Controlled nanotherapies using magneto-plasmonic nanodomes

Abstract

Con el objetivo de mejorar la concentración de los agentes terapéuticos dentro de tumores y maximizar sus efectos terapéuticos, esta Tesis se centró en el desarrollo de nuevos y versátiles nanocúpulas magneto-plasmónicas (i.e., nanopartículas dieléctricas con semicubiertas plasmónicas y ferromagnéticas) activadas y controladas externamente por luz y campos magnéticos, para la activación, amplificación y control eficiente de nanoterapias. La innovadora combinación de procesos de fabricación “top-down” y “bottom-up” nos ha permitido: i) fusionar nanomateriales que difícilmente podrían combinarse mediante síntesis química, ii) sintonizar las propiedades ferromagnéticas y ópticas, iii) lograr una funcionalización simple y una dispersión directa en soluciones acuosas, y iv) mantener bajo costo y escalabilidad. En primer lugar, desarrollamos nanocúpulas de Fe/Au con núcleos fluorescentes para terapias fototérmicas magnéticamente amplificadas y contraste de imagen multimodal. La variación del grosor de las capas de Fe y Au permitió obtener nanopartículas ferromagnéticas monodominio o con vórtice, coloidalmente estables, y con propiedades ópticas ampliamente sintonizables. Las capas gruesas de Fe proporcionaron una fuerte supresión de la dispersión y una alta absorción de la luz infrarroja cercana, que fueron clave para demostrar una alta eficiencia de conversión fototérmica (65%). La capacidad de concentrar magnéticamente las nanocúpulas en la región iluminada mejoró aún más la eficiencia de calentamiento local. La semi-cubierta de Fe/Au y el núcleo de polímero fluorescente proporcionaron intensos contrastes T2 en resonancia magnética nuclear, en absorción de rayos X y en fluorescencia. Los resultados in vitro mostraron una baja citotoxicidad y efectos fototérmicos mejorados magnéticamente para la erradicación de células cancerosas, lo que destacó el potencial biomédico. Para ganar control sobre los efectos fototérmicos, en la segunda parte desarrollamos un nuevo concepto de nano-calentadores/termómetros simultáneos, basado en la rotación magnética eficiente de las nanocúpulas magneto-plasmónicas altamente anisótropas. El análisis de la rotación de las nanocúpulas en función de la frecuencia magnética, permitió cuantificar la reducción de la viscosidad en el fluido que rodea a las nanocúpulas calentadas ópticamente, como un nuevo principio de nanotermometría. Estos nanotermómetros mostraron un límite de detección bajo de 0.05ºC, independencia de su concentración y un sistema detección mucho más simple y económico que los nanotermómetros luminiscentes. La capacidad de integrar el calentamiento y la termometría en una única nanoestructura y el uso del mismo láser para calentar y detectar fueron ventajas relevantes que pudieron demostrarse incluso en dispersiones celulares altamente concentradas. El objetivo final de la Tesis fue maximizar el potencial biomédico de las nanocúpulas para nanoterapias contra el cáncer mediante el desarrollo de nanocápsulas magnetoplasmónicas completamente biodegradables de PLGA@Fe/SiO2 cargadas con un fármaco, para conseguir: i) mayor biodegradabilidad, ii) reforzamiento del control magnético, iii) alta eficiencia fototérmica en ambas ventanas biológicas del infrarrojo cercano (63-67%), iv) mayor contraste de T2 en resonancia magnética nuclear y v) nanotermometros y biosensores integrados. Las nanocápsulas sin fármaco mostraron una toxicidad muy baja en cultivos celulares de largo plazo e in vivo en ratones. Se explotó el alto contraste de T2 para monitorizar la biodistribución in vivo de las nanocápsulas después de la inyección intravenosa, que mostró una acumulación en el hígado 1 h después de la inyección, y una recuperación casi total después de 96 h. Estos resultados preliminares son alentadores para su aplicación en terapias locales multiactivas. En conclusión, hemos mostrado cómo una estrategia de nanofabricación híbrida podría explotarse para desarrollar nanoestructuras con fuertes propiedades ferromagnéticas y plasmónicas que permitan el control y actuación externo y la visualización no invasiva. Los prometedores resultados preliminares in vitro e in vivo promueven un mayor desarrollo de esta nueva nanotecnología para aplicaciones clínicas.

With the aim of improving the concentration of the therapeutic agents inside tumours and maximizing their therapeutic effects, this Thesis focused on developing novel versatile magneto-plasmonic nanodomes (i.e. dielectric nanoparticles with plasmonic and ferromagnetic semi-shells) externally actuated and controlled by light and magnetic fields for efficient nanotherapy activation, amplification and control. The innovative combination of bottom-up and top-down fabrication processes have enabled us: i) merging nanomaterials that could be hardly combined by chemical synthesis, ii) fine tuning the magnetic and optical properties, iii) achieving simple functionalization and direct dispersion in water solutions, and iv) keeping low cost and scalability. Firstly, we developed Fe/Au nanodomes with fluorescent cores for magnetically amplified photothermal therapies and multimodal imaging. The variation of the Fe and Au layers thickness enabled attaining colloidally stable single domain or vortex ferromagnetic nanoparticles with widely tunable optical properties. Thick Fe layers provided strongly supressed scattering and high optical absorption in the near infrared, which were key to demonstrate high photothermal conversion efficiencies (ca. 65%). The capacity to magnetically concentrate the nanodomes at the illuminated region enhanced even further the local heating efficiency. The Fe/Au semi-shell and the fluorescent polymer core provided intense contrasts in T2 nuclear magnetic resonance, X-ray absorption, and fluorescence. The in vitro results showed low cytotoxicity and magnetically enhanced photothermal effects for cancer cell eradication, which highlighted the biomedical potential. To gain control on the photothermal effects, in the second part we developed a novel simultaneous nano-heating/thermometry concept, based on the efficient magnetic rotation of highly anisotropic magneto-plasmonic nanodomes. By analyzing the nanodomes rotation as a function of the magnetic frequency, we quantified and monitored the viscosity reduction in the fluid surrounding the optically heated nanodomes, as novel nanothermometry concept. This nanothermometers showed a low detection limit of 0.05ºC, independence on their concentration, and much simpler and cost-effective detection setup than luminescent nanothermometers. The capacity to integrate heating and thermometry in a single nanostructure and using the same laser for heating and detecting were relevant advantages that could be demonstrated even in highly concentrated cell dispersions. The final goal of the Thesis was maximizing the biomedical potential of the nanodomes for cancer nanotherapies by developing fully biodegradable drug loaded PLGA@Fe/SiO2 magnetoplasmonic nanocapsules to achieve: i) improved biodegradability, ii) reinforced magnetic actuation, iii) high photothermal conversion efficiency in both near-infrared biological windows (63-67%), iv) higher T2 contrast in nuclear magnetic resonance, and v) integrated nanothermometry and biosensing. The unloaded nanocapsules showed very low toxicity in vitro in long-term cell cultures, and in vivo in mice. The high T2 contrast was exploited to monitor the in vivo biodistribution of the nanocapsules after intravenous injection, which showed accumulation in the liver 1h after the injection, and almost total recovery after 96h. These preliminary results are encouraging for their application in multi-active local therapies. In conclusion, we have shown how a hybrid nanofabrication strategy could exploited to develop nanostructures with strong ferromagnetic and plasmonic properties enabling external control and non-invasive visualization. The in vitro and preliminary in vivo results encourage further technological development of this novel nanotechnology for clinical applications.