Evaluating in vitro models as platforms for screening nanomedicines and immunotherapies for cancer

Abstract

Cancer is a dreadful illness with ever-increasing rates, and it is one of the world's top causes of death. Most treatment options, such as systemic chemotherapy, are painfully slow and have many associated side effects due to their lack of specificity to cancer cells and their intravenous nature. Besides, chemotherapy alone may be susceptible to the occurrence of new metastasis after the treatment stops. Therefore, a more specialized treatment may benefit the patient. Among the therapeutic approaches currently used in clinical cancer immunotherapy offers a considerable advantage over existing conventional therapies in terms of avoiding metastasis and recurrence due to the phenomenon of immunological memory. Several modalities have been evaluated and the most promising one seems to be cancer vaccines. Effector cells can target tumor-associated antigens produced by cancer cells with the help of nanoparticles, which are a potent antigen presentation and delivery mechanism that can maximize the immune response. As such colloidal gels present themselves as a new approach to this problem due to their in situ applicability, and moldability conjugated with their capacity to transport both hydrophobic and hydrophilic molecules depending on the nanoparticles present on their structure. Considering this, the work presented on this thesis focuses on the formulation of a double network colloidal gel assembled from two polymer particles with opposite charges. Nanoparticles of Zein and methacrylated hyaluronic acid (234.0 ± 7.4 nm), for the encapsulation of doxorubicin, were combined with the plastic particles of PLGA and metacrylated poly(ethyleneimine) (264.8 ± 4.0 nm), for the encapsulation of indocyanine green. They both showed high encapsulation efficiency, for DOX (96.78%) and ICG (98.86%) respectively, through the nanoprecipitation method. The obtained colloidal gels were administered to a monolayered culture of Panc-1 cell line, irradiated with a laser to stimulate the chemo-photothermal therapy and the cytotoxicity was evaluated. The release profile of the colloidal gel was assessed with the assistance of laser irradiation which proved to boost the release of doxorubicin. The effect of an immunostimulant drug (GDC-0152) was also evaluated in 3D scaffold comprising Panc-1 cells. Different concentrations of this compound were administered to both 3D and 2D cultures and their cell viability was evaluated.

O cancro é uma doença terrível com taxas sempre crescentes, e é uma das principais causas de morte no mundo. A maioria das opções de tratamento, tais como a quimioterapia sistémica, são dolorosamente lentas e têm muitos efeitos secundários associados devido à sua falta de especificidade às células cancerígenas e à sua natureza intravenosa. Além disso, a quimioterapia por si só pode ser susceptível à ocorrência de novas metástases após a interrupção do tratamento. Por conseguinte, um tratamento mais especializado pode beneficiar o doente. Entre as abordagens terapêuticas actualmente utilizadas no tratamento clínico do cancro, a imunoterapia oferece uma vantagem considerável sobre as terapias convencionais existentes em termos de evitar metástases e recorrência devido ao fenómeno da memória imunológica. Várias modalidades foram avaliadas e a mais promissora parece ser a das vacinas contra o cancro. As células efectoras podem visar os antigénios associados ao tumor produzidos pelas células cancerosas com a ajuda de nanopartículas, que são um potente mecanismo de apresentação e fornecimento de antigénios que pode maximizar a resposta imunológica. Como tal, os géis coloidais apresentam-se como uma nova abordagem a este problema devido à sua aplicabilidade in situ e moldabilidade conjugadas com a sua capacidade de transportar moléculas hidrofóbicas e hidrofílicas, dependendo das nanopartículas presentes na sua estrutura. Considerando isto, o trabalho apresentado sobre esta tese centra-se na formação de um gel coloidal de dupla rede constituído por duas partículas de polímeros com cargas opostas. Nanopartículas (NPs) de Zeína e ácido hialurónico metacrilado (234.0 ± 7.4 nm), para o encapsulamento de doxorubicina, foram combinadas com as partículas plásticas de PLGA e de poli(etilenoimina) metacrilada (264.8 ± 4.0 nm), para o encapsulamento de indocianina verde. Ambas NPs mostraram elevada eficiência de encapsulação de DOX (96.78%) e ICG (98.86%) respetivamente, através do método de nanoprecipitação. Os géis coloidais obtidos foram administrados a uma cultura monocamada da linha celular Panc-1, irradiados com um laser para estimular a terapia quimio-fototérmica e a sua citotoxicidade foi avaliada. O perfil de libertação do gel coloidal foi avaliado com o auxílio da irradiação laser que provou aumentar a libertação de doxorubicina. O efeito de um medicamento imunoestimulante (GDC-0152) foi também avaliado em estruturas 3D de células Panc-1. Foram administradas diferentes concentrações deste composto tanto a culturas 3D como a 2D e a sua citotoxicidade foi avaliada.