New functionalization methodologies of mesoporous silica nanoparticles (MSNs) for biomedical applications

Abstract

En la present tesi doctoral es descriu un procediment general per a l'obtenció de nanopartícules mesoporoses de sílice (MSNs) regioselectivament bifuncionalizades de forma ortogonal amb diferents grups funcionals. L'estratègia sintètica consisteix en la preparació de MSNs mitjançant co-condensació, seguit d'una posterior funcionalització covalent, mentre el tensioactiu es troba encara present en l'estructura de les MSNs. Seguint aquesta metodologia, s'han sintetitzat les nanopartícules bifuncionalizades amina-azida (MSN-(NH2)i(N3)o), amina-isotiocianat (MSN-(NH2)i(NCS)o) i amina-aldehid (MSN-(NH2)i(CHO)o), per al seu ús en aplicacions biomèdiques.

En primer lloc, s'han sintetitzat i caracteritzat de forma homogènia i reproduïble les nanopartícules de referència (MSN-NH2) que permetran les successives funcionalitzacions. Aquestes nanopartícules aminades s'han fet servir posteriorment per a la síntesi de sensors de naftalimida. S'ha aconseguit desenvolupar un procediment general per a la introducció de 4-amino-1,8 naftalimides. Aquestes naftalimides han estat provades com a sensor i portes lògiques per a la detecció de H+ i F-.

D'altra banda, s'ha descrit un protocol per preparar amino-azida-MSNs de forma regioselectiva. Aquestes MSNs han estat funcionalitzades per primera vegada amb foldàmers catiònics i la seva capacitat per creuar membranes citoplasmàtiques i viabilitat ha estat estudiada, així com l'ús d'aquests sistemes per a l'alliberament intracel·lular de Doxorubicina (DOX) de forma controlada.

També s'ha realitzat un nou protocol per preparar MSNs amb isotiocianat en la seva estructura. La metodologia sintètica és general i es pot aplicar, en principi, a qualsevol MSNs aminada. L'eficiència de la funcionalització és comparable a la cicloaddició de coure (CuAAC) evitant els protocols d'aïllament i d'eliminació del metall. Seguint aquesta metodologia, s'han preparat unes noves amino-isotiocianat-MSNs per al disseny d'un nano-contenidor capaç d'alliberar el fàrmac Ataluren de forma controlada, per el seu us en la distròfia muscular de Duchenne (DMD).

S'han aconseguit sintetitzar amina-aldehid-MSNs. Aquestes MSNs s'han aplicat com una nanoplataforma simple i versàtil capaç d'alliberar de forma dual una barreja CPT/DOX per al tractament del càncer, mitjançant l'ús d'estímuls de pH. Mentre un fàrmac és absorbit dins de la superfície interior, l'altre està unit covalentment a la superfície externa, actuant així, a la vegada, com a fàrmac i com agent bloquejant de porus. Aquest sistema respon als estímuls de pH i tots dos fàrmacs són només alliberats en un medi àcid.

