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Authors
Abstract(s)
Cancer is a major health care problem with growing incidence, not only at a national level but also worldwide. Due to this urgency in reducing cancer prevalence, the scientific community has put forward a great attention in the search for novel anti-cancer treatments, particularly, in the development of nanocarriers capable to control and promote drug delivery to target cells. These drug delivery systems are capable to overcome the limitations presented by the conventional chemotherapeutic treatments. Among the various types of nanocarriers developed so far, mesoporous silica nanoparticles (MSNs) possess unique structural properties that make them highly suitable to encapsulate and deliver drugs to cancer cells. However, for these specialized nanocarriers to be applied in cancer therapies it is still of critical importance to control the time frame of drug release at the tumor microenvironment or inside cancer cells, in order to maximize the therapeutic effect and reduce unspecific cytotoxicity. One alternative to control drug release is to endow the nanocarriers with a pH responsive drug release that takes advantage of the naturally acidic tumor microenvironment and also of the acidic pH of lysosomes.
In this thesis the development of dual drug loaded pH-responsive mesoporous silica nanoparticles (MSNs) with a calcium carbonate-based coating is presented as an effective alternative to deliver drugs to prostate cancer cells. This approach allowed the simultaneous co-encapsulation of a non-steroidal anti-inflammatory drug (Ibuprofen) and Doxorubicin (an anti-tumoral drug), with high efficiency. Furthermore, the idealized calcium carbonate coating successfully promoted a pH sensitive drug release from the MSNs matrix. The delivery systems proved to be capable of maintaining the drugs inside their mesoporous structure under physiological pH, and to prompt its release in acidic environments. The resulting dual loaded MSNs coated with calcium carbonate have spherical morphology and a mean size of 167 nm, presenting therefore, good characteristics to be applied as nanocarriers. Such, is supported by the cytotoxicity studies where the idealized MSNs produced a 93% higher anti-proliferative effect than the non-coated silica nanoparticles, being even more effective than the dual free drug administration, as well. Overall, the carbonate coating of MSNs showed to be a simple and cost-effective approach for cancer therapy, in particular for a pH-triggered drug delivery. Moreover, the versatile nature of these nanocarriers allows surface modifications that can improve the selectivity to target cells, allow imaging or even a combination of them both.
O cancro é atualmente um dos maiores problemas que afeta a saúde pública, tanto ao nível nacional como mundial. Apesar de grande parte das terapias convencionais possuírem a potencialidade de eliminar a maioria das células cancerígenas, estas apresentam vários problemas associados. Um dos que mais se destaca é a falta de especificidade, o que se traduz frequentemente em danos de células e tecidos saudáveis, que constituem efeitos secundários nefastos. Aliado a este facto, normalmente, também se verifica uma baixa biodisponibilidade e, por isso, são muitas vezes utilizadas concentrações mais elevadas dos agentes terapêuticos na tentativa produzir algum efeito benéfico para o paciente. Estes aumentos nas concentrações administradas acarretam consigo um acréscimo dos efeitos nocivos. Como tal, esta doença tem atraído a atenção da comunidade científica para o desenvolvimento de novas terapias. Uma boa abordagem para ultrapassar estas desvantagens é a entrega combinada de diferentes agentes terapêuticos. Esta múltipla administração utiliza os compostos em quantidades inferiores à da sua aplicação isolada, tentando assim tirar partido de um possível efeito terapêutico sinérgico resultante da combinação do ataque a diferentes caraterísticas chave das células cancerígenas. Contudo, mesmo esta abordagem não tem conseguido ultrapassar os efeitos secundários produzidos nas células saudáveis. Nos últimos anos, uma estratégia que tem sobressaído é a utilização da Nanotecnologia para a administração destes agentes terapêuticos. A utilização de nanotransportadores concede a oportunidade de ultrapassar algumas das