Moreno Maldonado, Ana Carolina
Goya Rossetti, Gerardo Fabián (dir.) ; Ibarra García, Manuel Ricardo (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2024
Abstract: Uno de los desafíos más complejos en el tratamiento del cáncer es la capacidad de las células tumorales para desarrollar resistencia a las terapias, lo que significa que, después de un tiempo, los tratamientos pueden dejar de ser eficaces para controlar el crecimiento tumoral. Esta situación es particularmente crítica en pacientes con cáncer de páncreas, donde las células cancerosas son capaces de reparar el daño causado por la quimioterapia en cuestión de días, requiriendo tratamientos más intensivos, aumento de dosis y terapias combinadas, desencadenando un incremento de los efectos adversos. Por este motivo, los tratamientos alternativos cobran gran interés. Los novedosos sistemas de liberación activa basados en estímulos magnéticos remotos y no invasivos son una promesa de avances terapéuticos en nanomedicina. Los magnetoliposomas y los magnetosomas ofrecen algunas ventajas atractivas, por ejemplo, grandes capacidades de carga, mimetización con el entorno, además de contar con formulaciones lipídicas ya aprobadas para las clínicas. Adicionalmente, la administración dirigida permite elevar la solubilidad de los medicamentos utilizados, como también ampliar al uso a medicamentos con farmacocinética no adecuada para uso clínico. Esta tesis doctoral se enfocó en desarrollar un nanomaterial innovador, denominado "magnetosoma sintético", para una terapia dual, localizada y “a demanda”, que combina la quimioterapia e hipertermia magnética.
El objetivo principal fue encontrar un nanosistema integrado capaz de administrar simultáneamente estos tratamientos, buscando posibles efectos sinérgicos. Este proceso abarcó, desde la síntesis de nanopartículas magnéticas con alta potencia de calentamiento, la fabricación
de los magnetosomas sintéticos con respuesta magnética y capacidad de carga de medicamento optimizada, hasta su aplicación en ensayos in vitro.
Los magnetosomas sintéticos se fabricaron por el método de evaporación de fase reversa, compuesta por una fase orgánica y una fase acuosa. La primera, formada por una solución orgánica de lípidos termosensibles, no fusionables, cargados y pegilados. Por su parte, la fase acuosa compuesta de nanopartículas magnéticas hidrofílicas con carga superficial, optimizadas para la absorción de energía ante un campo magnético alterno en medios de alta viscosidad, fue utilizada para la fabricación de los magnetosomas cargados con el citofármaco cisplatino. El estudio mediante imágenes de microscopía electrónica de transmisión mostró que los magnetosomas sintéticos presentan cadenas curvas de nanopartículas magnéticas cubiertas por una bicapa lipídica. En esta disposición, las interacciones magnéticas de nanopartículas
magnéticas proporcionan una respuesta magnética mejorada en relación al calentamiento magnético de las nanopartículas no organizadas. El mapeo de la distribución de la tasa de absorción especifica en presencia de un campo magnético alterno reveló una fuerte dependencia con la frecuencia en ambos sistemas, y un valor de absorción de energía de hasta tres veces mayor para los magnetosomas en comparación con las partículas. Estos valores no se modificaron, en el caso de los magnetosomas, cuando el sistema fue internalizado por la célula, pero se triplico para el caso de las nanopartículas.
Los efectos sinérgicos, en la terapia dual y simultánea del magnetosoma sintético se confirmaron por ensayos in vitro en la línea celular PAN02, indicando que a una menor dosis se obtiene un mayor efecto que los tratamientos de quimioterapia e hipertermia magnética por separado. Así también, el uso de liposomas como recubrimiento de las nanopartículas magnéticas, y como vehiculización del cisplatino incrementó la concentración de los sistemas en el interior celular. Mediante el estudio de los resultados de experimentos in vitro hemos desarrollado una propuesta para unificar la relación dosis-efecto de las diferentes terapias térmicas en una función universal, simplificando en una única ecuación el efecto de los diferentes mecanismos y logrando diferenciar la sensibilidad a los distintos tratamientos en una misma línea celular.
