Radial-capped mesoporous silica nanoparticles for multiple drug delivery

Abstract

En la present tesi doctoral, s'ha desenvolupat un sistema d'alliberament de fàrmacs sensible a pH basat en nanopartícules mesoporoses de sílice (MSN). Els porus de la nanopartícula estan radialment obstruïts mitjançant la funcionalització de cadenes de PEG, substituïdes amb un fàrmac en un dels seus extrems. L'objectiu d'aquesta nova metodologia és la de preservar la càrrega interna d'aquestes MSN. En primer lloc, s'ha estudiat el concepte d'obstrucció radial per avaluar la utilitat pràctica d'aquest mètode. Per aquesta raó, diferents tipus de cadenes de PEG amb càrrega, a saber, amines quaternàries i PEG neutrals, s'han funcionalitzat sobre la MSN per estudiar la seva capacitat d'obstrucció. Com a prova de concepte, s'ha estudiat l'alliberament de safranina en medi fisiològic (pH 7.4). Els resultats obtinguts han demostrat que les cadenes de PEG que contenen una càrrega positiva obstrueixen millor els porus que les cadenes de PEG neutres de la mateixa longitud. Utilitzant aquesta aproximació, s'ha dissenyat un sistema d'alliberament de fàrmacs per a la vehiculització de camptotecina (CPT) i topotecan (TPT). En primer lloc, un dels anteriors fàrmacs s’ha adsorbit dins dels porus de la MSN. Posteriorment, els porus s’han segellat mitjançant una cadena de PEG que conté doxorrubicina (DOX) en un dels seus extrems (DOX-PEG). L'estabilitat d'aquest sistema en condicions fisiològiques prova l'eficàcia de l'obstrucció radial. D'altra banda, en condicions àcides, es produeix un alliberament descontrolat dels fàrmacs. Així mateix, els experiments de citotoxicitat in vitro han demostrat que el sistema pot alliberar CPT i DOX en les cèl·lules cancerígenes HeLa, aconseguint un major efecte sinèrgic que la combinació de TPT i DOX. També s'ha sintetitzat un profàrmac de la CPT amb l'objectiu d'augmentar la seva càrrega en una MSN i millorar així el seu efecte sinèrgic amb la DOX. Per dur-ho a terme, s’ha unit una cadena de PEG escindible a la CPT. Emprant aquesta estratègia s'ha aconseguit carregar un 30% més de CPT a l'interior de les MSN. El sistema mostra una gran estabilitat en condicions fisiològiques, ja que s’observa un alliberament negligible dels fàrmacs. A més, s'ha avaluat la citotoxicitat de sistema en dues línies cel·lulars diferents: HeLa i HepG2. Els resultats obtinguts demostren que el nou profàrmac sintetitzat amb combinació amb la DOX té un major efecte sinèrgic en les cèl·lules HepG2. D'altra banda, la selectivitat de les MSN cap a les cèl·lules HepG2 s'ha millorat mitjançant la funcionalització sobre el grup DOX-PEG amb el lligant àcid glicirretinic (GA). Per fer-ho, s'ha emprat la mateixa aproximació radial establerta pels altres sistemes. Els estudis d'internalització cel·lular han demostrat que aquest nou sistema és capaç de discriminar entre cèl·lules HeLa i HepG2, acumulant-se preferentment en aquestes últimes. Finalment, s'ha avaluat un sistema d'administració triple de medicaments amb l'objectiu de superar l'efecte de resistència dels tumors a múltiples fàrmacs. Aquesta acció es pot emprendre mitjançant la combinació d’agents quimioterapèutics, DOX i CPT, amb un agent fototerapèutic (ftalocianina). Referent a això, s'ha sintetitzat un nou conjugat de la CPT amb una ftalocianina. Aquest conjugat s'ha carregat dins dels porus de la MSN i posteriorment s'han segellat amb el grup DOX-PEG. Els experiments d'internalització cel·lular han demostrat l'endocitosi d'aquest sistema en les cèl·lules HeLa i el posterior alliberament dels fàrmacs. Així mateix, s'ha avaluat in vitro l'efecte sinèrgic entre la DOX i la CPT.

