Development of multifunctional fucoidan-coated nanoparticles for combined cancer therapy

Abstract

Magnetic nanoparticles, namely magnetite nanoparticles (NP) have been subject of research and development for application in the biomedical field, especially in magnetic hyperthermia as a therapy for cancer. NPs are often coated with various materials such as silicates and natural or synthetic polymers such as chitosan or polyethylene glycol (PEG), in order to improve biocompatibility but also to enhance their colloidal stability. Fucoidan is a polysaccharide extensively studied for biomedical applications mainly due to its biocompatibility and antitumor properties. In this work, NP of magnetite coated with fucoidan are developed and evaluated for the application in magnetic hyperthermia for cancer treatment, combining magnetic hyperthermia therapy with the antitumor properties of fucoidan. The NP are synthesized by the co-precipitation method at room temperature and, afterwards, subjected to a hydrothermal treatment with different time (1, 2, and 3 h) and temperature (150 or 200 ºC) conditions. The coating of the particles with fucoidan are performed using two methodologies: i) after their synthesis (post-synthesis coating) and ii) simultaneously with the synthesis (in situ coating). Different concentrations of fucoidan are tested in the post-synthesis coatings to evaluate their influence on the physicochemical properties and the thermal efficiency of NP. In the in situ coating syntheses, in addition to evaluating the effect of different concentrations of fucoidan, the influence of the reaction temperature on the functionalization of the NP surface are also studied. NP are characterized in terms of crystallinity and particle size, specific surface area, morphology, colloidal stability and thermal efficiency. In general, NPs synthesized and coated with fucoidan have nearly round shape morphology, and in terms of size NPs with smaller size exhibited a larger surface area. The hydrothermal treatment promoted the increase of NP crystallinity and size as a function of the time and temperature of the hydrothermal treatment. There is also an increase in polydispersity which resulted in a decrease in heating efficiency by hyperthermia. The coating with fucoidan showed to improve the colloidal stability and, consequently, the thermal efficiency due to the reduction of the interactions between the NP. For the synthesis of NP by co-precipitation and post-synthesis coated, better results were obtained in terms of stability, due to the fact that the NPs obtained in situ are smaller and have a greater tendency to agglomerate. The sample giving the best results in the heat release was the one synthesized by co-precipitation at room temperature and coated post-synthesis with a concentration of fucoidan of 2 mg/mL, presenting an Intrinsic Loss Power (ILP) of 2.6 nHm2/kg, which according to literature is considered sufficient in terms of thermal efficiency (2 to 4 nHm2/kg). In addition, this sample had an average size within the recommended range for introduction into the body (less than 20 nm) mainly for its potential application in magnetic hyperthermia. However, NP synthesized and coated simultaneously with 2 mg/mL fucoidan also showed a high thermal efficiency (1.7 nHm2/kg) and its preparation process is simpler. For all of the above described, the results obtained in this work demonstrated that NP of magnetite coated with fucoidan have potential for application in magnetic hyperthermia and may also have, as a consequence of the intrinsic characteristics of fucoidan, antitumoral properties, which allow to potentiate the cancer treatment

As nanopartículas magnéticas, nomeadamente as nanopartículas (NP) de magnetite têm sido alvo de investigação e desenvolvimento para aplicação na área biomédica, em especial na hipertermia magnética como terapia para o cancro. As NP são frequentemente revestidas com diversos materiais, tais como sílicas e polímeros naturais ou sintéticos como a quitosana ou o polietilenoglicol (PEG), visando melhorar a biocompatibilidade mas também potenciar a sua estabilidade coloidal. A fucoidana é um polissacarídeo que tem sido bastante estudado para aplicações biomédicas devido principalmente à sua biocompatibilidade e propriedades antitumorais. Neste trabalho foram desenvolvidas NP de magnetite revestidas com fucoidana e foi avaliado a seu potencial de aplicação em hipertermia magnética, com o intuito de poderem ser usadas na terapia do cancro, combinando a terapia por hipertermia magnética com as propriedades antitumorais da fucoidana. As NP foram sintetizadas pelo método de co-precipitação à temperatura ambiente e, posteriormente, sujeitas a um tratamento hidrotermal com diferentes condições de tempo (1, 2 e 3 h) e temperatura (150 ou 200 ºC). O revestimento das partículas com fucoidana foi feito utilizando duas metodologias: i) após a sua síntese (revestimento pós-síntese) e ii) simultaneamente com a síntese (revestimento in situ). No revestimento pós-síntese testaram-se diferentes concentrações de fucoidana para avaliar a sua influência nas propriedades físico-químicas e na eficiência térmica das NP. Nas sínteses com revestimento in situ para além de avaliar o efeito de diferentes concentrações de fucoidana, estudou-se ainda a influência da temperatura de reação na funcionalização da superfície das NP. As NP foram caracterizadas em termos de cristalinidade e tamanho de partícula, área superficial específica, morfologia, estabilidade coloidal e eficiência térmica. De uma forma geral, as NP sintetizadas e revestidas com fucoidana apresentaram uma morfologia quase esférica, e em termos de tamanho as NP com menor tamanho exibiram uma maior área superficial. O tratamento hidrotermal promoveu o aumento da cristalinidade e do tamanho das NP em função do aumento do tempo e temperatura do tratamento hidrotermal. Ocorreu também um aumento da polidispersividade que se traduziu numa diminuição da eficiência de aquecimento por hipertermia. O revestimento com fucoidana revelou ter influência na dispersão coloidal das NP, sendo que houve uma melhoria na estabilidade coloidal e, consequentemente, na sua eficiência térmica devido à redução das interações entre as NP. Para a sintese de NP por co-precipitação e revestidas pós–síntese, obtiveram-se os melhores resultados em termos de estabilidade, que se deverá ao facto de as NP obtidas in situ serem mais pequenas e possuirem uma maior tendência para se aglomerarem. A amostra que apresentou melhores resultados na libertação de calor foi a sintetizada por co-precipitação à temperatura ambiente e revestida pós-síntese com uma concentração de fucoidana de 2 mg/mL, apresentando um Poder de Libertação Intrínseco (ILP, do inglês Intrinsic Loss Power) de 2.6 nHm2/kg, e que de acordo com a literatura estará na faixa considerada adequada para tratamentos por hipertermia magnética (2 a 4 nHm2/kg). Adicionalmente, esta amostra possui NP com tamanho médio dentro da gama recomendável para a introdução no organismo (inferior a 20 nm) e em especial para a sua potencial aplicação em hipertermia magnética. No entanto, as NP sintetizadas e revestidas simultaneamente com 2 mg/mL de fucoidana apresentaram também uma eficiência térmica elevada (1.7 nHm2/kg ), sendo que o seu processo de preparação é mais simples. Por tudo, o descrito, os resultados obtidos neste trabalho demonstraram que as NP de magnetite revestidas com fucoidana têm potencial para a aplicação em hipertermia magnética podendo ainda ter, dadas as caracteristicas intrinsecas da fucoidana, actividade antitumoral, potenciando o tratamento do cancro