Development of intelligent vehicles for co-livery of anti-tumoral drugs to breast cancer cells

• Autor(es): Marques, João Filipe Gonçalves
• Data: 2013
• Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/10400.6/3238
• Origem: uBibliorum
• Assunto(s): Cancro da mama - Fármacos anti-tumorais; Cancro da mama - Co-polímeros em bloco
• Tipo de Documento: Dissertação de mestrado
• Idioma: Inglês
• Orientador(es): Correia, Ilídio Joaquim Sobreira; Gaspar, Vítor Manuel Abreu
• Contribuidor(es): uBibliorum

Descrição

Presently breast cancer arises as one of the most prevalent malignancy in women worldwide, contributing for high rates of mortality and morbidity in several million patients. Currently there is still no available cure for this disease and to further aggravate this scenario the existing treatments such as chemotherapy, are generally ineffective due to poor tumor bioavailability. Moreover, the commonly used anti-tumoral compounds also lead to the development of drug resistant malignant cells after repeated administration, a fact that originates the development of more aggressive cells that possess the capacity to metastasize and spread to healthy organs. These facts evidence the urgent need for the development of novel therapeutic approaches that improve the therapeutic outcome and patient survival. The recent developments in the field of Nanotechnology, particularly regarding the capacity to manipulate matter at the nanoscale, has brought forth the opportunity to devise novel drug delivery systems to tackle some of these issues. From this stand point, the research work presented in this thesis describes the development of a novel drug delivery system based on micellar carriers, with a core-shell structure, that are capable to simultaneously deliver multiple drugs to breast cancer cells. These nanocarriers are comprised by a hydrophilic and a hydrophobic polymer organized in a block-by-block structure that was synthesized through macromolecular chemistry. The manipulation of the various reaction conditions yielded block co-polymers with different hydrophobic chains, which influenced the available space in the nanocarrier core. The nanocarriers were formulated by co-polymer self-assembly into nanosized micelles that demonstrated the capacity to encapsulate with high efficiency, an anti-tumoral drug, Crizotinib and a potent inhibitor of the cell transporters responsible for drug resistance, Sildenafil. The drug release profile of the micellar carriers revealed a spatiotemporally controlled release that was faster for Sildenafil than Crizotinib. Moreover, the drug loaded micelles demonstrated to be highly biocompatible and accomplished uptake into adherent breast adenocarcinoma cells. This relevant finding let to the intracellular localization of both the anti-tumoral drug and the drug resistance inhibitor, and thus, improved the bioavailability of the bioactive therapeutics. Subsequently, the study of the therapeutic performance of the co-delivery systems illustrated that the simultaneous delivery of both drugs improved the anti-tumoral capacity of Crizotinib evidencing the existence of a highly synergistic effect. Strikingly, the micellar systems achieved the same anti-tumoral effect of the free drugs, using 2-fold less drug concentration. Besides indicating that the release profile maintains drug concentrations in the therapeutic window, these crucial results highlight the effect of dual drug conjugation and the use of Crizotinib as an anti-tumoral compound for breast cancer therapy and Sildenafil as a multidrug resistance inhibitor. Overall, the unique approach developed in this thesis possesses tremendous potential for a future clinical application in breast cancer patients that acquired resistance to standard therapies.

