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Authors
Abstract(s)
Breast cancer remains as one of the world's deadliest diseases, a fact that can be explained
by the low efficacy and systemic toxicity of the therapies currently in use in the clinic.
Recently, researchers have been developing new therapeutic approaches, among which the
chemo-photothermal therapy mediated by nanomaterials has been showing promising
results, due to its capacity to produce a spatio-temporal controlled anti-cancer effect.
During the development of nanomaterials aimed for cancer chemo-photothermal therapy,
their efficacy is initially assessed using monolayers of cancer cells (2D in vitro models). The
best formulations screened in 2D are then evaluated in tumor bearing mice (in vivo models).
However, the 2D in vitro models present some drawbacks, since they are unable to mimic
the key features of the in vivo solid tumors. Due to this reason, several nanoformulations
that displayed therapeutic efficacy when tested in the 2D in vitro models induce a subpar
effect in vivo. To overcome this limitation, spheroids (3D in vitro models) have recently
emerged for the screening of nanomedicines. In fact, spheroids are able to reproduce the
main properties of the in vivo solid tumors, namely: i) their 3D architecture,
ii) microenvironment (gradients of nutrients, pH and gases), iii) cellular and acellular
composition, and iv) biochemical and physical resistance patterns to the therapeutics.
In this Master thesis, the efficacy of the chemo-photothermal therapy mediated by
nanoparticles based on bovine serum albumin functionalized with sulfobetaine
methacrylate, co-encapsulating IR780 and Doxorubicin (IR+DOX/SBMA-BSA NPs) was
evaluated in 2D in vitro models and spheroids. In 2D in vitro models, it was found that
photothermal therapy mediated by nanoparticles loading IR780 (IR/SBMA-BSA NPs and
NIR irradiation) reduced cells’ viability to about 58 %, while chemotherapy induced by
nanomaterials (IR+DOX/SBMA-BSA NPs) led to a decrease in their viability to 29 %. In
addition, the nanoparticles’ mediated chemo-photothermal therapy (IR+DOX/SBMA-BSA
NPs and NIR irradiation) achieved a better therapeutic effect by reducing cells’ viability to
1 %. On the other hand, when the therapies were screened on 3D breast cancer models
(spheroids), the photothermal therapy mediated by the nanoparticles (IR/SBMA-BSA NPs
and NIR irradiation) did not induce an appreciable cytotoxic effect, while the chemotherapy
mediated by the nanostructures (IR+DOX/SBMA-BSA NPs) decreased the viability of the
spheroids to 42 %. In turn, the chemo-photothermal therapy mediated by the nanomaterials
(IR+DOX/SBMA-BSA NPs and NIR irradiation) was able to further reduce the viability of
spheroids to 16 %, revealing that this is the most promising therapeutic modality.
O cancro de mama prevalece como uma das doenças com maior taxa de mortalidade associada, um facto que pode ser explicado pela baixa eficácia e toxicidade sistémica das terapias usadas presentemente em meio clínico. Recentemente, novas abordagens terapêuticas têm sido desenvolvidas, e entre elas a terapia quimio-fototérmica mediada por nanomateriais tem revelado resultados promissores no tratamento do cancro, devido à sua capacidade para produzir um efeito anticancerígeno controlado no espaço e no tempo. A eficácia terapêutica dos nanomateriais para a quimio-fototermia do cancro tem sido avaliada, até ao momento, usando monocamadas de células cancerígenas (modelo in vitro 2D). A formulação que obteve os melhores resultados in vitro é posteriormente testada em modelos animais portadores de tumor (modelo in vivo). Contudo, os modelos in vitro 2D não mimetizam as principais características dos tumores sólidos encontrados in vivo. Tal facto, faz com que determinadas nanoformulações que exibem eficácia terapêutica in vitro, revelem uma diminuta eficácia in vivo. Para ultrapassar as limitações dos modelos 2D foram desenvolvidos modelos in vitro 3D, conhecidos por esferóides, que têm sido usados na triagem de nanomateriais. Os esferóides são capazes de mimetizar as principais propriedades dos tumores sólidos in vivo, como sejam: i) a sua arquitetura 3D; ii) microambiente tumoral (os gradientes de nutrientes, pH e gases); iii) a composição celular e acelular; e iv) padrões bioquímicos e físicos de resistência às terapias. Nesta dissertação, a eficácia anticancerígena da terapia quimio-fototérmica mediada por nanopartículas à base de albumina de soro bovino funcionalizadas com sulfobetaína metacrilato, co-encapsulando IR780 e Doxorrubicina (IR+DOX/SBMA-BSA NPs) foi avaliada em modelos in vitro 2D e em esferóides. Os resultados obtidos revelaram que a terapia fototérmica mediada pelas nanopartículas encapsulando IR780 (IR/SBMA-BSA NPs irradiadas com luz na região do infravermelho próximo (NIR)) reduziu a viabilidade das células para cerca de 58 %, enquanto que a quimioterapia induzida pelos nanomateriais (IR+DOX/SBMA-BSA NPs) levou a uma diminuição na viabilidade para 29 % nos modelos in vitro 2D. A terapia quimio-fototérmica mediada pelas nanopartículas (IR+DOX/SBMA-BSA NPs e radiação NIR) alcançou o maior efeito terapêutico, tendo reduzido a viabilidade das células cancerígenas para 1 %. Por outro lado, quando estas terapias foram avaliadas em modelos 3D de cancro de mama (esferóides), a terapia fototérmica mediada pelas nanopartículas (IR/SBMA-BSA NPs e radiação NIR) não teve um efeito citotóxico relevante para as células no interior dos esferóides, enquanto que a quimioterapia mediada pelas nanoestruturas (IR+DOX/SBMA-BSA NPs) diminuiu a viabilidade das células presentes nos esferóides para 42 %. Por sua vez, a terapia quimiofototérmica mediada pelos nanomateriais (IR+DOX/SBMA-BSA NPs irradiados com NIR) conseguiu reduzir a viabilidade celular no interior dos esferóides para 16 %. Estes resultados enfatizam que esta última modalidade terapêutica é a mais promissora para futura aplicação em meio clínico. Em suma, os resultados obtidos nesta dissertação demonstraram que os esferóides poderão ter um papel fundamental na triagem de nanomateriais para aplicações terapêuticas. Por outro lado, os esferóides também permitirão reduzir o número de animais usados em experimentação animal, assim como reduzir custos e acelerar o processo de desenvolvimento de novas abordagens terapêuticas.
