Biodegradable Poly(D,L-lactide) and Poly(D,L-lactide-co-glycolide) Nanoparticles for Photodynamic Therapy

Abstract

Aquesta tesi aprofundeix en l'estudi de les nanopartícules de poli-(D, L-làctid-co-glicòlid) (PLGA) o poli-(D, L-làctid) (PLA) i les seves nanopartícules homòlogues recobertes amb polietilenglicol (PEG) com a sistemes de vehiculització per fotosensibilitzadors emprats en teràpia fotodinàmica. En primer lloc s'ha investigat la influència de la matriu polimèrica i del recobriment superficial amb PEG sobre les característiques fisicoquímiques, fotofísiques i fotobiològiques de suspensions amb un fotosensibilitzador atrapat físicament. El recobriment amb PEG confereix una major estabilitat a les nanopartícules en medi biològic. L'oxigen singlet generat en les nanopartícules de PLGA resta confinat en el seu interior, mentre que la presència de PEG facilita la difusió de l'oxigen singlet al medi extern, així com un alliberament més ràpid del fotosensibilitzador. En ambdós casos, el fotosensibilitzador es localitza als lisosomes a l'interior de les cèl·lules i indueix la mort cel·lular per apoptosi, la qual cosa indica que ambdós tipus de nanopartícules alliberen el fotosensibilitzador dins de la cèl·lula. L'efecte fototòxic és tanmateix major i més ràpid per a les nanopartícules PEGilades d'acord amb les observacions d'oxigen singlet. El paper de l'estructura química del fotosensibilitzador en les propietats fotofísiques i fotobiològiques de les nanopartícules també s'ha investigat. Els fotosensibilitzadors no metal·lats s'agreguen dins de les nanopartícules, mentre que els metal·lats romanen en forma monomèrica. Les seves propietats químiques també influeixen en la seva localització i, en conseqüència, en les propietats fotofísiques de les nanopartícules quan hi estan units covalentment, encara que hi siguin fotofísicament actius. Els fotosensibilitzadors encapsulats són capaços d'induir mortalitat cel·lular encara que estiguin agregats dins de les nanopartícules, mentre que els que estan units covalentment no ho són. Aquest fet permet concloure que l'alliberament del fotosensibilitzador dins de la cèl·lula és crucial per aconseguir una resposta fotodinàmica, i que les nanopartícules de PEG-PLGA no són internalitzades per les cèl·lules sinó que alliberen el fotosensibilitzador en la superfície cel·lular, cosa que no passa quan el fotosensibilitzador s'uneix covalentment a les nanopartícules. Finalment, s'ha examinat el potencial de la vehiculització activa mitjançant la conjugació del pèptid cRGDfK a la superfície de les nanopartícules. La presència de PEG és essencial per aconseguir un major augment en la concentració cel·lular de fotosensibilitzador. No obstant això, aquesta major concentració no produeix una major fototoxicitat en comparació amb les nanopartícules no marcades, el que suggereix que una major internalització no és l'únic factor important en el resultat final de la teràpia fotodinàmica.

