Development of polymer-gold nanohybrids for the combinatorial therapy of cancer

Abstract

Cancer is still a major burden to public health worldwide with millions of new cases being diagnosed every year. Moreover, this disease also presents a high mortality rate, which can be justified by the difficulties in obtaining an early diagnosis, its rapid progression, and the lack of effectiveness of conventional treatments such as surgery, chemotherapy, and radiotherapy. In fact, the surgical procedure may not ensure the complete removal of the tumor cells, whereas both radiotherapy/chemotherapy present low specificity for cancer cells, causing severe side effects. Therefore, it is urgent to develop and implement new therapeutic approaches with greater selectivity and efficacy. In recent years, developments in the area of nanotechnology contributed for the emerging of novel solutions for improving the performance of electronics, medical diagnostics, and therapeutics. Particularly, for cancer therapy, the nanoparticles can be explored to develop diagnostic, imaging, therapeutic agents, or even allow the combination of all these functions in one multifunctional system. Such potential rendered the development of several different nanoparticles by varying both the raw material (e.g., polymers, ceramics, lipids, and materials) and the nanoparticles’ structure. Among them, metal-based nanoparticles are the most promising materials to create all-in-one multifunctional platforms, due to the inherent bioimaging capacity that can be combined with drug delivery or photothermal/photodynamic effects. Nevertheless, these materials often present suboptimal toxicological profiles and colloidal stability as well as off-target interactions in the human body. To address these issues, metal-based nanoparticles have been often combined with other materials such as inorganic (e.g., silica) and/or organic (e.g., polymers, like Polyethylene glycol, PEG). In this field, the metal-polymer conjugation can be highly advantageous biologically, namely by improving biocompatibility, colloidal stability, and tumor specificity. Taking this into account, the work plan developed during this MSc dissertation aimed at developing a novel synthesis approach to produce gold-alginic acid nanomaterials for application in cancer therapy. Gold is one of the most explored materials for producing metallic nanoparticles due to their promising optical properties (e.g. localized surface plasmon resonance), light-to-heat conversion efficiency, and facile surface functionalization. The alginic acid was selected due to its biocompatibility, hydrophilicity, and negative charge that was explored to guide the nanomaterials formation. For that purpose, the nanomaterials’ production was achieved by promoting gold reduction and nucleation in the presence of alginic acid and calcium chloride. The gold-alginic acid nanohybrids exhibited a spike-like shape with the reduced gold dispersed within the nanoparticle matrix. Moreover, the in situ gold reduction led to an improved absorption in the NIR (near-infrared) region, when compared to alginic acid nanoparticles, which indicated the gold-alginic acid nanohybrids potential for application in photothermal therapy. Furthermore, the colloidal stability assays demonstrated that the gold-alginic acid nanohybrids remained stable for 3 weeks, being detected a 4.7% size variation after 21 days. Otherwise, in vitro assays performed in human fibroblasts (FibH) and breast cancer cells (MCF-7) revealed that the gold-alginic acid nanohybrids were biocompatible even at the highest tested concentration of 200 µg mL-1, at 72 h of incubation. Additionally, fluorescent-based experiments showed that the nanoparticles can be efficiently internalized by cancer cells. Finally, the irradiation with a near-infrared laser (3 cycles, 808 nm, 1.7 W cm-2 for 10 min) resulted in the reduction of the MCF-7 cells’ viability to ˜27%, when a gold-alginic acid nanohybrids concentration of 200 µg mL-1 was used. In summary, the obtained results demonstrate the successful synthesis of gold-alginic acid nanohybrids. Moreover, the nanomaterials’ colloidal stability, photothermal potential, and possible application in cancer therapy were demonstrated. In the near future, the nanomaterials’ functionalization with targeting moieties (e.g., antibodies or aptamers) and the drug loading will be explored to further increase the cancer specificity of the gold-alginic acid nanohybrids and allow the development of more effective chemophotothermal combinatorial therapies. Furthermore, in vivo assays will also be performed to validate the therapeutic potential of gold-alginic acid nanohybrids.

