Engineering Iron Oxide Nanoparticles For Angiogenic Therapies

Abstract

El trabajo de investigación se ha desarrollado conjuntamente en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC) y en el Instituto de Investigación del Hospital Universitario Vall d’Hebron (VHIR) en Barcelona. El trabajo se enmarca dentro del contexto tanto de nanomateriales como de nanomedicina. El objetivo principal de la tesis doctoral es desarrollar materiales para terapias no invasivas encaminadas a potenciar la regeneración de vasos sanguinos después de un evento isquémico. Para ello se han utilizado nanopartículas magnéticas de oxido de hierro como instrumentos de visualización (“imaging” por resonancia magnética) y de acumulación de proteínas/células en tejidos específicos bajo la influencia de un campo magnético externo. Se han desarrollado dos estrategias: la primera introduciendo las nanopartículas magnéticas en células endoteliales progenitora y la segunda en nanocápsulas poliméricas junto a un factor de crecimiento vascular. La tesis está estructurada en seis capítulos: CAPÍTULO 1 Las nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro (SPIONs) son conocidas en diagnosis clínico por utilizarse como agentes de contraste que permiten la visualización de los tejidos a través de resonancia magnética (MRI). El capítulo contiene una breve introducción a la nanotecnología y una presentación de las características magnéticas de los materiales. Además contiene una revisión de los métodos de síntesis de las nanopartículas superparamagnéticas de oxido de hierro. CAPÍTULO 2 Describe la síntesis de nanopartículas superparamagnéticas de oxido de hierro mediante dos técnicas: descomposición térmica y microonda. Ambos métodos nos permiten de obtener partículas monodispersas con tamaño inferior a 20 nm y con excelentes propiedades magnéticas. Se ha logrado estabilizar las partículas en agua y en distintos medios celulares mediante estabilizantes iónicos (hidróxido de tetrametilamonio y sodio citrato). CAPÍTULO 3 La isquemia cerebral se define como la obstrucción de arterias intracraneales, debida a trombos o émbolos, que producen una lesión en los tejidos no perfundidos por la sangre. La regeneración y reparación del tejido cerebral basadas en la mejora de la angiogénesis endógena podría convertirse en realidad en un futuro próximo, al haberse identificado células progenitoras endoteliales (EPCs) en individuos adultos. Las EPCs son células que pueden inducir neo-vascularización y/o remodelación de vasos mediante liberación de factores angiogénicos. Nuestro objetivo es potenciar la acción terapéutica de las EPCs guiándolas a áreas específicas del cerebro con un campo magnético externo para potenciar la regeneración cerebral después de un ictus. En este capítulo se describen los experimentos in vitro de marcaje celular, toxicidad y funcionalidad de células. Además se describe un experimento in vivo con modelos animales demostrando la acumulación de EPCs magnetizadas en la zona del cerebro en la que se aplicó un campo magnético externo. CAPÍTULO 4 Otra estrategia que se ha investigado consiste en encapsular factores de crecimientos junto con las nanopartículas magnéticas (SPIONs) en nanocápsulas biodegradables de polímero de ácido poli(D,L-láctico-co-glicólico) (PLGA), para que éstas puedan guiarse a la lesión cerebral mediante la aplicación de un campo magnético externo. Durante los meses de estancia en el grupo de la Ecole de Pharmacie Genève-Lausanne (EPGL) se empezó la síntesis de nanocápsulas poliméricas con SPIONs y proteínas modelos. Este capítulo describe la síntesis y las caracterizaciones de las nanocápsulas obtenidas. CAPÍTULO 5 Conclusiones: se detallan los resultados más importantes obtenidos en esta tesis. En la primera parte se evidencian los siguientes resultados: 1. Se han sintetizado nanopartículas de óxido de hierro biocompatibiles y con las características adecuadas para la terapia celular; 2. Se ha realizado un marcaje no tóxico de células endoteliales progenitoras con SPIONs. Además se han reportado diferentes eficiencias de marcaje celular dependiendo del tipo de EPCs (early- y outgrowth). También se ha evidenciado que la eficiencia del marcaje celular puede variar utilizando diferentes condiciones de tiempo de incubación, de concentración de SPIONs y de agregación de partículas en los medios cultivos. Aún así, no se ha reportado ningún cambio significativo en la capacidad de tubulogénesis (formación de conexiones inter-celulares) ni de migración en población outgrowth de células endoteliales progenitoras marcadas con SPIONs; 3. Se ha detectado un aumento en la liberación de factores de crecimiento angiogénicos en células outgrowth marcadas con SPIONs respecto a células outgrowth no marcadas; 4. En un estudio preliminar in vivo en ratones, se ha demostrado con éxito la migración y acumulación de células endoteliales progenitoras (poblaciones early), marcadas con SPIONs, en la zona del celebro próxima a la aplicación del campo magnético externo. En la segunda parte del trabajo de tesis se ha conseguido: 1. La síntesis de nanocápsulas de polímero biodegradable de ácido poli(D,L-láctico-co-glicólico), mediante un proceso de doble emulsión, con tamaños de partícula de 200 nm adecuadas para la administración sistémica; 2. Co-encapsulación de SPIONs y factor de crecimiento vascular endotelial (proteína comercial, recombinant human VEGF165) con buena eficiencia. 3. La proliferación de células endoteliales potenciada por la actividad biológica de VEGF165 encapsulado. CAPÍTULO 6 Contiene el curriculum del autor y los trabajos publicados durante el periodo de doctorado.

