Synthesis and characterization of plasma-treated liquid and hydrogels for bone cancer therapy

Abstract

This PhD Thesis tallies with the Starting Grant project funded by the European Research Council (ERC) entitled “Atmospheric Pressure plAsma meets biomaterials for bone Cancer HEaling” (APACHE) and has been carried out within the Biomaterials, Biomechanics and Tissue Engineering group (BBT) at the Barcelona East School of Engineering (EEBE) of the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). This project falls within in the area of Plasma Medicine, a new branch of medical technology encompassing physics, biology, medicine and chemistry. One of the main fields of interest in Plasma Medicine is cancer therapy. During the last decade, the anticancer capacity of cold plasmas has been illustrated in different cancer cell lines such as breast, skin, lung, pancreas, cervix or brain and has shown ability to kill cancer cells without damaging the surrounding tissues. This PhD Thesis is focused on investigating potential novel vehicles of plasma-treated liquids for bone cancer with the aim to provide an alternative to the current treatments (i.e. surgery, chemotherapy, radiation therapy and cryosurgery) that are not completely effective. Cold plasma sources can be used to treat liquid media, thereby generating plasma-treated liquids, which can be applied to the cancer cells afterwards. Reactive oxygen and nitrogen species are generated from cold plasmas, which have been related to the biological effects of plasmas and plasma-treated liquids. Despite the exact mechanisms are not completely described yet, the reactive species generated are thought to be the main responsible of the biological effects of plasmas. Many of the radicals generated during the discharge can contribute to complex reactions in liquids: formation of other short and long-lived species in the solution. As plasma-treated liquids will probably be washed in the body through the blood flow when injected, another option for the reactive species transport should be employed. Given the high capacity of hydrogels to store liquids, and their proven capacity as drug delivery agents, the use of biocompatible hydrogels will be studied in this PhD Thesis as novel vehicles for plasma-generated reactive species for bone cancer treatment. This may allow avoiding invasive surgery to the patient, as hydrogels can be used to target tumours by injection. Within this context, in this PhD Thesis the effect of the atmospheric pressure plasma jet will be investigated in liquids and hydrogels to develop novel vehicles for plasma-based therapies. In the first place, a literature review on plasma-treated polymers for biomedical applications will be presented, with special emphasis on the future evolution and new possibilities arising in the treatment of polymer solutions or hydrogels by cold plasmas for biomedical applications. In a first experimental step, the efficiency of direct plasma treatment will be compared to plasma treated or conditioned media with regard to their effects on healthy and cancer bone cells. The concentration of reactive species generated in cell culture media in different plasma treatment conditions will be related to the biological effects observed. Then, the effect of plasma treatment will be carefully studied on the chemistry and physico-chemical properties of different hydrogel-forming polymers: natural (alginate), semi-synthetic (methacrylated gelatin) and synthetic (poly(oxide)ethylene based triblock copolymer) polymers. The generation, stability and release of reactive species generated in solution from plasma will be discussed regarding the different kinds of polymers with different hydrogel-forming ability employed. The potential of polymer solutions and hydrogels as reservoirs and vehicles of reactive species from cold plasmas will be examined here.

La presente tesis se enmarca dentro del proyecto europeo "Starting Grant" financiado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC de sus siglas en inglés) titulado "Atmospheric Pressure plAsma meets biomaterials for bone Cancer HEaling" (APACHE) del grupo de investigación de Biomateriales, Biomecánica e Ingenieria de Tejidos (BBT) de la Escuela de Ingeniería de Barcelona Este (EEBE) de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC). Este proyecto se enmarca en el contexto del ámbito de la medicina de plasmas, una nueva área de tecnología médica que abarca física, biología, medicina y química. Uno de los principales temas de estudio en la medicina de plasmas es la terapia de cáncer. En los últimos años, la eficacia de los plasmas fríos contra el cáncer se demostró en varias líneas celulares como cáncer de mama, piel, pulmón, páncreas, cuello del útero o cerebro observando una selectividad hacia las células cancerígenas sin dañar a los tejidos circundantes. Esta tesis está enfocada a la investigación de potenciales nuevos medios de líquidos tratados por plasma para la terapia de cáncer de hueso con el objetivo de dar una alternativa a los tratamientos actuales (i.e. cirugía, quimioterapia, radioterapia y crio-cirugía) que no son de todo eficaces. Los equipos de plasmas fríos a presión atmosférica pueden usarse para el tratamiento de líquidos, generando un líquido activado por plasma, poniéndolo después en contacto con las células cancerígenas. Los plasmas fríos generados en el aire producen especies reactivas de oxígeno y nitrógeno que se han relacionado con los efectos celulares inducidos. Aunque los mecanismos involucrados no se han descrito completamente, las especies reactivas generadas son las principales responsables de los efectos biológicos provocados por plasma. Los radicales generados por plasma pueden contribuir a las complejas reacciones que tienen lugar en líquidos formando otras especies reactivas en solución de corta y larga vida. Una vez inyectados en el cuerpo, los líquidos se disiparán en la sangre, por lo que sería conveniente emplear otro tipo de vehículos para transportar las especies reactivas del plasma hasta el tumor. Los hidrogeles presentan una gran capacidad para almacenar líquidos, y se han empleado a menudo como agentes de liberación de fármacos. Los hidrogeles se estudiarán en esta tesis como nuevos vehículos de especias reactivas generadas por plasma para terapia de cáncer de hueso, puesto que pueden ser inyectados y reticulados in situ en el paciente en el lugar de la terapia de forma mínimamente invasiva. En este contexto, en esta tesis, se investigarán los efectos de los haces de plasma a presión atmosférica en líquidos e hidrogeles para desarrollar nuevos vehículos para terapias basadas en plasmas. En la Tesis se presenta, en primer lugar, un resumen sobre los polímeros tratados por plasma para aplicaciones biomédicas, con un enfoque especial a la evolución futura y a las nuevas posibilidades ofrecidas en el tratamiento de soluciones poliméricas o hidrogeles para aplicaciones biomédicas mediante plasmas fríos. En un primer paso experimental, la eficacia del tratamiento directo de plasma será comparada al tratamiento indirecto mediante un líquido tratado por plasma, en cuanto a sus efectos en células sanas y cancerígenas de hueso. La concentración de especies reactivas generada en medios de cultivo en diferentes condiciones de tratamiento plasma se relacionará con los efectos biológicos observados.

A continuación, se estudia los efectos del tratamiento con plasma en la química y en las propiedades física-químicas de diferentes polímeros con habilidad para formar hidrogeles: natural (alginato), semi-natural (gelatina metacrilata) y sintético (poly(oxide)etileno tribloc copolimero). La generación, estabilidad, almacenamiento y la liberación de las especies reactivas generadas por plasma se discute en función de los diferentes polímeros estudiados y del método de reticulación empleado en cada caso. Se examina en esta tesis la posibilidad de emplear soluciones poliméricas e hidrogeles como reservorios y vehículos de especies reactivas generadas por plasma para aplicaciones en el área de medicina de plasmas.