Esta tesis profundiza en el estudio de nanopartículas de poli-(D,L-láctido-co-glicólido) (PLGA) o poli-(D,L-láctido) (PLA) y sus homólogas recubiertas con polietilenglicol (PEG) como sistemas de vehiculización para fotosensibilizadores empleados en terapia fotodinámica. En primer lugar se ha investigado la influencia de la matriz polimérica y del recubrimiento superficial con PEG sobre las características fisicoquímicas, fotofísicas y fotobiológicas de suspensiones con un fotosensibilizador atrapado físicamente. El recubrimiento con PEG confiere una mayor estabilidad a las nanopartículas en medio biológico. El oxígeno singlete generado en las nanopartículas de PLGA permanece confinado en su interior, mientras que la presencia de PEG facilita la difusión del oxígeno singlete al medio externo, así como una liberación más rápida del fotosensibilizador. En ambos casos, éste se localiza en los lisosomas en el interior de las células e induce muerte celular por apoptosis, lo que indica que ambos tipos de nanopartículas liberan el fotosensibilizador dentro de la célula. El efecto fototóxico es sin embargo superior y más rápido para las nanopartículas PEGiladas de acuerdo con las observaciones de oxígeno singlete. El papel de la estructura química del fotosensibilizador en las propiedades fotofísicas y fotobiológicas de las nanopartículas también se ha investigado. Los fotosensibilizadores no metalados se agregan dentro de las nanopartículas, mientras que los metalados restan en forma monomérica. Cuando éstos se unen covalentemente a las nanopartículas, sus propiedades químicas influyen en su localización en las mismas y, en consecuencia, en las propiedades fotofísicas de la suspensión, aunque preservan sus propiedades fotofísicas. Los fotosensibilizadores encapsulados son capaces de inducir mortalidad celular aunque estén agregados dentro de las nanopartículas, mientras que los que están unidos covalentemente no lo son. Este hecho permite concluir que la liberación del fotosensibilizador dentro de la célula es crucial para lograr una respuesta fotodinámica, y que las nanopartículas de PEG-PLGA no son internalizadas por las células, sino que liberan el fotosensibilizador en la superficie celular, lo que no ocurre cuando el fotosensibilizador se une covalentemente a las nanopartículas. Finalmente, se ha examinado el potencial de la vehiculización activa mediante la conjugación del péptido cRGDfK a la superficie de las nanopartículas. La presencia de PEG es esencial para lograr un mayor aumento en la concentración celular de fotosensibilizador. Sin embargo, dicha mayor concentración no produce una mayor fototoxicidad en comparación con las nanopartículas no marcadas, lo que sugiere que una mayor internalización no es el único factor importante en el resultado final de la terapia fotodinámica.

This thesis reports the study of poly-(D,L-lactide-co-glycolide) (PLGA) and poly-(D,L-lactide) (PLA) nanoparticles and their poly-(ethylene glycol) (PEG)-coated counterparts as delivery systems for photosensitizers in photodynamic therapy. First, the influence of the polymeric matrix and of the PEG surface coating on the physicochemical, photophysical and photobiological properties of nanoparticle suspensions containing a physically entrapped photosensitizer has been studied. PEG coating confers a higher stability to the nanoparticles in biological media containing serum proteins. Singlet oxygen produced in bare PLGA nanoparticles remains confined within them, while PEG surface coating facilitates singlet oxygen diffusion to the external medium as well as a faster drug release from the nanoparticles. In both cases, the photosensitizer localizes in lysosomes and induces cell death by apoptosis. The phototoxic effect is superior and faster for PEGylated NPs, in agreement with the singlet oxygen observations. The role of the chemical structure of the photosensitizer on the photophysical and photobiological properties of the colloidal suspensions has been subsequently investigated. Free base photosensitizers aggregate when entrapped in the nanoparticles, whereas metallated ones are incorporated in monomeric form. When the photosensitizers are covalently conjugated to the nanoparticles, their chemical properties influence their localization in the nanoparticles and consequently, the photophysical properties of the suspension, although they remain photophysically active. Physically entrapped photosensitizers are able to induce cell mortality in cells even if they are aggregated in the nanoparticles, while covalently conjugated photosensitizers are not. This drives us to the conclusions that the delivery of the photosensitizer into the cell is crucial to achieve a photodynamic response, and that PEG-PLGA nanoparticles are not internalized by cells but they rather deliver their cargo at the cell surface, which does not occur when the photosensitizer is covalently bound to the nanoparticles. Finally, we have explored the potential of the active targeting strategy by conjugating the cRGDfK peptide to the surface of the nanoparticles. The presence of a PEG side chain is essential to achieve an enhanced increase in the photosensitizer delivery into the cell, but unfortunately, it does not render a higher phototoxicity to the cells compared to the non-targeted nanoparticles, which suggests that a higher internalization is not the only important factor in the final outcome of photodynamic therapy.