Phototheranostic agents for breast cancer treatment

Abstract

La llum juga un paper crucial en teràpies modernes, particularment en el camp de la teràpia fotodinàmica. La teràpia fotodinàmica es una alternativa de tractament en el camp de l’oncologia, la qual aprofita la interacció de la llum amb agents fotosensibilitzadors per produir mort cel·lular. Tot i així, la seva aplicació clínica s’ha vist limitada per la falta de selectivitat i eficàcia en la destrucció de cèl·lules canceroses, així com el desafiament d’entregar de manera eficient els fotosensibilitzadors en la zona tumoral.

En vista de la problemàtica presentada, el present treball de tesi estima abordar dues propostes, una basada en l’ús d’anticossos i l’altra en l’ús de nanoestructures.

La primera proposta oferix selectivitat al fotosensibilitzador mitjançant l’ús d’anticossos monoclonals. S’han desenvolupat fotoimmunoconjugats amb l’anticòs trastuzumab i el fotosensibilitzador IRDye®700DX (IR700). S’ha avaluat les seves propietats fotofísiques i fotoquímiques, així com l’activitat fototòxica. La conjugació proporciona selectivitat contra cèl·lules tumorals que sobre expressen el receptor HER2 (HER2-positives). A la vegada, s’ha realitzat la conjugació amb un biosimilar del trastuzumab, Herzuma®, demostrant activitat fotodinàmica indistinguible i selecció cel·lular. A més, la conjugació de trastuzumab amb IR700 ofereix acció fotodinàmica contra cèl·lules HER2-positives resistents a trastuzumab. També, s’ha desenvolupat un fotoquimioimmunoconjugat, basat en la unió de trastuzumab amb IR700 i doxorrubicina (Dox), amb alliberació de l’agent quimioterapèutic provocada per l’exposició a la llum. S’ha avaluat l’efecte fototòxic cel·lular, així com la seva fotofísica. La unió de Dox al conjugat provoca una reducció en la capacitat de tractament. El fotoquimioimmunoconjugat, presenta selectivitat per cèl·lules que sobre expressen el receptor HER2. Finalment, s’ha desenvolupat un altre fotoimmunoconjugat basat en l’ús d’un derivat d’aza-BODIPY unit a l’anticòs trastuzumab. S’ha avaluat el fotosensibilitzador de manera fotofísica i fotoquímica, així com l’efecte fotodinàmic. Tot i no demostrar gran producció d’oxigen singlet, ha sigut efectiu en erradicar cèl·lules tumorals. Al unir-lo amb l’anticòs ha demostrat preferència fotodinàmica contra cèl·lules que sobre expressen el receptor HER2.

La segona proposta aborda l’estudi de fotosensibilitzadors autoassemblatge formant nanoestructures entregant de manera mes eficient al teixit diana. S’han utilitzat ftalocianines de zinc(II) (ZnPc) amfifíliques amb capacitat d’autoassemblar-se en aigua. S’han avaluat les seves propietats fotofísiques i fotoquímiques, així com la fototoxicitat cel·lular. Els derivats de nanopartícules de ZnPc han demostrat la capacitat de desassemblar-se amb l’interacció cel·lular, donant especies fotoquímicament actives. Han provat ser efectius pel tractament fotodinàmic.

El resultats obtinguts demostren noves vies en el disseny de teràpia fotodinàmica i exalten les necessitats d’abordar les complexitats associades en l’entrega i interacció de fotosensibilitzadors per millorar els resultats i poder arribar a clínica.

La luz desempeña un papel crucial en terapias modernas, particularmente en el campo de la terapia fotodinámica. La terapia fotodinámica es una alternativa de tratamiento en el campo de la oncología, que aprovecha la interacción de la luz con agentes fotosensibilizadores para producir la muerte celular. Sin embargo, su aplicación clínica se ha visto limitada por la falta de selectividad y eficacia en la destrucción de células cancerosas, así como el desafío de entregar de forma eficiente el fotosensibilizador en la zona tumoral.

Ante la problemática presentada, el presente trabajo de tesis estima abordar dos propuestas, una basada en el uso de anticuerpos y la otra en el uso de nanoestructuras.