Abstract (other lang.): One of the most complex challenges in cancer treatment is the ability of tumor cells to develop resistance to therapies, which means that, after a while, treatments may no be effective in controlling tumor growth. This situation is particularly critical in pancreatic cancer patients, where cancer cells are able to repair the damage caused by chemotherapy in a matter of days, requiring more intensive treatments, increased doses, and combination therapies, triggering an increase in adverse effects. For this reason, alternative treatments are of great interest. Novel active delivery systems based on remote and non-invasive magnetic stimuli hold the promise of therapeutic advances in nanomedicine. Magnetoliposomes and magnetosomes offer some attractive advantages, e.g., high loading capacities, shielding capabilities, as well as having lipid formulations already approved for clinics. Additionally, targeted delivery allows to increase the solubility of the drugs used, as well as to extend their use to drugs with pharmacokinetics not suitable for clinical use. This doctoral thesis focused on developing an innovative nanomaterial, called "synthetic magnetosome", for a dual, localized and "on-demand" therapy, combining chemotherapy and magnetic hyperthermia. The main objective was to find an integrated nanosystem capable of simultaneously delivering these treatments, looking for possible synergistic effects. This process covered from the synthesis of magnetic nanoparticles with high heating power, the fabrication of synthetic magnetosomes with optimized magnetic response and drug loading capacity, to their application in in vitro assays. Synthetic magnetosomes were fabricated by the reverse phase evaporation method, consisting of an organic phase and an aqueous phase. The first phase consisted of an organic solution of thermosensitive, non-fusible, charged and pegylated lipids. On the other hand, the aqueous phase composed of hydrophilic magnetic nanoparticles with surface charge, optimized for energy absorption in an alternating magnetic field in high viscosity media, was used for the fabrication of magnetosomes loaded with the cytopharmaceutical cisplatin. Transmission electron microscopy imaging study shows that the synthetic magnetosomes present curved chains of magnetic nanoparticles covered by a lipid bilayer. In this arrangement, magnetic interactions of magnetic nanoparticles provide an enhanced magnetic response relative to magnetic heating of random nanoparticles. Mapping of the specific absorption rate distribution in the presence of an alternating magnetic field revealed a strong dependence on frequency in both systems, and an energy absorption value up to three times higher for magnetosomes compared to particles. These values did not change, in the case of magnetosomes, when the system was internalized by the cell, but tripled in the case of nanoparticles. The synergistic effects of the dual and simultaneous therapy of the synthetic magnetosome were confirmed by in vitro assays in the PAN02 cell line, indicating that at a lower dose a greater effect is obtained than the separate chemotherapy and magnetic hyperthermia treatments. Also, the use of liposomes as a coating for the magnetic nanoparticles and as a vehicle for the cisplatin increased the concentration of the systems inside the cell. Studying the in vitro experiments results, we have developed a proposal to unify the dose-effect relationship of different thermal therapies in a universal function, simplifying in a single equation the effect of different mechanisms and distinguishing the sensitivity to diverse treatments in the same cell line.
El objetivo principal fue encontrar un nanosistema integrado capaz de administrar simultáneamente estos tratamientos, buscando posibles efectos sinérgicos. Este proceso abarcó, desde la síntesis de nanopartículas magnéticas con alta potencia de calentamiento, la fabricación
de los magnetosomas sintéticos con respuesta magnética y capacidad de carga de medicamento optimizada, hasta su aplicación en ensayos in vitro.
Los magnetosomas sintéticos se fabricaron por el método de evaporación de fase reversa, compuesta por una fase orgánica y una fase acuosa. La primera, formada por una solución orgánica de lípidos termosensibles, no fusionables, cargados y pegilados. Por su parte, la fase acuosa compuesta de nanopartículas magnéticas hidrofílicas con carga superficial, optimizadas para la absorción de energía ante un campo magnético alterno en medios de alta viscosidad, fue utilizada para la fabricación de los magnetosomas cargados con el citofármaco cisplatino. El estudio mediante imágenes de microscopía electrónica de transmisión mostró que los magnetosomas sintéticos presentan cadenas curvas de nanopartículas magnéticas cubiertas por una bicapa lipídica. En esta disposición, las interacciones magnéticas de nanopartículas
magnéticas proporcionan una respuesta magnética mejorada en relación al calentamiento magnético de las nanopartículas no organizadas. El mapeo de la distribución de la tasa de absorción especifica en presencia de un campo magnético alterno reveló una fuerte dependencia con la frecuencia en ambos sistemas, y un valor de absorción de energía de hasta tres veces mayor para los magnetosomas en comparación con las partículas. Estos valores no se modificaron, en el caso de los magnetosomas, cuando el sistema fue internalizado por la célula, pero se triplico para el caso de las nanopartículas.