En la presente tesis doctoral, se ha desarrollado un sistema de liberación de fármacos sensible a pH basado en nanopartículas mesoporosas de sílice (MSN). Los poros de la nanopartícula están radialmente obstruidos mediante la funcionalización de cadenas de PEG, sustituidas con un fármaco en uno de sus extremos. El objetivo de esta nueva metodología es la de preservar la carga interna de estas MSN. En primer lugar, se ha estudiado el concepto de obstrucción radial para evaluar la utilidad práctica de este método. Por esta razón, diferentes tipos de cadenas de PEG con carga, a saber, aminas cuaternarias y PEG neutrales, se han funcionalizado sobre la MSN para estudiar su capacidad de obstrucción. Como prueba de concepto, se ha estudiado la liberación de safranina en medio fisiológico (pH 7.4). Los resultados obtenidos han demostrado que las cadenas de PEG que contienen una carga positiva obstruyen mejor los poros que las cadenas de PEG neutrales de la misma longitud. Utilizando esta aproximación, se ha diseñado un sistema de liberación de fármacos para la vehiculización de camptotecina (CPT) y topotecán (TPT). En primer lugar, uno de los anteriores fármacos se ha adsorbido dentro de los poros de la MSN. Posteriormente, los poros se han sellado mediante una cadena de PEG que contiene doxorrubicina (DOX) en uno de sus extremos (DOX-PEG). La estabilidad de dicho sistema en condiciones fisiológicas prueba la eficacia de la obstrucción radial. Por otro lado, en condiciones ácidas, se produce una liberación descontrolada de los fármacos. Asimismo, los experimentos de citotoxicidad in vitro han demostrado que el sistema puede liberar CPT y DOX en las células cancerígenas HeLa, logrando un mayor efecto sinérgico que la combinación de TPT y DOX. También se ha sintetizado un profármaco de la CPT con el objetivo de aumentar su carga en una MSN y mejorar así su efecto sinérgico con la DOX. Para llevarlo a cabo, se ha unido una cadena escindible de PEG a la CPT. Empleando esta estrategia se ha conseguido cargar un 30% más de CPT en el interior de las MSN. El sistema muestra una gran estabilidad en condiciones fisiológicas, ya que se observa una liberación negligible de los fármacos. Además, se ha evaluado la citotoxicidad del sistema en dos líneas celulares diferentes: HeLa y HepG2. Los resultados obtenidos demuestran que el nuevo profármaco sintetizado en combinación con DOX, resulta en un mayor efecto sinérgico en las células HepG2. Por otro lado, la selectividad de las MSN hacia las células HepG2 se ha mejorado mediante la introducción del ligando ácido glicirretínico (GA) sobre el grupo DOX-PEG. Para llevarlo a cabo, se ha empleado la misma aproximación radial establecida para los otros sistemas. Los estudios de internalización celular han demostrado que este nuevo sistema es capaz de discriminar entre las células HeLa y HepG2, acumulándose preferentemente en estas últimas. Finalmente, se ha evaluado un sistema de administración triple de medicamentos con el objetivo de superar el efecto de resistencia de los tumores a múltiples fármacos. Esta acción se puede emprender mediante la combinación de medicamentos quimioterapéuticos, DOX y CPT, con un agente fototerapéutico (ftalocianina). Por esta razón, se ha sintetizado un nuevo conjugado de la CPT con una ftalocianina. Dicho conjugado se ha cargado dentro de los poros de la MSN y posteriormente se han sellado con el grupo DOX-PEG. Los experimentos de internalización celular han demostrado la endocitosis de este sistema en las células HeLa y la posterior liberación de los fármacos. Asimismo, se ha evaluado in vitro el efecto sinérgico entre la DOX y la CPT.

In this PhD dissertation, a pH-responsive multiple drug delivery system (DDS) based on mesoporous silica nanoparticles (MSN) with a radial-capping of its pores has been developed. This is a new concept that relies on the functionalization of the particle surface with PEG chains substituted with a drug at its end to preserve the inner cargo of the MSN. First, the concept of radial-capping has been studied to assess the practical usefulness of such capping method. Thus, different types of charged PEGs, namely quaternary amines and neutral PEGs, have been introduced upon an MSN in order to study its capping ability. As a proof of concept, the dye safranin was loaded into the nanoparticles pores, which were subsequently capped with PEGs chains. Then, the release of safranin was assessed under physiological conditions (pH 7.4). The results obtained demonstrated that PEG chains possessing positive charge provides a more efficient capping than the neutral PEGs of the same length. Using this approach, a drug delivery system (DDS) based on the radial capping for the delivery of camptothecin (CPT) and topotecan (TPT) has been studied. CPT or TPT has been loaded within the pores of an MSN, and subsequently sealed with a PEG chain decorated with doxorubicin (DOX) at its end (DOX-PEG moiety). The system is stable under physiological conditions (pH 7.4) which confirms the effectiveness of the radial capping. On the other hand, under acidic pH, a burst release of drugs takes place. Furthermore, the in vitro cytotoxicity test has demonstrated that this DDS can effectively deliver CPT and DOX to HeLa cells achieving a better synergistic effect than the combination of TPT and DOX. With the aim to improve the loading of CPT to enhance the synergistic effect with the latter system (DOX-PEG moiety), a prodrug of CPT has been synthesised. To do so, a cleavable reductive short PEG chain has been bonded to CPT. An increase of loading of 30% has been achieved in comparison with the unmodified drug. The stability of the radial-capping methodology has been tested as mentioned above. Under physiological conditions, the release of drugs is negligible. The cytotoxicity activity of the system has been tested in two different cell lines: HeLa and HepG2 cells. The results showed a better synergistic effect of this new synthesised system towards HepG2 cells. In order to further improve the selectivity of the system towards HepG2 cells, the MSN were decorated with glycyrrhetinic acid (GA) ligand over the DOX-PEG moiety. Uptake studies have shown that this new system preferably accumulates in HepG2 cells in comparison to HeLa cells. Finally, a tri-deliver system of drugs has been developed with the aim to try to overcome the multiple drug-resistant (MDR) effect by the combination of chemotherapeutic drugs (DOX and CPT) with a phototherapeutic agent (phthalocyanine). In this regard, a new CPT conjugate with a phthalocyanine has been synthesised and loaded within the pores of an MSN. Then, the system has been sealed with the DOX-PEG moiety. The uptake studies have demonstrated the proper endocytosis of the system inside HeLa cells and the subsequent delivery of the three drugs in the cytoplasm and nucleus. Furthermore, the synergistic effect of DOX and CPT has been assessed in vitro.