Towards the therapeutic use of nanoparticles in cancer: a cellular perspective

Abstract

Durant les últimes 3 dècades, la nanotecnologia s'ha convertit en un camp en constant creixement, incloent la seva aplicació a la medicina, la qual coneixem com a nanomedicina. Tot i les prometedores aplicacions potencials de la nanomedicina, la seva traducció a alternatives terapèutiques i diagnòstiques efectives és encara molt baixa. Això és degut, en part, a la falta de coneixement dels mecanismes amb els que els nanomaterials interaccionen amb els organismes, així com la seva biointeracció a nivell cel·lular. Aquesta informació és freqüentment ignorada quan es caracteritzen nous dissenys de nanomaterials i pot contribuir substancialment al seu desenvolupament eficient i segur. En aquest escenari, l'objectiu d'aquesta tesi és proporcionar un anàlisi en profunditat des d'una perspectiva cel·lular de les nanobiointeraccions dels nanomaterials i com aquestes poden afectar al potencial terapèutic dels mateixos. També posem en relleu la importància de caracteritzar amb mètodes compatibles la citotoxicitat de nanomaterials per evitar potencials interferències amb els mètodes emprats i de la quantificació de la internalització i destí intracel·lular de nous nanomaterials. Els estudis presentats en aquesta tesi també destaquen la rellevància de la caracterització in vitro de les biointeraccions dels nanomaterials fent servir diferents línies cel·lulars. Primer, hem comprovat la biocompatibilitat i propietats antioxidants de les nanopartícules d'òxid de ceri, aconseguint resultats propers als efectes d'antioxidants disponibles a nivell comercial. En segon lloc, hem demostrat la biocompatibilitat de les nanopartícules d'òxid de silici i aportat nova informació rellevant de la seva biointeracció amb cultius cel·lulars fent servir microscòpia làser d'escaneig confocal i microscòpia electrònica d'escaneig, així com un anàlisi quantificable de les dades d'internalització obtingudes. Aquest estudi aporta nova informació quantitativa sobre com els temps d'incubació poden afectar dràsticament a l'eficiència d'internalització i el destí intracel·lular dels nanomaterials. Finalment, hem analitzat la biointeracció, la citotoxicitat, les possibilitats de direcció a través de manipulació magnètica i l’ús pel tractament per hipertèrmia de nanopartícules magnetoplasmòniques d'or i ferro sobre poliestirè de forma selectiva en una línia cel·lular tumoral (SKBR-3) i una línia cel·lular no tumoral (MCF10a). Hem comprovat l'eficiència de manipulació magnètica de les nanopartícules magnetoplasmòniques i com afecten incrementant l'eficiència d'internalització per part de les cèl·lules en condicions de cultiu estàtiques i dinàmiques. També destaquem els mecanismes diferencials de mort cel·lular entre línies tumorals i no tumorals induïts pel tractament per hipertèrmia mitjançant l'estimulació de les nanopartícules magnetoplasmòniques amb un làser amb longitud d'ona propera al infraroig. En conclusió, la present tesi aporta nous coneixements que ajudaran al desenvolupament de nous nanomaterials i el desenvolupament de nous agents basats en nanomaterials pel diagnòstic i teràpia contra cèl·lules tumorals.

For the past three decades, nanotechnology has been an ever-growing field, including its application to medicine, what is known as nanomedicine. Despite the promising potential applications of nanomedicine, translation to effective therapeutic and diagnostic alternatives is still very low. This is in part, due to a lack of knowledge of the mechanisms in which nanomaterials interact with the organisms, beginning with their biointeraction at the cellular level. This information is often over-looked when characterising new engineered nanomaterials and can contribute to their efficient and safe development. In this scenario, the goal of this thesis is to provide an in-depth clear perspective from a cellular point of view of these nanomaterial bio-interactions and how they might affect their expected therapeutic outcome. We also point out the importance of using compatible methods to study the cytotoxicity of new nanomaterials to avoid potential assay interferences and to evaluate the uptake and intracellular fate of nanomaterials quantitatively. Works presented in this thesis highlight the importance of in vitro characterisation of the biointeraction of nanomaterials using different cell lines. First, we proved the biocompatibility and antioxidant properties of cerium oxide nanoparticles, achieving antioxidant results close to those obtained with commercially available antioxidant products. Second, we demonstrated the biocompatibility of silica nanoparticles and provided new insights into their biointeraction using confocal laser scanning and scanning electron microscopy techniques and a novel quantifiable analysis of the obtained internalisation data. It also led new quantitative information on how time-dependent internalisation can critically affect the uptake and intracellular fate of nanomaterials. Lastly, we analysed the biointeraction, cytotoxicity, magnetic targeting capabilities and hyperthermia-triggered therapeutic use of iron and gold magnetoplasmonic polystyrene nanodomes to selectively treat tumoral cell lines (SKBR-3) and leave non-tumoral cell lines (MCF10a) unaffected. The efficiency to magnetically manipulate this kind of nanoparticles and the increase of the uptake efficiency in cells is proved in static and flow conditions. We also highlight the differential cell death mechanisms induced by hyperthermia after near-infrared laser irradiation between tumoral and non-tumoral cell lines. In conclusion, the present thesis provides new knowledge towards the development of better nanomaterials and new generation diagnostic and therapeutic agents for the selective destruction of malignant cells.