Novel polyoxometalate composites for targeted drug delivery and photothermal therapy

Abstract

In the last decades, hydrogels have attracted great interest in biomedical applications, namely as systems for targeted and controlled release of therapeutic molecules. One of the most exciting properties of hydrogels is their tunability to respond to several stimuli, such as pH, temperature, and ion concentration. In therapeutic release, this is a key feature since it enables a release triggered/ controlled by specific stimuli. Among the hydrogels, injectable and self-healing hydrogels gained special attention due to its minimally invasive character and ability to fit the target easily. Photothermal therapy is an emerging treatment methodology known to be highly effective, selective, minimally invasive and able to eliminate several types of cancers. Aiming the synergistic association of both targeted and controlled release and photothermal therapy, this thesis explores the development of a chitosan copolymer (CS-g-PNIPAAm) hydrogel incorporating the polyoxometalate {Mo154} as photothermal conversion agent. The prepared hydrogel showed fast self-healing and injectability, as well as pH and temperature-responsiveness in the release of two distinct cargo molecules: doxorubicin and horseradish peroxidase. In addition, the developed hydrogel demonstrated to have an enhanced photothermal conversion ability when compared to a {Mo154} aqueous solution, causing a temperature increase of around 35 ºC with low irradiance (0.1 or 0.82 W/cm2 with an excitation wavelength of 785 or 808 nm, respectively). Overall, the composite described herein can be used in applications needing a dual combination therapy, i.e., simultaneous drug and photothermal therapy, delivered through an injectable hydrogel where in situ administration is needed.

Nas últimas décadas, os hidrogéis têm atraído um enorme interesse na área biomédica, nomeadamente como sistemas de libertação direcionada e controlada de moléculas terapêuticas. Uma das propriedades mais interessantes dos hidrogéis é o facto de poderem ser preparados de forma a responder a diferentes estímulos tais como o pH, a temperatura e a concentração iónica. Esta é uma característica fundamental na libertação de compostos terapêuticos uma vez que permite o controlo da libertação do fármaco em resposta a estímulos específicos. Entre os diversos tipos de hidrogéis, os hidrogéis injetáveis capazes de se auto-recuperar têm atraído um enorme interesse devido ao seu carater minimamente invasivo e à sua capacidade de se adaptar facilmente ao local alvo. A terapia fototérmica é uma metodologia de tratamento emergente, conhecida por ser altamente efetiva, seletiva, minimamente invasiva, e capaz de eliminar diversos tipos de cancros. Tendo em vista a associação sinergética entre a libertação controlada e direcionada de moléculas terapêuticas e a terapia fototérmica, esta tese explora o desenvolvimento de um hidrogel injetável e capaz de se autoreparar, constituído por um copolímero de quitosano (CS-g-PNIPAAm) e incorporando o polioxometalato {Mo154} como agente de conversão fototérmica. O hidrogel preparado apresentou propriedades como injectabilidade e uma auto-reparação rápida, tendo ainda mostrado ser responsivo ao pH e à temperatura na libertação de dois tipos distintos de moléculas, nomeadamente a doxorrubicina e a peroxidase de rábano silvestre. Para além disto, o hidrogel demonstrou também possuir uma grande capacidade de conversão fototérmica quando comparado com uma solução de {Mo154}, causando um aumento de temperatura de cerca de 35 ºC com uma baixa irradiância (0,1 ou 0,82 W/cm2 com um comprimento de onda de excitação de 785 ou 808 nm, respetivamente). De uma forma geral, o compósito descrito nesta tese apresenta potencialidades para aplicações que exijam uma terapia de combinação dupla, i.e., terapia fototérmica e farmacológica, através de um hidrogel injetável quando é necessária uma administração in situ.