New multiresponsive materials platforms for cancer treatment: smart electroconductive nanoparticles and transdermal devices

Abstract

(English) Cancer remains the leading cause of death in many developed countries. Despite significant progress in cancer treatment many challenges persist, such as severe side effects, damage to healthy tissues due to non-specific drug distribution and high systemic toxicity. Multiresponsive biomaterials systems have emerged as powerful tools for biomedical applications, especially in cancer treatment. This research aims to advance materials approaches to cancer therapy through the development of new electro-responsive materials platforms, incorporating smart nanoparticles (NPs) and transdermal or implantable devices. For example, NPs were used for controlled drug delivery triggered by electrical stimulation, while the devices also responded to secondary stimuli such as acidic pH or to the presence of tumor biomarkers. This combination of external and endogenous stimuli provides enhanced spatiotemporal control over drug delivery. Several therapeutic agents were tested, including an anticancer pentapeptide (CR(NMe)EKA), or drugs like curcumin, and chloramphenicol. The therapeutic agents were loaded into poly(3,4-ethylenedioxythiophene) NPs (PEDOT NPs), which provided the electrical stimuli response. These drug-loaded PEDOT NPs were then incorporated into various biomaterials scaffolds, such as pH-responsive hydrogels and bio-responsive fibers, creating multiresponsive devices. For instance, to achieve a multiresponsive injectable carrier for controlled delivery of the anticancer peptide CR(NMe)EKA, a biocompatible and pH-responsive hydrogel, formed by phenylboronic acid grafted with chitosan, was synthesized and loaded with PEDOT NPs. An electro-chemo responsive hydrogel for chloramphenicol release was prepared by grafting polyacrylic acid onto sodium alginate and encapsulating PEDOT NPs in situ. Additionally, a wireless biomaterials-based electrostimulation system was developed to enable controlled and on-demand release of anticancer drugs, promoting in vitro human prostate cancer cell death. This system utilized curcumin-loaded PEDOT NPs encapsulated in coaxial poly(glycerol sebacate)/poly(caprolactone) electrospun fibers. Overall, this work lays the foundation for designing and developing smarter, more effective biomaterial-based delivery systems for anticancer therapy.

(Català) El càncer continua sent la principal causa de mort en molts països desenvolupats. Tot i els avenços significatius en el tractament del càncer, molts desafiaments persisteixen, com ara efectes secundaris greus, danys als teixits sans a causa de la distribució no específica dels fàrmacs i una alta toxicitat sistèmica. Els sistemes de biomaterials multiresponsius han emergit com a eines poderoses per a aplicacions biomèdiques, especialment en el tractament del càncer. Aquesta recerca té com a objectiu avançar en els materials per a la teràpia del càncer mitjançant el desenvolupament de noves plataformes de materials electroresponents, incorporant nanopartícules (NPs) intel·ligents i dispositius transdèrmics o implantables. Per exemple, es van utilitzar NPs per a l'alliberament controlat de fàrmacs desencadenat per estimulació elèctrica, mentre que els dispositius també van respondre a estímuls secundaris com el pH àcid o la presència de biomarcadors tumorals. Aquesta combinació d'estímuls externs i endògens proporciona un control espai temporal millorat sobre l'alliberament de fàrmacs. Es van provar diversos agents terapèutics, incloent-hi un pentapèptid anticancerós (CR(NMe)EKA), o fàrmacs com la curcumina i el cloranfenicol. Els agents terapèutics es van carregar en NPs de poli(3,4-etilendioxitiofè) (PEDOT NPs), que proporcionaven la resposta a l'estímul elèctric. Aquestes NPs carregades de fàrmacs es van incorporar en diverses estructures de biomaterials, com ara hidrogels pH-responsius i fibres bio-responsives, creant dispositius multiresponsius. Per exemple, per aconseguir un sistema injectable multiresponsiu per a l'alliberament controlat del pèptid anticancerós CR(NMe)EKA, es va sintetitzar un hidrogel biocompatible i pH-responsiu, format per àcid fenilborònic empeltat amb quitosan, i carregat amb PEDOT NPs. Es va preparar un hidrogel electroquímio-responsiu per a l'alliberament de cloranfenicol mitjançant l'empelt de àcid poliacrílic sobre alginat de sodi i encapsulant PEDOT NPs in situ. A més, es va desenvolupar un sistema de electroestimulació sense fils basat en biomaterials per permetre l'alliberament controlat i a demanda de fàrmacs anticancerosos, promovent la mort de cèl·lules de càncer humanes in vitro. Aquest sistema utilitzava PEDOT NPs carregades de curcumina encapsulades en fibres coaxials electrofilades de poli(glicerol sebacat)/poli(caprolactona). En general, aquest treball estableix les bases per dissenyar i desenvolupar sistemes de alliberament controlat de fàrmacs basats en biomaterials més intel·ligents i efectius per a la teràpia anticancerosa.

(Español) El cáncer sigue siendo la principal causa de muerte en muchos países desarrollados. A pesar del significativo progreso en el tratamiento del cáncer persisten muchos desafíos, incluyendo efectos secundarios graves, daño a los tejidos sanos y alta toxicidad sistémica. Los sistemas de biomateriales multi-responsivos han surgido como herramientas poderosas para aplicaciones biomédicas, especialmente en el tratamiento del cáncer. Esta investigación tiene como objetivo avanzar en la terapia del cáncer mediante el desarrollo de nuevas plataformas de materiales electro-responsivos, incorporando nanopartículas (NPs) inteligentes y dispositivos transdérmicos o implantables. Por ejemplo, se usaron NPs para la liberación controlada de fármacos desencadenada por estimulación eléctrica, mientras que los dispositivos respondieron a estímulos como el pH ácido o biomarcadores tumorales. Esta combinación de estímulos externos y endógenos proporciona un mayor control espaciotemporal sobre la liberación de fármacos. Se probaron varios agentes terapéuticos, que se cargaron en NPs de poli(3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT NPs), que proporcionaron la respuesta al estímulo eléctrico. Estas PEDOT NPs se incorporaron en varios biomateriales, como hidrogeles sensibles al pH y fibras bio-responsivas, creando dispositivos multi-responsivos. Para lograr un sistema inyectable multi-responsivo para la liberación controlada del péptido CR(NMe)EKA, se sintetizó un hidrogel sensible al pH, formado por ácido fenilborónico injertado con quitosano, y se cargó con PEDOT NPs. Se preparó un hidrogel electro-quimio sensible para la liberación de cloranfenicol mediante la injertación de ácido poliacrílico en alginato de sodio y la encapsulación de PEDOT NPs. Además, se desarrolló un sistema de electroestimulación inalámbrico basado en PEDOT NPs cargadas con curcumina encapsuladas en fibras coaxiales de poli(sebacato de glicerol)/poli(caprolactona) para la liberación controlada de curcumina, promoviendo la muerte de células cancerosas humanas in vitro. En general, este trabajo sienta las bases para el diseño y desarrollo de sistemas de liberación más inteligentes y efectivos basados en biomateriales para la terapia anticancerígena.