Los efectos sinérgicos, en la terapia dual y simultánea del magnetosoma sintético se confirmaron por ensayos in vitro en la línea celular PAN02, indicando que a una menor dosis se obtiene un mayor efecto que los tratamientos de quimioterapia e hipertermia magnética por separado. Así también, el uso de liposomas como recubrimiento de las nanopartículas magnéticas, y como vehiculización del cisplatino incrementó la concentración de los sistemas en el interior celular. Mediante el estudio de los resultados de experimentos in vitro hemos desarrollado una propuesta para unificar la relación dosis-efecto de las diferentes terapias térmicas en una función universal, simplificando en una única ecuación el efecto de los diferentes mecanismos y logrando diferenciar la sensibilidad a los distintos tratamientos en una misma línea celular.
Abstract (other lang.): One of the most complex challenges in cancer treatment is the ability of tumor cells to develop resistance to therapies, which means that, after a while, treatments may no be effective in controlling tumor growth. This situation is particularly critical in pancreatic cancer patients, where cancer cells are able to repair the damage caused by chemotherapy in a matter of days, requiring more intensive treatments, increased doses, and combination therapies, triggering an increase in adverse effects. For this reason, alternative treatments are of great interest. Novel active delivery systems based on remote and non-invasive magnetic stimuli hold the promise of therapeutic advances in nanomedicine. Magnetoliposomes and magnetosomes offer some attractive advantages, e.g., high loading capacities, shielding capabilities, as well as having lipid formulations already approved for clinics. Additionally, targeted delivery allows to increase the solubility of the drugs used, as well as to extend their use to drugs with pharmacokinetics not suitable for clinical use. This doctoral thesis focused on developing an innovative nanomaterial, called "synthetic magnetosome", for a dual, localized and "on-demand" therapy, combining chemotherapy and magnetic hyperthermia. The main objective was to find an integrated nanosystem capable of simultaneously delivering these treatments, looking for possible synergistic effects. This process covered from the synthesis of magnetic nanoparticles with high heating power, the fabrication of synthetic magnetosomes with optimized magnetic response and drug loading capacity, to their application in in vitro assays. Synthetic magnetosomes were fabricated by the reverse phase evaporation method, consisting of an organic phase and an aqueous phase. The first phase consisted of an organic solution of thermosensitive, non-fusible, charged and pegylated lipids. On the other hand, the aqueous phase composed of hydrophilic magnetic nanoparticles with surface charge, optimized for energy absorption in an alternating magnetic field in high viscosity media, was used for the fabrication of magnetosomes loaded with the cytopharmaceutical cisplatin. Transmission electron microscopy imaging study shows that the synthetic magnetosomes present curved chains of magnetic nanoparticles covered by a lipid bilayer. In this arrangement, magnetic interactions of magnetic nanoparticles provide an enhanced magnetic response relative to magnetic heating of random nanoparticles. Mapping of the specific absorption rate distribution in the presence of an alternating magnetic field revealed a strong dependence on frequency in both systems, and an energy absorption value up to three times higher for magnetosomes compared to particles. These values did not change, in the case of magnetosomes, when the system was internalized by the cell, but tripled in the case of nanoparticles. The synergistic effects of the dual and simultaneous therapy of the synthetic magnetosome were confirmed by in vitro assays in the PAN02 cell line, indicating that at a lower dose a greater effect is obtained than the separate chemotherapy and magnetic hyperthermia treatments. Also, the use of liposomes as a coating for the magnetic nanoparticles and as a vehicle for the cisplatin increased the concentration of the systems inside the cell. Studying the in vitro experiments results, we have developed a proposal to unify the dose-effect relationship of different thermal therapies in a universal function, simplifying in a single equation the effect of different mechanisms and distinguishing the sensitivity to diverse treatments in the same cell line.
Pal. clave: física médica ; biofísica ; bioquímica física
Titulación: Programa de Doctorado en Física
Plan(es): Plan 488
Knowledge area: Ciencias
Nota: Presentado: 12 04 2024
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2024
Contribution of the TFG/M to Sustainability: Garantizar una vida saludable y promover el bienestar para todos y todas en todas las edades. Desarrollar infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación.
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Record created 2024-07-02, last modified 2024-07-02
