Synthesis of novel photosensitizer-silica nanoparticle hybrids for controlled (1O2) release in cancer photodynamic therapy

Abstract

Cancer is one of the biggest health problem for humans. Until now, there is no efficient therapy for most cancers. An alternative method to conventional cancer treatments, including chemotherapy, radiotherapy and surgery, could be photodynamic therapy (PDT), which combines three components: a photoactive drug (photosensitizer, PS), a particular type of light and oxygen. In PDT, the severe side effects of chemotherapy or radiotherapy are minimized. However, as all clinical protocols, PDT still has some problems to solve. One of the difficulties in PDT is to find an ideal PS for the different tumors. Recently, nanoparticle-based delivery systems have been explored as efficient vehicles to deliver PSs in PDT. In particular, silica nanoparticles (SNPs) are attracting great attention in PDT due to their biocompatibility, large surface area, controllable size formation, hydrophilic surface and ability for surface functionalization. The possibility for tumor targeting through surface modification is a key to successful cancer treatment. As such, this dissertation describes the synthesis and characterization of novel photosensitizer-silica nanoparticle hybrids for controlled singlet oxygen (1O2) release in cancer PDT. The work is divided into three chapters in which novel nanoformulations are presented as third generation PSs for PDT. In the first part, S-glycoside porphyrins (Pors) were prepared and encapsulated into SNPs by Stöber method. In the next part, the same Pors were grafted on the surface of sphereshaped and rod-shaped mesoporous silica nanoparticles (MSNPs). Finally, NPs encapsulating phosphonate phthalocyanine (Pc) or covalently appended with Pc were prepared after slight modification of the reverse microemulsion method. These new nanomaterials show relatively homogeneous morphological characteristics, such as size and shape. The new nanocarriers are able to produce 1O2 after light irradiation and have been employed for in vitro studies with two human bladder cancer epithelial cell lines, HT-1376 and UM-UC-3. The results showed that the new nanoparticle-based systems could be successfully used as novel PSs in PDT of bladder cancer which is the fourth most commonly diagnosed cancer with the high rate of recurrence.

O cancro é um dos maiores problemas de saúde para os humanos. Até agora, não há terapia eficiente para a maioria dos cancros. A terapia fotodinâmica (PDT) tem surgido como um método alternativo aos tratamentos convencionais de cancro, nomeadamente a quimioterapia, radioterapia e cirurgia. A PDT combina três componentes: uma droga fotoativa (fotossensibilizador, PS), luz e oxigênio. Os efeitos secundários observados em quimioterapia ou radioterapia são minimizados na PDT. No entanto, como em todos os protocolos clínicos, a PDT apresenta também limitações, nomeadamente a utilização de um PS aplicável a diferentes tumores. Recentemente, as nanopartículas têm sido exploradas como veículos do PS a administrar em PDT. Em particular, as nanopartículas de sílica (SNPs) têm merecido uma especial atenção devido à sua biocompatibilidade, elevada área de superfície específica, quase monodispersidade e superfícies hidrofílicas com possibilidade de funcionalização química. Um aspeto crucial para um bem sucedido tratamento do cancro prende-se com a adequada modificação superficial vdas SNPs tendo o tumor como alvo. Como tal, esta dissertação descreve a síntese e caracterização de novos híbridos do tipo fotossensibilizador-nanopartículas de sílica para libertação controlada de oxigénio singleto (1O2) na PDT aplicada ao cancro. O trabalho é dividido em três capítulos que descrevem nanoformulações para PDT em que o PS é de terceira geração. Na primeira parte, descreve-se a preparação de porfirinas de S-glicosídeo (Pors) e sua encapsulação em SNPs. A secção seguinte descreve a ligação dessas Pors à superfície de nanopartículas de sílica mesoporosa (MSNPs). Finalmente, descreve-se o encapsulamento de fosfonato ftalocianina (Pc) em sílica e também nanopartículas com Pc ligada covalentemente, utilizando uma adaptação do método de microemulsão inversa. Estes novos nanomateriais apresentam características morfológicas relativamente uniformes, nomeadamente em termos de tamanho e forma. Estes sistemas apresentam capacidade para produzir 1O2 após exposição à luz e foram utilizados em estudos in vitro envolvendo duas linhas de células epiteliais de cancro da bexiga humana, HT-1376 e UM-UC-3. Os resultados demonstram que as SNPs podem ser usados com sucesso como novos PSs em PDT de cancro da bexiga, sendo este o quarto cancro diagnosticado com a mais alta taxa de recorrência.

En los últimos años, el cáncer es uno de los principales problemas de salud para el ser humano. Hasta ahora no se ha desarrollado una terapia eficiente para la mayoría de los tipos de cáncer. Un método alternativo a las opciones convencionales de tratamiento del cáncer, como la quimioterapia, la radioterapia y la cirugía, podría ser la terapia fotodinámica (PDT), que combina tres componentes: un medicamento (fotosensibilizador o sustancia fotosensibilizadora, PS), un tipo particular de luz y oxígeno. En PDT los efectos secundarios de la quimioterapia o radioterapia se minimizan. Sin embargo, como es habitual en los protocolos clínicos de este campo, PDT todavía tiene algunos problemas por resolver. Una de las dificultades en PDT es encontrar un PS específico para los diferentes tumores. Recientemente, las nanopartículas están siendo exploradas como vehículos para la administración de PS en PDT. Concretamente, las nanopartículas de sílice (SNPs) están atrayendo una gran atención en PDT debido a su biocompatibilidad, elevada área superficial, obtención controlada en cuanto a tamaño, poro y forma, superficie hidrófila y capacidad para la funcionalización superficial. La posibilidad de modificar la superficie del PS para dirigirse al tumor puede ser la clave del éxito en el tratamiento del cáncer. En base a esto, esta disertación describe la síntesis y caracterización de nuevos materiales híbridos basados en fotosensibilizadores immobilizados en nanopartículas de sílice para la liberación controlada de oxígeno singlete (1O2) en PDT para tratamiento de cáncer. El trabajo se divide en tres capítulos en los que se presentan nuevas nanoformulaciones como PS de tercera generación para PDT. En la primera parte, derivados S-glicósidos de porfirinas (Pors) fueron preparados y encapsulados en SNPs mediante el método de Stöber. En la siguiente parte, estas Pors fueron fijadas a la superficie de nanopartículas mesoporosas de sílice (MSNPs). Finalmente, ftalocianinas (Pc) funcionalizadas con grupos fosfonato fueron encapsuladas o fijadas covalentemente a NPs mediante ligeras modificaciones del método de microemulsión inversa. Estos nuevos nanomateriales tienen una distribución de tamaños uniforme y son regulares en tamaño y forma. Además, todos ellos son capaces de producir 1O2 después de la irradiación con luz. Tras su completa caracterización, se realizaron estudios in vitro con dos líneas de células epiteliales de cáncer de vejiga humana, HT-1376 y UM-UC-3. Los resultados mostraron que estos nuevos sistemas basados en nanopartículas podrían ser utilizados con éxito como nuevos PSs en PDT de cáncer de vejiga, que es el cuarto cáncer más comúnmente diagnosticado con alta tasa de recurrencia.