O cancro de mama prevalece como uma das doenças com maior taxa de mortalidade associada, um facto que pode ser explicado pela baixa eficácia e toxicidade sistémica das terapias usadas presentemente em meio clínico. Recentemente, novas abordagens terapêuticas têm sido desenvolvidas, e entre elas a terapia quimio-fototérmica mediada por nanomateriais tem revelado resultados promissores no tratamento do cancro, devido à sua capacidade para produzir um efeito anticancerígeno controlado no espaço e no tempo. A eficácia terapêutica dos nanomateriais para a quimio-fototermia do cancro tem sido avaliada, até ao momento, usando monocamadas de células cancerígenas (modelo in vitro 2D). A formulação que obteve os melhores resultados in vitro é posteriormente testada em modelos animais portadores de tumor (modelo in vivo). Contudo, os modelos in vitro 2D não mimetizam as principais características dos tumores sólidos encontrados in vivo. Tal facto, faz com que determinadas nanoformulações que exibem eficácia terapêutica in vitro, revelem uma diminuta eficácia in vivo. Para ultrapassar as limitações dos modelos 2D foram desenvolvidos modelos in vitro 3D, conhecidos por esferóides, que têm sido usados na triagem de nanomateriais. Os esferóides são capazes de mimetizar as principais propriedades dos tumores sólidos in vivo, como sejam: i) a sua arquitetura 3D; ii) microambiente tumoral (os gradientes de nutrientes, pH e gases); iii) a composição celular e acelular; e iv) padrões bioquímicos e físicos de resistência às terapias. Nesta dissertação, a eficácia anticancerígena da terapia quimio-fototérmica mediada por nanopartículas à base de albumina de soro bovino funcionalizadas com sulfobetaína metacrilato, co-encapsulando IR780 e Doxorrubicina (IR+DOX/SBMA-BSA NPs) foi avaliada em modelos in vitro 2D e em esferóides. Os resultados obtidos revelaram que a terapia fototérmica mediada pelas nanopartículas encapsulando IR780 (IR/SBMA-BSA NPs irradiadas com luz na região do infravermelho próximo (NIR)) reduziu a viabilidade das células para cerca de 58 %, enquanto que a quimioterapia induzida pelos nanomateriais (IR+DOX/SBMA-BSA NPs) levou a uma diminuição na viabilidade para 29 % nos modelos in vitro 2D. A terapia quimio-fototérmica mediada pelas nanopartículas (IR+DOX/SBMA-BSA NPs e radiação NIR) alcançou o maior efeito terapêutico, tendo reduzido a viabilidade das células cancerígenas para 1 %. Por outro lado, quando estas terapias foram avaliadas em modelos 3D de cancro de mama (esferóides), a terapia fototérmica mediada pelas nanopartículas (IR/SBMA-BSA NPs e radiação NIR) não teve um efeito citotóxico relevante para as células no interior dos esferóides, enquanto que a quimioterapia mediada pelas nanoestruturas (IR+DOX/SBMA-BSA NPs) diminuiu a viabilidade das células presentes nos esferóides para 42 %. Por sua vez, a terapia quimiofototérmica mediada pelos nanomateriais (IR+DOX/SBMA-BSA NPs irradiados com NIR) conseguiu reduzir a viabilidade celular no interior dos esferóides para 16 %. Estes resultados enfatizam que esta última modalidade terapêutica é a mais promissora para futura aplicação em meio clínico. Em suma, os resultados obtidos nesta dissertação demonstraram que os esferóides poderão ter um papel fundamental na triagem de nanomateriais para aplicações terapêuticas. Por outro lado, os esferóides também permitirão reduzir o número de animais usados em experimentação animal, assim como reduzir custos e acelerar o processo de desenvolvimento de novas abordagens terapêuticas.
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Keywords
Cancro Esferóides Nanopartículas Quimioterapia Terapia Combinatória Terapia Fototérmica