Desenvolupament de sistemes nanobiotecnològics multifuncionals per a l'administració de Riluzol en malalties neurodegeneratives

Abstract

[cat] La present tesi doctoral aborda el desenvolupament i l’avaluació de noves eines multifuncionals basades en NPs polimèriques (NPs) com a estratègia avançada per a l’administració i l’optimització terapèutica del Riluzol (RLZ) en el tractament de patologies neurodegeneratives del SNC (SNC). Les NPs polimèriques, caracteritzades per la seva alta versatilitat i capacitat de funcionalització, han emergit com una estratègia prometedora en nanomedicina gràcies a la seva biocompatibilitat, estabilitat fisicoquímica i habilitat per atravessar barreres biològiques complexes. Aquestes propietats les fan ideals per al disseny de plataformes d’alliberament controlat i administració dirigida de fàrmacs en teixits específics. En aquesta recerca, s’han desenvolupat i avaluat sistemes innovadors per superar barreres biològiques crítiques, com la barrera hematorretiniana (BHR), la barrera hematoespinal (BSCB) i la barrera hematoencefàlica (BHE), abordant alhora les limitacions farmacocinètiques i farmacodinàmiques del RLZ. En relació amb les patologies neurodegeneratives que afecten el globus ocular, com el glaucoma, es va desenvolupar una formulació basada en NPs polimèriques encapsulant RLZ i un gel ionosensible optimitzat amb goma gellan (GG), hialuronat sòdic (HA) i hidroximetilcel·lulosa (HPMC) incoporant- les. Aquesta formulació va demostrar propietats fisicoquímiques òptimes, la capacitat d’atravessar la BHR i localitzar-se en el segment posterior de l’ull. Els estudis in vitro i in vivo van evidenciar la seva biocompatibilitat, absència d’irritació ocular i efectivitat en l’alliberament sostingut del fàrmac, millorant així la seva retenció i biodisponibilitat en teixits oculars del segment posterior. Aquest enfocament proporciona una estratègia prometedora per millorar les limitacions actuals de les teràpies oculars en malalties neurodegeneratives. Pel que fa a les patologies motores que afecten la mèdul·la espinal, es van dissenyar NPs funcionalitzades amb polietilenglicol (PEG) i un pèptid penetrador de cèl·lules (CPP), per facilitar la seva distribució a través de la BSCB. Aquestes NPs van demostrar propietats fisicoquímiques òptimes, incloent-hi una mida adequada i una carrega superficial que garanteix estabilitat en medis biològics, així com una alta eficiència d’encapsulació. Els estudis d’interacció van validar la correcta funcionalització i estabilitat estructural de les NPs. Així com els estudis in vivo, on es va evidenciar la millora de la farmacocinètica del RLZ i una acumulació de les NPs a la medul·la espinal i a l’escorça somatomotora. En el tractament de patologies neurodegeneratives com la malaltia d’Alzheimer, es van desenvolupar NPs funcionalitzades amb PEG i pèptids específics, com pVEC, un CPP i NCAM-PrP, amb alta afinitat per aquesta patologia. Les NPs van demostrar una capacitat destacada per travessar la BHE, acumulant-se selectivament en regions clau del cervell. Els estudis preclínics van evidenciar que aquestes formulacions eren capaces d’inhibir l’agregació del pèptid β-amiloide, reduint significativament el nombre de plaques en l’hipocamp i el còrtex cerebral. A més, les NPs van restaurar de manera efectiva la memòria espacial i de reconeixement en models experimentals d’Alzheimer, ressaltant el seu gran potencial terapèutic. Els resultats d’aquesta investigació posen de manifest el gran potencial de les plataformes nanomèdiques desenvolupades per abordar les complexitats terapèutiques de patologies neurodegeneratives. La combinació de funcionalització específica amb pèptids i estratègies d’alliberament controlat no només ha permès optimitzar l’eficàcia del tractament, sinó que també ha establert una base sòlida per a futures aplicacions clíniques en l’àmbit de la nanomedicina. Aquesta recerca constitueix un avenç significatiu en la integració de la nanociència i la teràpia personalitzada, obrint noves perspectives en el tractament de malalties complexes com el glaucoma, les malalties motores i l’Alzheimer.

[eng] This doctoral thesis explores the development and evaluation of multifunctional nanomedicine platforms based on polymeric nanoparticles (NPs) as advanced tools for the delivery and therapeutic optimization of riluzole (RLZ) in the treatment of neurodegenerative pathologies, particularly of the central nervous system (CNS). Polymeric nanoparticles, characterized by their high versatility and functionalization capacity, have emerged as a promising strategy in nanomedicine due to their biocompatibility, physicochemical stability, and ability to traverse complex biological barriers. These properties make them ideal candidates for designing controlled-release platforms and targeted drug delivery systems to specific tissues. In this research, innovative systems have been developed and evaluated to overcome critical biological barriers such as the blood-retinal barrier (BBB), the blood-spinal cord barrier (BSCB), and the blood-brain barrier (BRB), while addressing the pharmacokinetic and pharmacodynamic limitations of RLZ. Regarding neurodegenerative pathologies affecting the visual system, such as glaucoma, a formulation was developed based on polymeric nanoparticles encapsulating RLZ and dispersed in an ion-sensitive gel optimized with gellan

gum (GG), sodium hyaluronate (HA), and hydroxypropyl methylcellulose (HPMC). This formulation demonstrated optimal physicochemical properties, and a remarkable ability to cross the BHR and localize in the posterior segment of the eye. Both in vitro and in vivo studies evidenced its biocompatibility, absence of ocular irritation, and effectiveness in sustaining drug release, thereby enhancing its retention and bioavailability in key ocular tissues. This approach offers a promising strategy to overcome current limitations in ocular therapies for neurodegenerative diseases. For motor pathologies affecting the spinal cord, nanoparticles functionalized with polyethylene glycol (PEG) and a cell-penetrating peptide (CPP) were designed to facilitate their distribution across the BSCB. These NPs exhibited optimal physicochemical properties, including an appropriate size and a surface charge that ensures stability in biological media, as well as high encapsulation efficiency. Interaction studies validated the correct functionalization and structural stability of the nanoparticles, As well as the in vivo studies, which demonstrated an improvement in the pharmacokinetics of RLZ and an accumulation of the NPs in the spinal cord and the somatomotor cortex. In the treatment of neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease, nanoparticles functionalized with PEG and specific peptides, such as pVEC, a CPP, and NCAM-PrP, with high affinity for the pathology, were developed. These nanoparticles demonstrated a remarkable ability to cross the BHE, selectively accumulating in key regions of the brain. Preclinical studies evidenced that these formulations were capable of inhibiting β-amyloid peptide aggregation, significantly reducing the number of plaques in the hippocampus and cerebral cortex. Additionally, the nanoparticles effectively restored spatial and recognition memory in experimental models of Alzheimer’s disease, highlighting their substantial therapeutic potential. The findings of this research underscore the significant potential of the nanomedicine platforms developed to address the therapeutic complexities of neurodegenerative diseases. The combination of specific peptide functionalization with controlled-release strategies not only optimized treatment efficacy but also established a solid foundation for future clinical applications in nanomedicine. This investigation represents a significant advancement in integrating nanoscience and personalized therapy, opening new perspectives for the treatment of complex diseases such as glaucoma, motor disorders, and Alzheimer’s disease.