Diseño y síntesis de nanogeles híbridos como vehículos de fármacos quimioterápicos para el tratamiento del cáncer

MACCHIONE, MICAELA A.; STRUMIA, MIRIAM

Villa María

Jornada; XIII Jornadas de Investigación UNVM; 2021

Universidad Nacional de Villa María

Empleando la nanomedicina es posible desarrollar terapias para patologías que aún no encontraron un abordaje terapéutico completamente eficiente como es el caso del cáncer. El cáncer es una enfermedad con un elevado impacto poblacional. 1 de cada 3 personas a lo largo de su vida se verá afectada por esta patología que a su vez es la segunda causa de mortalidad en los países desarrollados. Aproximadamente, el 56% de los cánceres son incurables, existiendo tasas de mortalidad a 5 años de hasta el 90-100% en ciertos tipos de tumores. En Argentina, se diagnostican 100.000 nuevos casos de cáncer en ambos sexos por año, según el Instituto Nacional del Cáncer [1]. Es por tanto imprescindible el desarrollo de nuevos métodos de tratamiento eficaces que permitan incrementar de forma significativa la supervivencia de estos pacientes.La quimioterapia tradicional emplea fármacos que por su toxicidad impiden la proliferación de células tumorales malignas. Sin embargo, como las células cancerígenas comparten características con las células sanas, cualquier fármaco que actué sobre ellas también lo hará sobre las demás células del organismo. Así, los tratamientos quimioterápicos desencadenan una serie de efectos secundarios en el paciente. Para evitar estos efectos, es preciso desarrollar formulaciones quimioterápicas que sean capaces de acumularse en los tejidos tumorales y que liberen el fármaco preferentemente allí. Los fármacos libres pueden pasar libremente a través de la vasculatura de cualquier tejido, lo cual explica los anteriormente mencionados efectos secundarios de la quimioterapia. Por el contrario, como los vasos sanguíneos de tejidos cancerosos tienen fenestraciones más grandes que promueven la permeabilidad vascular, las nanopartículas de tamaños adecuados tienden a acumularse en estos tejidos mucho más que en los tejidos normales. De aquí la importancia del presente proyecto que tiene como objetivo general el desarrollo de nanogeles híbridos que puedan actuar como formulaciones farmacéuticas con finalidades terapéuticas para el tratamiento del cáncer, capaces de transportar fármacos hacia los tejidos tumorales y liberarlos en esa región. Estos nanodispositivos deben presentar propiedades óptimas para su posible aplicación en medicina, por lo cual, su diseño requiere de una estricta planificación racional del producto final, teniendo en cuenta la relación entre su estructura y sus propiedades. En tal sentido, un enfoque prometedor es la preparación de nanomateriales multicomponentes en los cuales, los principales actores no son las nanopartículas individuales, sino sus interacciones, que dan lugar a propiedades emergentes derivadas de la combinación sinérgica de las propiedades de los materiales por separado. Estas propiedades resultan especialmente valiosas para aplicaciones biomédicas. Dentro del amplio espectro de materiales, los nanomateriales híbridos inorgánico-orgánico combinados con fármacos antitumorales resultan sistemas especialmente interesantes para su aplicación como agentes terapéuticos. En este trabajo en particular, la porción orgánica estará constituida por un material polimérico con capacidad de responder a diferentes estímulos del ambiente, mientras que la parte inorgánica consistirá en nanopartículas de sílica mesoporosa (MSNs). Las MSNs han sido reconocidas como una de las plataformas biomédicas más prometedoras para terapéutica, diagnóstico y aplicaciones combinadas [2]. Además, han sido aprobadas por la FDA para su uso en diagnóstico por imágenes y ya han entrado en estudios clínicos humanos; por lo cual, se espera que en corto tiempo puedan ser aprobados como fármaco [3]. Sus beneficios resultan de su estructura estable, mesoporosa, con gran área superficial, tamaño de poro optimizable, gran capacidad de carga, fácil funcionalización superficial y muy buena biocompatibilidad [4]. En los sistemas del tipo MSN puros, el cargado de fármacos se logra por adsorción física lo que resulta en la liberación inmediata y total del fármaco después de su administración (portadores “no inteligentes”) causando efectos indeseables en los tejidos sanos [5]. Por eso, en este proyecto, se plantea la modificación de la superficie de MSNs con polímeros “inteligentes” capaces de responder a ciertos estímulos, permitiendo vehiculizar y liberar fármacos preferentemente en ambientes específicos, como pueden ser los tejidos tumorales. Asimismo, el recubrimiento polimérico contribuye a