The research was developed at the Institute of Materials Science of Barcelona (ICMAB-CSIC) and the Research Institute at Hospital Vall d'Hebron (VHIR) in Barcelona. The main objective of the thesis is to develop materials for non-invasive therapies to promote blood vessel regeneration after an ischemic event. For that we used iron oxide magnetic nanoparticles for imaging (through Magnetic Resonance Imaging) and accumulation of proteins / cells into specific tissues under the influence of an external magnetic field. Two strategies have been developed: the first one by introducing magnetic nanoparticles in endothelial progenitor cells (EPCs) and the second one into polymeric nanocapsules together with a vascular growth factor. The thesis is organized in six chapters: CHAPTER 1 Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) are known for their use in clinical diagnosis as contrast agents allowing the visualization of tissues through magnetic resonance imaging (MRI). The chapter contains a brief introduction to nanotechnology and a presentation of the magnetic properties of the materials. It also contains a review of the most common synthetic methods used to obtain superparamagnetic iron oxide nanoparticles. CHAPTER 2 In this chapter is described the synthesis of superparamagnetic iron oxide nanoparticles using two techniques: thermal decomposition and microwave assisted sol-gel route. Both methods allow to obtain monodisperse particles with size less than 20 nm and excellent magnetic properties. Particles have been successfully stabilized in water and different cell media by ionic stabilizers (tetramethylammonium hydroxide and sodium citrate). CHAPTER 3 Cerebral ischaemia is defined as the blockage of cerebral arteries, due to a thrombus or embolus, which produce tissue damage in the zone not perfused with blood. Brain tissue regeneration and repair, based on the improvement of endogenous angiogenesis, could become reality in the near future having identified endothelial progenitors (EPCs) cells in adults. The EPCs are cells that can induce revascularization and / or remodeling of blood vessels by release of angiogenic factors. Our goal is to enhance the therapeutic action of EPCs guiding them toward specific areas of the brain with an external magnetic field to enhance regeneration after cerebral stroke. Experiments of in vitro cell labeling, cell toxicity and functionality are described in this chapter. In addition we showed an in vivo experiment using animal models to demonstrate the accumulation of magnetized EPCs in the brain under a magnetic field due to an external magnet implantation. CHAPTER 4 Another strategy is to encapsulate growth factors together with magnetic nanoparticles (SPIONs) into biodegradable nanocapsules of poly (D,l-lactic-co-glycolic acid) (PLGA), so that these can be guided toward the brain injury by applying an external magnetic field. During the training period in the group of the Ecole de Pharmacie Genève-Lausanne (EPGL) I started the synthesis of polymeric nanocapsules with SPIONs and model proteins. This chapter describes the synthesis and characterization of the nanocapsules. CHAPTER 5 In this chapter are described the most important results obtained during the thesis. The first part regards the following results: 1. The attainment of biocompatible iron oxide nanoparticles suitable for cell therapy; 2. Non toxic labeling of endothelial progenitor cells with SPIONs. Furthermore different efficiencies in cell labeling have been reported depending on the type of EPC cell population (early - and outgrowth). It has also been shown that cell labeling efficiency may vary using different conditions of incubation time, concentration of SPIONs and particle aggregation in the culture media. Still, it has been reported no significant change in tubulogenesis (formation of inter- cellular connections) or migration ability in outgrowth EPC cell population labeled with SPIONs; 3. An increase in the release of angiogenic growth factors in outgrowth EPCs labeled with SPIONs compared to unlabeled cells; 4. A preliminary in vivo study in mice has demonstrated the migration and accumulation of endothelial progenitor cells (early populations) labeled with SPIONs in the area next to the application of the external magnetic field. In the second part of the thesis work have been achieved: 1. The synthesis of biodegradable poly (D,L-lactic - co- glycolic acid) nanocapsules by a double emulsion process, with particle sizes of 200 nm suitable for systemic administration; 2. Co- encapsulation of SPIONs and vascular endothelial growth factor (commercial protein, recombinant human VEGF165) with good efficiency. 3. Endothelial cell proliferation enhanced by the biological activity of VEGF165 encapsulated. CHAPTER 6 It contains the curriculum vitae of the author and the publications obtained during the PhD period.