limitações apresentadas anteriormente. De fato, no geral os nanoveículos são capazes de aumentar a solubilidade dos agentes terapêuticos, protegê-los e transportá-los na circulação sanguínea. Simultaneamente, também podem controlar a libertação destes compostos bioativos, aumentando a seletividade e penetração/absorção dos mesmos no tecido alvo. Dentro dos diferentes tipos de nanopartículas que têm vindo a ser estudados as nanopartículas mesoporosas de sílica (MSNs) apresentam características estruturais que as tornam muito adequadas para esta aplicação. Estas partículas possuem uma estrutura porosa singular, com um grande número de poros que nunca se interconectam, aliada à capacidade de armazenarem uma grande quantidade de agentes terapêuticos. Além disso, as MSNs apresentam uma estrutura rígida muito resistente à temperatura, pH e stress mecânico o que lhes garante uma elevada estabilidade. Contudo, apesar das boas propriedades que as MSNs apresentam, é ainda necessário conferir-lhes a capacidade de libertarem a sua carga na presença de um determinado estímulo para que os agentes terapêuticos sejam apenas libertados quando cheguem a um ambiente que possua esses estímulos. O estímulo pode ter como origem alterações no pH, luz, enzimas, temperatura entre outros. A sensibilidade ao pH é um dos estímulos que melhor se adequa para ser utilizado na terapia do cancro, pois as diferenças de pH observadas no microambiente tumoral e também nas vias endocíticas no interior das células cancerígenas podem ser aproveitadas para desencadear a libertação dos agentes terapêuticos. Nas MSNs esta sensibilidade a estímulos é geralmente conseguida através da ligação de polímeros na sua superfície. Porém, esta estratégia apresenta algumas desvantagens como a necessidade de utilização de processos de purificação complexos, custos elevados e um potencial de aplicação clínica limitado. Assim sendo, o trabalho de investigação desenvolvido nesta tese descreve não só o desenvolvimento de nanopartículas de sílica mesoporosas carregadas com dois agentes terapêuticos, Doxorrubicina e Ibuprofeno mas, também a nova aplicação do carbonato de cálcio para tornar as MSNs sensíveis ao pH. O carbonato de cálcio forma-se preferencialmente nos poros das MSNs impedindo assim a libertação da sua carga, e quando em meio ácido este sofre uma rápida degradação desimpedindo os poros e permitindo a libertação da Doxorrubicina e do Ibuprofeno. Este sistema foi desenvolvido e testado para a entrega de agentes terapêuticos a células do cancro da próstata. As nanopartículas produzidas apresentaram um tamanho na ordem dos 160 nm e uma morfologia esférica uniforme. Além disto, os estudos efetuados demostraram que as partículas são capazes de armazenar grandes quantidades de Doxorrubicina e Ibuprofeno na sua matriz porosa. Por outro lado, apenas perdas residuais destes agentes terapêuticos foram detetadas nos passos subsequentes ao seu armazenamento nas MSNs. Os resultados obtidos demostraram também que o revestimento de carbonato de cálcio é sensível ao pH, visto que a um pH acídico (5,6) os agentes terapêuticos apresentaram uma rápida libertação e a um pH fisiológico (7,4) a libertação foi retardada. Os estudos realizados in vitro com células do cancro da próstata (PC-3) mostraram que estas partículas eram capazes de penetrar nas células e entregar os agentes terapêuticos no seu local de ação. Em particular, foi comprovado que uma quantidade substancial de Doxorrubicina se localizava no núcleo das células tumorais após administração. Estes resultados são essenciais para verificar a eficácia desta estratégia uma vez que este agente anti-tumoral atua no núcleo ao nível do ADN. Adicionalmente, as partículas de sílica revestidas com carbonato de cálcio contendo os fármacos apresentaram uma maior atividade citotóxica do que os agentes terapêuticos na forma livre e mesmo do que as nanopartículas não revestidas. Em geral, o revestimento de carbonato de cálcio mostrou-se capaz de imprimir um comportamento sensível ao pH por parte das nanopartículas de sílica, e futuramente permitir a sua utilização na terapia do cancro. Além disto, a versatilidade que este sistema apresenta, permite modificações futuras que podem melhorar a sua seletividade para as células de interesse ou mesmo adicionar funções permitindo por exemplo o diagnóstico e a terapia em simultâneo.
