Engineering all-in-one protein-based nanoparticles for targeted cancer therapies

Abstract

Actualmente, las terapias convencionales contra el cáncer están lejos de ser ideales en cuanto a eficacia. Los fármacos actuales, formados por pequeños compuestos químicos se distribuyen indistintamente por todo el organismo, generando elevada toxicidad sistémica y dando lugar a efectos secundarios en tejidos sanos. En este contexto, la nanomedicina es una disciplina emergente que ofrece alternativas prometedoras para el desarrollo de terapias innovadoras y mejoradas contra el cáncer. Siendo materiales especialmente versátiles, las proteínas recombinantes están ganando mucho interés en el área de la biomedicina, con más de 400 fármacos recombinantes aprobados por agencias médicas. Las nanopartículas modulares y multifuncionales con naturaleza proteica son grandes candidatos para la entrega de fármacos ya que presentan gran estabilidad, biocompatibilidad y biodegradabilidad en el torrente sanguíneo. A la hora de diseñar sistemas para la administración de fármacos, el tamaño es una de las características más relevantes. Partículas dentro de la nanoescala (alrededor de los ~8 – 100 nm) poseen una mayor estabilidad ya que pueden escapar de la filtración renal y por tanto tienen un mayor tiempo de circulación y mejor biodistribución (comparado con los compuestos químicos de menor tamaño). Por eso en nuestro grupo se ha desarrollado un principio nanoarquitectónico para el desarrollo de ensamblajes proteicos comprendidos en la nanoescala. Este principio se fundamenta en el uso de péptidos terminales catiónicos, para la oligomerización de monómeros en nanopartículas auto-ensambladas. Estas nanoestructuras proteicas modulares pueden ser empleadas como vehículos dirigidos a células si el péptido catiónico situado en el extremo N-terminal es además un ligando especifico de tumor. Sin embargo, la conjugación química de estos vehículos a un fármaco convencional conlleva riesgos debido a posibles liberaciones del mismo y posteriores efectos secundarios. Por todo ello, el principal objetivo de esta tesis ha sido explorar la aplicabilidad de este principio para el desarrollo de nanomedicinas proteicas multifuncionales y libres de vehículos adicionales. Este propósito se ha llevado a cabo mediante el diseño racional de novo de proteínas intrínsecamente citotóxicas como entidades terapéuticas para desarrollar fármacos antitumorales proteicos dirigidos a tumor. A partir de ahora, a raíz de los prometedores resultados discutidos en esta tesis, consideramos que es necesario seguir estudiando en profundidad la potencial aplicación de esta plataforma proteica multifuncional para el tratamiento de muchas otras enfermedades.

Nowadays, conventional cancer therapies are far from being optimal in terms of efficacy. Current drugs are small chemical entities that equally distribute all over the organism, presenting high systemic toxicity and leading to undesired side effects on healthy tissues. In this context, nanomedicine is an emerging area that offers promising alternatives for the development of innovative and improved oncotherapies. Being extremely versatile materials, recombinant proteins are gaining interest in the biomedical area, with more than 400 recombinant pharmaceuticals approved by medical agencies. Modular and multifunctional protein-based nanoparticles are appealing candidates for drug delivery as they show high stability, biocompatibility and biodegradability in the blood stream. When designing drug delivery systems, size is one of the most relevant properties. Particles in the nanoscale (around ~8 – 100 nm) benefit from enhanced stability as they escape from renal filtration and thus present extended circulation time and improved biodistribution (compared to smaller chemical drugs). For that, in our group has been developed a nanoarchitectonic principle for the generation of protein-based assemblies ranged in the nanoscale. The principle relies on the use of cationic end-terminal peptides as pleiotropic tags for the oligomerization of monomers into self-assembled nanoparticles. Such modular protein-based nanostructures can be widely used as cell-targeted nanocarriers if the cationic N-terminal peptide is simultaneously a tumour-specific ligand. However, chemical conjugation of nanocarriers to conventional drugs is extremely risky due to the associated drug leakage and subsequent side effects. In this context, the main purpose in this PhD thesis was to explore the translational applicability of this principle for the development of all-in-one vehicle-free protein nanomedicines. This goal has been addressed through de novo rational design of diverse intrinsically cytotoxic proteins as therapeutic building blocks to develop protein-only tumour-targeted antitumoral drugs. From now on, encouraged by the promising results discussed in this thesis, we consider it is imperative to keep on studying in detail the potential application of this all-in-one protein-based platform for the treatment of any unrelated diseases.