O cancro continua a ter um grande impacto na saúde pública mundial, com milhões de novos casos diagnosticados anualmente. Para além disso, esta doença tem uma elevada taxa de mortalidade associada devido às dificuldades de realizar um diagnóstico precoce, à sua rápida progressão e à falta de eficácia dos tratamentos convencionais, tais como a cirurgia, a quimioterapia e a radioterapia. De facto, o procedimento cirúrgico pode não assegurar a remoção completa do tumor e a radioterapia/quimioterapia apresentam uma baixa especificidade para as células cancerígenas, causando graves efeitos secundários. Por conseguinte, é urgente desenvolver e implementar novas abordagens terapêuticas que apresentem maior seletividade e eficácia. Nos últimos anos, avanços na área da nanotecnologia têm permitido o desenvolvimento de novas soluções para melhorar o desempenho da eletrónica, do diagnóstico médico e da terapêutica. Particularmente, na terapia do cancro, as nanopartículas podem ser exploradas para desenvolver ferramentas de diagnóstico, imagiologia, agentes terapêuticos, permitindo ainda a combinação destas funções num único sistema multifuncional. Este potencial permitiu o desenvolvimento de diferentes nanopartículas, ao variar tanto a matéria-prima (por exemplo, polímeros, cerâmica, lípidos e materiais) como a estrutura das nanopartículas. Entre elas, as nanopartículas à base de metais, são dos materiais mais promissores para criar plataformas multifuncionais “tudo-em-um”, devido à sua capacidade inerente para atuarem na imagiologia biológica, que pode ser combinada com a entrega de medicamentos ou efeitos fototermais/fotodinâmicos. No entanto, estes materiais apresentam frequentemente perfis de citotoxicidade e estabilidades coloidais desfavoráveis, bem como interações inespecíficas no corpo humano. Para abordar estas questões, as nanopartículas à base de metais têm sido frequentemente combinadas com outros materiais, tais como materiais inorgânicos (por exemplo, sílica) e/ou orgânicos (por exemplo, polímeros, como o Polietilenoglicol, PEG). Nesta área, a conjugação metal-polímero pode ser altamente vantajosa do ponto de vista biológico, nomeadamente através da melhoria da biocompatibilidade, estabilidade coloidal e especificidade tumoral. Tomando isto em consideração, o plano de trabalhos desenvolvido durante esta dissertação teve como objetivo desenvolver uma nova metodologia de síntese de nanomateriais de ouro-ácido algínico para aplicação na terapia oncológica. O ouro é um dos materiais mais explorados para a produção de nanopartículas metálicas devido às suas promissoras propriedades óticas (por exemplo, a ressonância plasmónica de superfície localizada), eficiência de conversão luz-calor, e fácil funcionalização. O ácido algínico foi selecionado devido à sua biocompatibilidade e hidrofilicidade, bem como a sua carga negativa, que foi explorada para orientar a formação dos nanomateriais. Para esse efeito, a produção dos nanomateriais foi conseguida promovendo a redução e nucleação do ouro na presença de ácido algínico e cloreto de cálcio. Os nanohíbridos de ouro-ácido algínico apresentaram uma morfologia similar a “estrelas”, ou seja, com projeções na superfície, com o ouro reduzido disperso dentro da matriz das nanopartículas. Além disso, a redução do ouro in situ permitiu aumentar a absorção na região do NIR (infravermelho próximo), quando comparada com nanopartículas de ácido algínico, o que indicou o potencial de nanohíbridos de ouro-ácido algínico para aplicação na terapia fototérmica. Adicionalmente, os ensaios de estabilidade coloidal demonstraram que os nanohíbridos de ouro-ácido algínico permaneceram estáveis durante 3 semanas, sendo apenas detetada uma variação de tamanho de 4,7% depois de 21 dias. Por outro lado, os ensaios in vitro realizados em fibroblastos humanos (FibH) e células do cancro da mama (MCF-7) revelaram que os nanohíbridos de ouro-ácido algínico eram biocompatíveis, mesmo à concentração mais elevada testada de 200 µg mL-1, após 72 h de incubação. Além disso, os ensaios de fluorescência demonstraram que as nanopartículas conseguem ser eficientemente internalizadas pelas células cancerígenas. Por fim, a irradiação com um laser de NIR (3 ciclos, 808 nm, 1,7 W cm-2 durante 10 min) resultou na redução da viabilidade das células MCF-7 para ˜27%, na presença de nanohíbridos de ouro-ácido algínico a uma concentração de 200 µg mL-1. Em suma, os resultados obtidos demonstram que a síntese de nanohíbridos de ouroácido algínico foi bem sucedida. Adicionalmente, foi demonstrada a estabilidade destes nanomateriais em solução, o seu potencial fototérmico, e a sua possível aplicação na terapia do cancro. No futuro, a funcionalização dos nanomateriais com agentes de direcionamento (por exemplo, anticorpos ou aptâmeros) e o encapsulamento de fármacos serão explorados para aumentar ainda mais a especificidade para o cancro por parte dos nanohíbridos de ouro-ácido algínico e subsequentemente permitir o desenvolvimento de terapias combinatórias quimiofotérmicas mais eficazes. Além disso, a realização de ensaios in vivo permitirá validar o potencial terapêutico dos nanohíbridos de ouro-ácido algínico.