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Hybrid nanoparticles remotely activated by magnetic heating for targeted enzyme therapy

Torres Herrero, Beatriz
Betancor Dutrenit, Lorena (dir.) ; Grazú Bonavia, María Valeria (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2024

Resumen: La terapia enzimática de profármaco (EPT) introduce enzimas en el cuerpo para convertir moléculas inertes en fármacos. Originalmente diseñada para mejorar la eficacia de la quimioterapia antitumoral y al mismo tiempo minimizar la toxicidad, la EPT tiene como objetivo lograr la producción de fármacos en un sitio específico con un efecto amplificador. A pesar de su potencial y de los ensayos clínicos en curso con varias formulaciones, la EPT se enfrenta a desafíos debido a la inestabilidad de las enzimas y a los problemas generados por los mecanismos de defensa biológicos. Para abordar estos problemas, se han desarrollado sistemas que combinan enzimas y nanopartículas, mejorando la estabilidad de las enzimas, reduciendo su eliminación y previniendo respuestas inmunogénicas. Sin embargo, aún es difícil prevenir los efectos no deseados en los tejidos sanos causados por la acumulación de estos sistemas fuera del sitio diana. Por ello, nanosistemas que respondan a estímulos externos controlados remotamente pueden ser una solución prometedora para el desarrollo de terapias enzimáticas con profármacos selectivas y precisas. Estas terapias podrían ser de suma importancia para abordar desafíos como el adenocarcinoma ductal pancreático (PDAC). Este tipo de cáncer se detecta con mayor frecuencia en estadíos avanzados, lo que limita las opciones de tratamiento a la quimioterapia sistémica con efecto paliativo. Dada la incapcidad de los regímenes de quimioterapia para curar a los pacientes que padecen esta letal enfermedad, junto con los efectos secundarios derivados de su aplicación, existe una necesidad apremiante y oportuna para el desarrollo de nuevos enfoques terapéuticos para PDAC.
En esta tesis doctoral, se han diseñado nanohíbridos de sílica biomiméticas (nH) para el atrapamiento conjunto de una enzima convertidora de profármaco, la Peroxidasa de Rábano Picante (HRP), y nanopartículas magnéticas (MNP), permitiendo mediante calentamiento magnético el control remoto de su actividad. Para ello, se sintetizó una biblioteca de nHs que atrapaban MNPs con diferentes características con el fin de seleccionar el nH con un tamaño y capacidad de activación óptimos para su uso terapéutico. La caracterización fisicoquímica y bioquímica del nH
demostró que la HRP atrapada se activaba remotamente mediante la aplicación de un campo magnético alterno (AMF), demostrando por primera vez que la nanoactuación era posible con MNPs incluso si la enzima no estaba unida covalentemente a la MNP. Esta capacidad se utilizó para aumentar la conversión de profármaco y su efecto citototóxico in vitro en células de carcinoma de páncreas (MIA PaCa-2) al aplicar AMF. Además, los experimentos in vivo con un modelo de xenoinjerto de MIA PaCa-2
demostraron una mayor reducción del crecimiento del volumen tumoral en los animales tratados con nH en presencia de 3IAA cuando se expusieron a AMF. En conclusión, esta tesis doctoral mejora la comprensión de las aplicaciones de la nanotecnología en la terapia del cáncer. El desarrollo de una estrategia innovadora para DEPT con control espacio temporal para superar los efectos no deseados fuera del sitio diana en el tratamiento del cáncer, proporciona una base sólida para futuras investigaciones en este campo.
Además, los resultados prometedores observados en el contexto de los tumores de PDAC muestran su potencial para aplicaciones clínicas y ofrecen esperanza para mejorar las estrategias terapéuticas en la lucha contra esta enfermedad letal. Este trabajo no sólo contribuye a la base de conocimientos científico sino que también es relevante para el desarrollo de enfoques innovadores y específicos en el tratamiento del cáncer.

Resumen (otro idioma): Enzyme Prodrug Therapy (EPT) introduces enzymes into the body to convert inert molecules into therapeutic drugs. Originally designed to enhance the effectiveness of anti-tumoral chemotherapy while minimizing toxicity, EPT aims to achieve site-specific drug production with an amplifying effect. Despite its potential and ongoing clinical trials with various formulations, EPT faces challenges due to the instability of enzymes and problems generated by biological countermeasures. To address these issues, enzyme-nanoparticle systems have been developed, enhancing enzyme stability, reducing its clearance, and preventing immune responses. Yet, preventing off-target effects on healthy tissues caused by the accumulation of enzyme-nanoparticle systems outside the target area is still in its infancy. This is where stimuli-responsive nanocarriers offer promising avenues for the development of selective and precise remote-controlled EPT. Such therapies could be of paramount importance in addressing challenges like the Pancreatic Ductal Adenocarcinoma (PDAC). This type of cancer is most frequently detected at advanced stages, limiting treatment options to systemic chemotherapy with a palliative effect. Considering that chemotherapy regimens cannot cure patients suffering from this lethal disease and the toxicity and side effects derived from its application, there is an urgent need to address knowledge gaps in the development of new therapeutic approaches and the response of PDAC. In this Ph.D. thesis, biomimetic silica nanohybrids (nHs) for the co-entrapment of a prodrug-converting enzyme, Horseradish Peroxidase (HRP), and magnetic nanoparticles (MNPs) have been designed, allowing remote control of prodrug conversion by magnetic heating. To achieve this, a toolbox of nHs entrapping different MNPs was synthesized to select the nH with the optimal size and activation abilities for its therapeutic use. A thorough physicochemical and biochemical characterization of the nanomaterial prepared proved that the entrapped HRP was remotely activated through the application of an alternating magnetic field (AMF), demonstrating for the first time that nanoactuation was possible with MNPs even if they were not covalently bound to the enzyme. This ability was used to increase its prodrug conversion and cytotoxicity effect in vitro on pancreatic carcinoma cells (MIA PaCa-2) when AMF was applied. Notably, in vivo experiments using a MIA PaCa-2 xenograft model demonstrated higher reductions in the tumor volume growth in those animals treated with nHs in the presence of 3IAA when exposed to AMF. In conclusion, this Ph.D. thesis has significantly advanced the understanding of nanotechnology applications in cancer therapy. The development of an innovative strategy for EPT with spatiotemporal control to overcome unwanted off-target effects in cancer treatment provides a robust foundation for further research in the field. Moreover, the promising results observed in the context of PDAC tumors show the potential for clinical applications and offer hope for improved therapeutic strategies in the fight against this lethal disease. This work not only contributes to the scientific knowledge base but also holds great promise for the development of innovative and targeted approaches in cancer treatment.