La primera propuesta ofrece selectividad al fotosensibilizador mediante el uso de anticuerpos monoclonales. Se han desarrollado fotoinmunoconjugados con el anticuerpo monoclonal trastuzumab y el fotosensibilizador IRDye®700DX. Se han evaluado sus propiedades fotofísicas y fotoquímicas, así como la actividad fototóxica. La conjugación proporciona selectividad contra células tumorales que sobre expresan el receptor (HER2-positivas). A su vez, se ha realizado la conjugación con un biosimilar del trastuzumab, Herzuma®, demostrando la misma actividad fotodinámica y selección celular. Además, la conjugación de trastuzumab con IR700 ofrece acción fotodinámica contra células HER2-positivas resistentes a trastuzumab. También, se ha desarrollado un fotoquimioinmunoconjugado, basado en la unión de trastuzumab con IR700 y doxorrubicina (Dox), con liberación del agente quimioterapéutico provocada por la exposición a la luz. Se ha evaluado el efecto fototóxico celular, así como la fotofísica. La unión de Dox en el conjugado provoca una reducción en la capacidad de tratamiento. El fotoquimioinmunoconjugado, presenta selectividad por células que sobre expresan el receptor. Por último, se ha desarrollado otro fotoimmunoconjugado basado en el uso de un derivado de aza-BODIPY unido al anticuerpo trastuzumab. Se ha evaluado el fotosensibilizador de manera fotofísica i fotoquímica, así como el efecto fotodinámico. A pesar de no demostrar gran producción de oxígeno singlete, ha sido efectivo al erradicar células tumorales. Al unirlo con el anticuerpo demostró preferencia fotodinámica contra células que sobre expresan el receptor HER2.

La segunda propuesta aborda el estudio de fotosensibilizadores autoensamblables formando nanoestructuras para la mejora de entregar de forma eficiente al tejido diana. Se han utilizado ftalocianinas de zinc(II) ZnPc anfifílicas capaces de autoensamblarse en agua formando nanopartículas. Se han evaluado sus propiedades fotofísicas y fotoquímicas, así como la fototoxicidad celular. Los derivados de nanopartículas de ZnPc han demostrado la capacidad de desensamblarse con la interacción celular, dando especies fotoquímicamente activas. Han probado ser efectivos para el tratamiento fotodinámico.

Los resultados obtenidos demuestran nuevas vías en el diseño de terapia fotodinámica y exaltan las necesidades de abordar las complejidades asociadas en la entrega e interacción de fotosensibilizadores para mejorar los resultados y poder llegar a clínica.

Light plays a crucial role in modern therapies, particularly in photodynamic therapy, an alternative treatment in oncology. It uses the interaction of light with photosensitizing agents to produce cell death. However, its clinical application has been limited due to the lack of selectivity and effectiveness in destroying cancer cells, as well as the challenge of efficiently delivering photosensitisers to the tumour area.

This thesis aims to address two proposals: one based on the use of antibodies and the other on the use of nanostructures.

The first proposal aims to provide selectivity to the photosensitiser through monoclonal antibodies. A rational design of photoimmunoconjugates has been developed with the antibody trastuzumab and the photosensitiser IRDye®700DX (IR700). Its photo-physical and photochemical properties, as well as phototoxic activity, have been evaluated. The conjugation provides selectivity against tumour cells that overexpress the HER2 receptor (HER2-positive). At the same time, the conjugation with a trastuzumab biosimilar, Herzuma®, has been carried out, demonstrating indistinguishable photodynamic activity and cell selection. In addition, the conjugation of trastuzumab to IR700 provides photodynamic action against trastuzumab-resistant HER2-positive cells. Also, a photochemoimmunoconjugate has been developed, based on the orthogonal union of trastuzumab with IR700 and doxorubicin (Dox), with the release of the chemotherapeutic agent caused by exposure to light. The cellular phototoxic effect has been evaluated, as well as its photophysics. The binding of Dox to the conjugate causes a reduction in the treatment capacity. The photochemoimmunoconjugate has selectivity for cells that overexpress the HER2 receptor. Finally, another photoimmunoconjugate has been developed based on the use of an aza-BODIPY derivative attached to the trastuzumab antibody. The photosensitiser has been evaluated photophysically and photochemically, as well as the photodynamic effect. Despite not demonstrating a large production of singlet oxygen, it has been effective in eradicating tumour cells. By combining it with the antibody, it has shown photodynamic preference against cells that overexpress the HER2 receptor.

The second proposal focuses on the study of self-assembling photosensitisers forming nanostructures for more efficient delivery to the target tissue. Amphiphilic zinc(II) phthalocyanine (ZnPc) photsensitisers capable of self-assembling in water forming nanoparticles have been used. Their photophysical and photochemical capacities, as well as cellular phototoxicity, have been evaluated. Derivatives of ZnPc nanoparticles have demonstrated the ability to disassemble with the interaction with cells, generating photochemically active species. They have demonstrated capacity in photodynamic treatment.

The results obtained demonstrate new ways in the design of photodynamic therapy and highlight the need to address the complexities associated with the delivery and interaction of photosensitisers to improve results and reach the clinic.