En la presente tesis doctoral se describe un procedimiento general para la obtención de nanopartículas mesoporosas de sílice (MSNs) regioselectivamente bifuncionalizadas de forma ortogonal con distintos grupos funcionales. La estrategia sintética consiste en la preparación de MSNs mediande co-condensación, seguido de una posterior funcionalización covalente, mientras el tensioactivo se encuentra todavía presente en la estructura de las MSNs. Siguiendo esta metodología, se han sintetizado las nanopartículas bifuncionalizadas amina-azida (MSN-(NH2)i(N3)o), amina-isotiocianato (MSN-(NH2)i(NCS)o) y amina-aldehído (MSN-(NH2)i(CHO)o), para su uso en aplicaciones biomédicas. En primer lugar, se han sintetizado y caracterizado de forma homogénea y reproducible las nanopartículas aminadas de referencia (MSN-NH2) que permitirán las sucesivas funcionalizaciones, con un tamaño de 50 nm y 100 nm aproximadamente. Estas nanopartículas aminadas se han usado posteriormente para la síntesis de sensores de naftalimida. Se ha conseguido desarrollar un procedimiento general para la introducción de 4-amino-1,8 naftalimidas. Estas naftalimidas han sido probadas como sensores y puertas lógicas para la detección de H + y F-. Por otra parte, se ha descrito un protocolo para preparar amino-azida-MSNs de forma regioselectiva. Estas MSNs han sido funcionalizadas por primera vez con foldámeros catiónicos y su capacidad para cruzar membranas citoplasmáticas y viabilidad ha sido estudiada, así como el uso de estos sistemas para la liberación intracelular de doxorubicina (DOX) de forma controlada. También se ha realizado un nuevo protocolo para preparar MSNs con isotiocianato en su estructura. La metodología sintética es general y puede aplicarse, en principio, a todo tipo de MSNs aminadas. La eficiencia de la funcionalización es comparable a la cicloadición de cobre (CuAAC) evitando los protocolos de aislamiento y de eliminación del metal. Siguiendo esta metodología, se han preparado unas nuevas amino-isotiocianato-MSNs para el diseño de un nano-contenedor capaz de liberar el fármaco Ataluren de forma controlada. Se ha logrado sintetizar amina-aldehído-MSN. Estas MSNs se han aplicado como una nanoplataforma simple y versátil capaz de liberar de forma dual una mezcla CPT/DOX para el tratamiento del cáncer, mediante el uso de estímulos de pH. Mientras un fármaco es absorbido dentro de la superficie interior, el otro está unido covalentemente a la superficie externa, actuando así como fármaco y como agente bloqueante de poro. Este sistema responde a los estímulos de pH y ambos fármacos son solamente liberados en un medio ácido.

In this PhD dissertation, a general procedure for the obtaining of different regioselective orthogonal bifunctionalized mesoporous silica nanoparticles (MSNs) has been carried out. The strategy consists of a covalent functionalization of co-condensed monodispersed and uniform aminated-MSNs, where tensioactive is still present in its structure. Three bifunctionalized MSNs, amine-azide (MSN-(NH2)i(N3)o), amine-isothiocyanate (MSN-(NH2)i(NCS)o) and amine-aldehyde (MSN-(NH2)i(CHO)o), with efficient “click” reactions, have been synthetized for its use in biomedical applications. First, a well characterized batch of precursor aminated-MSNs (MSN-(NH2)) has been prepared. The best conditions for the synthesis of homogenous and reproducible MSN-(NH2) with a size between 50-100 nm have been studied. These aminated-MSNs have been used for the synthesis of naphthalimide sensors where a general procedure for the introduction of 4-amine-1,8-naphthalimides has been developed. These naphthalimides have been tested as potential logic gates for the detection of H+ and F-. A straightforward protocol to prepare amine-azide MSNs has been described. These MSNs have been functionalized with quinolin cationic foldamers for the first time. The ability of these foldamer-MSNs to cross cytoplasmic membranes and its viability has been studied. The penetrating capacity of foldamer-MSNs have been used for intracellular delivery of Doxorubicin (DOX). A new protocol to prepare isothiocyanate functionalized MSNs is described. The synthetic methodology is general and can be applied, in principle, to all type of aminated MSNs. The efficiency of the functionalization is comparable to the copper cycloaddition (CuAAC) avoiding isolation and copper removal protocols. Following this methodology, new amino-isothiocyanate-MSNs have been prepared for the design of a nano-container able to release the drug Ataluren in a controlled manner, for the treatment of Duchenne muscular dystrophy (DMD). Regioselective bifunctionalized amine-aldehyde-MSNs have been synthetized. These MSNs have been applied as a versatile nanoplatform able to release dual synergistic CPT/DOX mixture for cancer treatment only by using pH stimuli. While CPT is absorbed at the inner surface, DOX is covalently linked to the external surface acting both as an active and a capping agent (pH=4).