Atualmente, o cancro de mama surge como uma das neoplasias com maior prevalência no sexo feminino em todo o mundo, contribuindo para altas taxas de mortalidade e morbilidade em vários milhões de pacientes. Atualmente, ainda não se encontra disponível uma cura para esta doença e para agravar ainda mais este cenário, os tratamentos existentes geralmente baseados na quimioterapia, são extremamente ineficazes devido à baixa biodisponibilidade do fármaco no local do tumor. Além destas limitações, estes tratamentos também provocam graves efeitos secundários que afetam órgãos vitais como o fígado, coração ou rins. Este facto contribui para uma progressão desta neoplasia de forma mais acelerada e é responsável por um prognóstico bastante limitado em termos do tempo de vida das pacientes. Não obstante, devido à necessidade de manter a concentração terapêutica dos fármacos no organismo são efetuadas múltiplas administrações em regimes que usualmente se prolongam durante meses, para promover um aumento da probabilidade de localização dos fármacos nas células alvo. Esta abordagem terapêutica é crucial para a redução da massa tumoral, no entanto, foi recentemente descoberto que este tratamento origina a formação de células tumorais mamárias com mutações que lhes permitem adquirir um fenótipo muito mais agressivo e resistente ao fármaco anti-tumoral administrado. Esta resistência é muitas vezes atribuída ao aumento da expressão de proteínas membranares que têm a capacidade de expelir os ingredientes farmacêuticos ativos para o meio extracelular, eliminando-os assim do seu local alvo. Além do desenvolvimento de resistência, é despoletada também nas células tumorais a capacidade de metastização, permitindo o alastrar da doença para os órgãos saudáveis. Estes factos evidenciam a necessidade urgente do desenvolvimento de novas abordagens terapêuticas com vista a melhorar o prognóstico clínico e a qualidade de vida do paciente. Neste contexto, os desenvolvimentos recentes no campo da Nanotecnologia, particularmente em relação à capacidade de manipular a matéria à escala nanométrica, têm trazido a oportunidade de conceber novos sistemas de entrega de drogas para resolver alguns destes problemas. Diversos nanoveículos, com base polimérica e/ou lipídica, têm sido desenvolvidos durante as últimas décadas, tendo sido alguns deles já aprovados e usados no tratamento de doentes em unidades hospitalares. No entanto, apesar dos grandes avanços obtidos no design e produção de nano-veículos para aplicação na terapia do cancro da mama num âmbito clínico, a sua maioria apenas consegue melhorar a biodisponibilidade e biodistribuição do fármaco anti-tumoral nas células alvo. De facto, até à data, apesar da panóplia de nanotransportadores disponívels para terapia do cancro da mama muito poucos exploram a entrega de vários fármacos ou moléculas bioativas em simultâneo, como forma de combater os problemas associados à multirresistência adquirida pelas células neoplásicas. Com o conhecimento destas limitações atuais, e tendo como objetivo principal melhorar cada vez mais a terapia contra o cancro da mama, o trabalho de investigação apresentado nesta tese descreve o desenvolvimento de um novo sistema de entrega de drogas baseado em nanoveículos micelares, com uma estrutura "núcleo-concha” que lhes permite transportar e entregar simultaneamente múltiplas drogas a células de cancro da mama. Estas micelas, são formadas por dois polímeros rearranjados numa estrutura em bloco. Cada um dos blocos é constituído por um polímero hidrofílico e outro polímero hidrofóbico, um facto que imprime características anfifilicas aos nanotransportadores produzidos com estes biomateriais. Esta estrutura única foi sintetizada por intermédio de reações químicas macromoleculares. A manipulação das diversas condições da reação originou a síntese de co-polímeros com diferentes cadeias hidrofóbicas, um factor crucial visto que este influencia o espaço disponível no núcleo da micela, assim como a sua estabilidade e capacidade de encapsulação de moléculas bioativas. Os materiais sintetizados foram caracterizados física e químicamente por intermédio de técnicas referidas nas diretivas internacionais como adequadas para caraterizar nanomateriais para aplicações biomédicas. As micelas foram posteriormente formuladas pelos co-polímeros sintetizados recorrendo a um método de formação espontânea que origina micelas nanoméricas com uma morfologia esférica, como revelado por microscopia eletrónica de varrimento. O Crizotinib, um conhecido fármaco anti-tumoral neste momento em ensaios clínicos de fase IV e o Sildenafil, um potente inibidor dos transportadores celulares responsáveis pela resistência aos fármacos, foram escolhidos posteriormente para serem incluídos dentro das nano-micelas poliméricas. Após a otimização do processo de encapsulação foi obtida uma elevada eficácia de inclusão destes dois fármacos no interior dos transportadores micelares. O perfil de liberação destes fármacos dos transportadores micelares revelou ser controlado, sendo mais rápido para o Sildenafil do que para o Crizotinib. Além disso, as micelas produzidas demonstraram ser altamente biocompatíveis quando administradas a células humanas saudáveis. A sua internalização nas células cancerígenas da mama revelou ser muito elevada, um resultado extremamente vital pois, evidencia, a entrega intracelular de ambos os fármacos, o anti-tumoral e o inibidor da resistência celular, levando a um aumento da sua biodisponibilidade. Consequentemente, o estudo do desempenho terapêutico destes nanotransportadores demonstrou que a co-entrega de ambos os fármacos potenciou a atividade anti-tumoral do Crizotinib, evidenciando a obtenção de um efeito sinérgico. Surpreendentemente, os sistemas micelares obtiveram um efeito anti-tumoral similar ao obtido com os fármacos na sua formulação farmacêutica livre, administrando no entanto concentrações de fármaco duas vezes menores. Estes resultados ilustram a importância do sistema desenvolvido na terapia do cancro da mama. Além deste facto, uma vez que o perfil de libertação mantém as concentrações dos fármacos dentro da janela terapêutica, estes resultados realçam o efeito da conjugação das duas drogas e a utilização do Crizotinib como um composto anti-tumoral para a terapia do cancro da mama. Em geral, a abordagem exclusiva desenvolvida nesta tese demonstra um enorme potencial para aplicação futura em pacientes com cancro da mama, que apresentem resistência às terapias convencionais.