incrementar la estabilidad coloidal de los nanotransportadores para evitar la activación del sistema inmune, reducir la citotoxicidad y prolongar el tiempo de circulación en el torrente sanguíneo [6]. Las MSNs, por su parte, otorgan mayor estabilidad mecánica y mayor capacidad de carga del fármaco comparado con el sistema puramente polimérico.A partir del objetivo general, los objetivos específicos planteados fueron:a)Obtención y caracterización del nanomaterial inorgánico: MSNs. b)Funcionalización de las MSNs para su inclusión covalente en matrices poliméricas. c)Síntesis del material polimérico empleando monómeros que confieran propiedades “inteligentes”. d)Caracterización de los materiales híbridos sintetizados.e)Adaptación de los nanomateriales obtenidos para su uso como nanomedicinas “inteligentes”: inclusión del fármaco y estudios de su liberación en diferentes condiciones.f)Estudios del desempeño de estos materiales en sistemas in vitro: estudios de citotoxicidad, evaluación de la captación intracelular y evaluación del efecto de la liberación del fármaco en cultivos celulares cancerígenos. Se emplearon MSNs sintetizadas por el grupo de investigación del Dr. Botella del Instituto de Tecnología Química (UPV-CSIC) de Valencia, España y, monómeros como dietilenglicol metil éter metacrilato (DEGMA) y oligoetilenglicol metacrilato (OEGMA, n=8/9) que permiten obtener polímeros termosensibles. Como monómeros con grupos ácidos, se utilizó ácido itacónico en cantidades molares 4, 8 y 12% respecto a los monómeros derivados de oligoetilenglicol.En una primera etapa, se funcionalizaron las MSNs con 3-(metacriloxi)propiltrimetoxisilano (MEMO) para obtener grupos vinílicos terminales en la superficie de las nanopartículas. A continuación, teniendo en cuenta que estos grupos son polimerizables, se llevó a cabo una polimerización radicalaria via termoprecipitación, asistida por ultrasonicación [7].Con respecto a los avances del proyecto, fue posible optimizar la síntesis para obtener dispersiones coloidales estables de nanogeles híbridos. La caracterización de la estructura química de los materiales obtenidos fue determinada por espectroscopía infrarroja y resonancia magnética nuclear. Por dispersión dinámica de luz, se comprobó que la distribución de tamaños está comprendida entre 100 y 400 nm, intervalo de tamaños buscado para aplicaciones biomédicas. Además, los nanogeles sintetizados mostraron comportamiento termosensible como consecuencia del material polimérico elegido. En tal sentido, los polímeros termosensibles experimentan una transición de fase en agua a una determinada temperatura, conocida como temperatura de transición de fase. Como consecuencia cambian su estado de agregación porque exhiben un cambio conformacional y experimentan un colapso bajo un estímulo térmico, el cual puede aprovecharse para disparar la liberación de un fármaco de interés. Así, actualmente estamos realizando los experimentos pertinentes (turbidimetría) para determinar las temperaturas de transición de fase de los nanogeles sintetizados. A continuación, se optimizarán las condiciones de síntesis y la relación molar entre MSNs y monómeros para alcanzar temperaturas de transición ligeramente superiores a 37ºC, las cuales son de interés para las aplicaciones biomédicas.La adición de ácido itacónico tiene como objetivo dotar al material polimérico de un comportamiento pH-responsivo, además del termo-responsivo. Así, las pruebas preliminares sobre el comportamiento frente al pH muestran que conforme aumenta el porcentaje de ácido itacónico en la estructura, el material se vuelve más responsivo; lo que significa que el tamaño de los nanogeles se incrementa conforme aumenta el pH. De este modo, podemos decir que los nanogeles híbridos sintetizados poseen comportamiento dual frente al pH y a la temperatura del medio, lo cual permitirá la liberación controlada de fármacos bajo la influencia de ambos estímulos del entorno biológico.En un etapa posterior, se espera lograr el cargado de los fármacos antitumorales o compuestos bioactivos naturales, optimizando las condiciones para lograr la máxima eficiencia de cargado del fármaco (mayor concentración dentro de los nanomateriales), para luego llevar a cabo su liberación controlada. Para que los nanomateriales desempeñen su función terapéutica frente a tejidos tumorales, las cinéticas de liberación deben ser eficientes a pH cercano a 5 (que simula el medio intracelular) y temperatura corporal (37/38ºC) [8]. Finalmente, se analizará el desempeño de estos nanotransportadores in vitro mediante la evaluación de su citotoxicidad en ausencia del fármaco, la captación intracelular y el efecto de la liberación del fármaco cargado.