O cancro é atualmente um dos maiores problemas que afeta a saúde pública, tanto ao nível nacional como mundial. Apesar de grande parte das terapias convencionais possuírem a potencialidade de eliminar a maioria das células cancerígenas, estas apresentam vários problemas associados. Um dos que mais se destaca é a falta de especificidade, o que se traduz frequentemente em danos de células e tecidos saudáveis, que constituem efeitos secundários nefastos. Aliado a este facto, normalmente, também se verifica uma baixa biodisponibilidade e, por isso, são muitas vezes utilizadas concentrações mais elevadas dos agentes terapêuticos na tentativa produzir algum efeito benéfico para o paciente. Estes aumentos nas concentrações administradas acarretam consigo um acréscimo dos efeitos nocivos. Como tal, esta doença tem atraído a atenção da comunidade científica para o desenvolvimento de novas terapias. Uma boa abordagem para ultrapassar estas desvantagens é a entrega combinada de diferentes agentes terapêuticos. Esta múltipla administração utiliza os compostos em quantidades inferiores à da sua aplicação isolada, tentando assim tirar partido de um possível efeito terapêutico sinérgico resultante da combinação do ataque a diferentes caraterísticas chave das células cancerígenas. Contudo, mesmo esta abordagem não tem conseguido ultrapassar os efeitos secundários produzidos nas células saudáveis. Nos últimos anos, uma estratégia que tem sobressaído é a utilização da Nanotecnologia para a administração destes agentes terapêuticos. A utilização de nanotransportadores concede a oportunidade de ultrapassar algumas das limitações apresentadas anteriormente. De fato, no geral os nanoveículos são capazes de aumentar a solubilidade dos agentes terapêuticos, protegê-los e transportá-los na circulação sanguínea. Simultaneamente, também podem controlar a libertação destes compostos bioativos, aumentando a seletividade e penetração/absorção dos mesmos no tecido alvo. Dentro dos diferentes tipos de nanopartículas que têm vindo a ser estudados as nanopartículas mesoporosas de sílica (MSNs) apresentam características estruturais que as tornam muito adequadas para esta aplicação. Estas partículas possuem uma estrutura porosa singular, com um grande número de poros que nunca se interconectam, aliada à capacidade de armazenarem uma grande quantidade de agentes terapêuticos. Além disso, as MSNs apresentam uma estrutura rígida muito resistente à temperatura, pH e stress mecânico o que lhes garante uma elevada estabilidade. Contudo, apesar das boas propriedades que as MSNs apresentam, é ainda necessário conferir-lhes a capacidade de libertarem a sua carga na presença de um determinado estímulo para que os agentes terapêuticos sejam apenas libertados quando cheguem a um ambiente que possua esses estímulos. O estímulo pode ter como origem alterações no pH, luz, enzimas, temperatura entre outros. A sensibilidade ao pH é um dos estímulos que melhor se adequa para ser utilizado na terapia do cancro, pois as diferenças de pH observadas no microambiente tumoral e também nas vias endocíticas no interior das células cancerígenas podem ser aproveitadas para desencadear a libertação dos agentes terapêuticos. Nas MSNs esta sensibilidade a estímulos é geralmente conseguida através da ligação de polímeros na sua superfície. Porém, esta estratégia apresenta algumas desvantagens como a necessidade de utilização de processos de purificação complexos, custos elevados e um potencial de aplicação clínica limitado. Assim sendo, o trabalho de investigação desenvolvido nesta tese descreve não só o desenvolvimento de nanopartículas de sílica mesoporosas carregadas com dois agentes terapêuticos, Doxorrubicina e Ibuprofeno mas, também a nova aplicação do carbonato de cálcio para tornar as MSNs sensíveis ao pH. O carbonato de cálcio forma-se preferencialmente nos poros das MSNs impedindo assim a libertação da sua carga, e quando em meio ácido este sofre uma rápida degradação desimpedindo os poros e permitindo a libertação da Doxorrubicina e do Ibuprofeno. Este sistema foi desenvolvido e testado para a entrega de agentes terapêuticos a células do cancro da próstata. As nanopartículas produzidas apresentaram um tamanho na ordem dos 160 nm e uma morfologia esférica uniforme. Além disto, os estudos efetuados demostraram que as partículas são capazes de armazenar grandes quantidades de Doxorrubicina e Ibuprofeno na sua matriz porosa. Por outro lado, apenas perdas residuais destes agentes terapêuticos foram detetadas nos passos subsequentes ao seu armazenamento nas MSNs. Os resultados obtidos demostraram também que o revestimento de carbonato de cálcio é sensível ao pH, visto que a um pH acídico (5,6) os agentes terapêuticos apresentaram uma rápida libertação e a um pH fisiológico (7,4) a libertação foi retardada. Os estudos realizados in vitro com células do cancro da próstata (PC-3) mostraram que estas partículas eram capazes de penetrar nas células e entregar os agentes terapêuticos no seu local de ação. Em particular, foi comprovado que uma quantidade substancial de Doxorrubicina se localizava no núcleo das células tumorais após administração. Estes resultados são essenciais para verificar a eficácia desta estratégia uma vez que este agente anti-tumoral atua no núcleo ao nível do ADN. Adicionalmente, as partículas de sílica revestidas com carbonato de cálcio contendo os fármacos apresentaram uma maior atividade citotóxica do que os agentes terapêuticos na forma livre e mesmo do que as nanopartículas não revestidas. Em geral, o revestimento de carbonato de cálcio mostrou-se capaz de imprimir um comportamento sensível ao pH por parte das nanopartículas de sílica, e futuramente permitir a sua utilização na terapia do cancro. Além disto, a versatilidade que este sistema apresenta, permite modificações futuras que podem melhorar a sua seletividade para as células de interesse ou mesmo adicionar funções permitindo por exemplo o diagnóstico e a terapia em simultâneo.
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Keywords
Calcium carbonate Cancer therapy Co-delivery of drugs Mesoporous silica nanoparticles pH responsive release