma maneira que dependia da concentração do solvente no meio. Além disso, a inativação dependia da hidrofobicidade do solvente. O I para a inativação promovida pelos álcoois primários foi 5.9±0.4, 2.7±0.1 e 2.5±0.1 M para metanol, etanol e 1-propanol, respectivamente. A inativação foi menos efetiva a 37ºC do que a 5ºC, onde o I para a inativação por metanol, etanol and 1-propanol foi 4.5±0.2, 2.1±0.2 e 1.7±0.1 M, respectivamente. Nossa proposta é que o solvente liga-se à estrutura proteica, promovendo a inativação, e que esta ligação se dá através da região hidrofóbica do solvente e da proteína.

Effects of insulin and actin on phosphofructokinase activity and cellular distribution in skeletal muscle

Neste trabalho, nós relatamos evidencias de que a associação entre fosfofrutocinase e F-actina pode ser afetada por estímulos pela insulina em homogeneizados de músculo esquelético de coelho e que esta associação pode ser um mecanismo de regulação da fosfofrutocinase. Através de tecnicas de co-sedimentação, nós observamos que em tecidos estimulados pela insulina, aproximadamente 70% da atividade fosfofrutocinásica esta co-localizada a fração enriquecida com actina, contra 28% no controle. Este fenômeno é acompanhado por um aumento de 100% na atividade específica da fosfofrutocinase em homogeneizados estimulados. F-actina purificada causou um aumento de 230% na atividade da fosfofrutocinase e alterou seus parâmetros cinéticos. A presença de F-actina aumentou a afinidade da fosfofrutocinase pela frutose 6-fosfato, sem alterar, no entanto, a velocidade máxima (Vmax). Nós propomos que a modulação da distribuição celular da fosfofrutocinase pode ser um dos mecanismos de controle do fluxo glicolítico em músculos de mamíferos pela insulina.