Nanopartículas de sílica funcionalizadas contendo doxorrubicina : estudo da influência da funcionalização sobre os aspectos celulares no câncer

Abstract

A nanomedicina vem sendo explorada como ferramenta para melhorar o diagnóstico e tratamento do câncer. O presente trabalho descreve a síntese de nanopartículas de sílica (SiNP) Stöber via processo sol-gel e posterior funcionalização através de uma série de organosilanos com diferentes grupos funcionais, com o objetivo de sintetizar nanocarreadores para o fármaco antitumoral doxorrubicina (DOX). A funcionalização da superfície de nanopartículas é uma estratégia empregada para aperfeiçoar a entrega controlada de moléculas e inibir a formação de proteína corona, que são complexos proteicos formados na superfície de nanomateriais expostos a fluídos biológicos. Nesse contexto, o primeiro desafio a ser transposto é a prevenção da formação de proteína corona na superfície de SiNP, a fim de assegurar a eficaz entrega de DOX e a compatibilidade biológica. Dessa forma, após a triagem inicial (testes físico-químicos e biológicos) com a série nanomateriais funcionalizados com organosilanos, os mais promissores como sistemas de entrega controlada de fármacos foram os organosilanos com os grupos funcionais zwitteriônico (ZWT) e polietilenoglicol (PEG). Os nanomateriais apresentaram tamanho médio de 100 nm, monodispersividade, estabilidade coloidal, compatibilidade celular e foram efetivos na inibição da formação de proteína corona, mesmo quando expostos a soluções com elevada concentração proteica. Portanto, a manutenção da identidade original dos nanomateriais sintetizados permitiu a interação com as células de interesse. A avaliação da atividade antitumoral de DOX carreada por SiNP, com superfície modificada, foi realizada nas linhagens celulares MCF-7 (carcinoma mamário humano) e U251-N (glioblastoma humano). A atividade citotóxica dos sistemas SiNP-DOX-PEG e SiNPDOX- ZWT foi superior ao sistema SiNP-DOX, demonstrando que a funcionalização da superfície desses nanomateriais facilitou a liberação de DOX e a captação celular, aumentando a efetividade do tratamento. Os ensaios de nanotoxicidade endereçados para as organelas mitocôndrias, lisossomos e gotas lipídicas demonstraram que a superfície de SiNP desempenha um papel chave na toxicidade celular, uma vez que a funcionalização com os compostos PEG ou ZWT foram eficazes em modular a disfunção causada pelos nanomateriais sem funcionalização. Por fim, os nanomateriais foram utilizados no tratamento de esferoides de glioblastoma onde foi observado uma performance citotóxica superior do grupo SiNP-DOXZWT em comparação à DOX livre. Portanto, o presente trabalho apresenta uma relevante contribuição para o avanço das pesquisas relacionadas à funcionalização de nanopartículas para aplicação biológica, bem como uma alternativa à clássica PEGuilação de nanomateriais.

Nanomedicine has been explored as a tool to improve cancer diagnosis and treatment. The present work describes the synthesis of stöber silica nanoparticles (SiNP) via the sol-gel process and further functionalization through the series of organosilanes with different functional groups, to synthesize nanocarriers for the antitumor drug doxorubicin (DOX). The surface functionalization of nanoparticles is a strategy employed to improve the controlled delivery of molecules and inhibit protein corona formation, which are protein complexes formed on the nanomaterials surface exposed to biological fluids. In this context, the first challenge to be overcome is to prevent nonspecific proteins adsorption on the SiNP surface, to achieve effective DOX delivery and biological compatibility. Thus, after the screening (physicochemical and biological tests) with a series of nanomaterials functionalized with organosilanes, the most promising as controlled drug delivery systems were organosilanes with zwitterionic (ZWT) and polyethylene glycol (PEG) functional groups. The nanomaterials showed an average size of 100 nm, monodispersity, colloidal stability, cell compatibility and were effective in inhibiting the protein corona formation, even when exposed to solutions with high protein concentration. In this way, the maintenance of the synthesized nanomaterials allowed the interaction with the cells of interest. The antitumor activity evaluation of DOX carried by SiNP, with the modified surface, was performed in MCF-7 (human breast cancer) and U251-N (human glioblastoma) cell lines. The cytotoxic activity of SiNP-DOX-PEG and SiNP-DOX-ZWT systems was improved when compared to SiNP-DOX, demonstrating that the surface functionalization was able to increase the DOX release and cellular uptake, improving the treatment effectiveness. Nanotoxicity assays addressed to mitochondrial, lysosomes and lipid droplets organelles, showed that the SiNP surface plays a key role in cell toxicity since the functionalization with PEG or ZWT compounds were effective in modulating dysfunction trigger by nonfunctionalized nanoparticles. Finally, nanomaterials were used in the treatment of glioblastoma spheroids showing an improved cytotoxic performance of the SiNP-DOX-ZWT when compared to free DOX. Therefore, this work presents a relevant contribution to the research advance related to the functionalization of nanoparticles for biological application, as well as an alternative to the classic PEGylation of nanomaterials.