Zeolite structures as cancer-targeted drug delivery carriers
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Abstract
Tese de Doutoramento em Ciências (Especialidade em Química)Cancer is one of the major health problems worldwide, counting thousands of new cases
and deaths annually. The current modalities for cancer treatment include surgery,
chemotherapy, radiotherapy and immunotherapy. However, occasionally some of these
modalities cannot be used due to the stage of the tumor or have insufficient effect in tumor
regression, whereby new therapy strategies are needed. The application of nanotechnology in
cancer treatment opened the opportunity to develop new strategies, and drug delivery systems
(DDS) can be found among them. The use of DDS has been reported in several studies as a
promising approach for delivering drugs to the place of action and reduce the drawbacks of
conventional drug administration. To develop these systems, biocompatible and non-toxic
materials are needed, where the selected drug can be loaded. Among the several materials
that could be used for DDS preparation, are zeolites.
The main objective of this work was the development of effective DDS based on zeolites to
be used in breast and colorectal cancer treatment. Thus, several structures and their potential
as carriers were investigated, as well as the mechanisms underlying zeolite internalization,
exploring surface functionalization on zeolite toxicity and uptake by human cells and exploring
the use of zeolites as magnetic resonance imaging agents.
The potential of the use of the anti-inflammatory drug salicylic acid, for breast cancer
treatment, loaded into silica microporous and mesoporous structures, was assessed. It was
observed that mesoporous structures had higher drug loading capacity than microporous
structures. In terms of cytotoxicity, only DDS prepared with mesoporous structures were able
to decrease cell growth. Overall, the results indicated the potential of salicylic acid for cancer
treatment when loaded into mesoporous structures, but not when loaded into microporous
structures. So, in order to study the potential of the microporous structures as host for DDS,
an anticancer drug was used.
Then, three different zeolites (NaY, NaA and ZSM5) and one titanosilicate (ETS-10) were
investigated as carriers for the anticancer drug 5-fluorouracil (5-FU) in order to select the most
promising zeolite structures for further studies. The results showed the biocompatibility of
these microporous structures since they were not toxic to colon or breast cancer cells. In
addition, loading 5-FU in these structures led to potentiation of 5-FU and allowed the selection
of two zeolites, NaY and LTL for the next studies.
To finalize the exploration of the potential of zeolite for DDS preparation, DDS were
prepared, and their in vitro and in vivo efficacy were assessed. Results of the in vitro studies
confirmed the potential of the DDS prepared with NaY and LTL (Zeo L) for breast, colorectal
and melanoma cancers treatment since there was a significant inhibition of cell growth when
cells are treated with the DDS, with potentiation of 5-FU effect compared to the free drug. However, in vivo studies using the chick embryo chorioallantoic membrane as model (CAM)
revealed that DDS induced a reduction in tumor perimeter for breast cancer cells, while no
reduction was detected for colon tumors, under the used concentration of DDS.
Zeolite NaY magnetization revealed its potential as magnetic resonance imaging agent,
opening new opportunities to prepare hybrid systems combining the encapsulating and
delivery properties of the zeolites and the magnetic properties of biocompatible magnetite
nanoparticles.
Considering the scarce studies on the internalization mechanisms of zeolite nanoparticles,
the endocytic mechanisms involved in their internalization by human cells were explored. The
results showed that zeolite internalization is likely mediated by caveolin-dependent
endocytosis and it is also dependent on microtubule polymerization pathways. In these studies,
the uptake of zeolite nanoparticles was assessed in the same cell lines. It was found that
cancer cells internalize higher amounts of zeolite nanoparticles and at a faster rate than normal
cells. The effect of zeolite surface functionalization plays also an important role in the cellular
uptake. Based on the observations from these studies, it was possible to observe that
positively-charged zeolite nanoparticles present higher uptake rates than negatively-charged
zeolite nanoparticles.
This work provides a valuable contribution to the use of zeolites as carriers for DDS
preparation and presents novel evidences about the biological mechanisms enrolled in the
uptake of zeolite nanoparticles by human cells. Thus, the work performed in this thesis is not
an end of a research project, but an important contribution to a better design of DDS based on
zeolitic structures, opening new horizons for the application of these DDS in cancer treatment.O cancro constitui um dos maiores problemas de saúde no mundo, contando anualmente
com milhares de novos casos e mortes. As atuais abordagens de tratamento do cancro
incluem cirurgia, quimioterapia, radioterapia e imunoterapia. Contudo, por vezes algumas não
podem ser utilizadas devido à fase avançada do tumor ou por apresentarem pouco efeito na
regressão do mesmo, pelo que são necessárias novas abordagens terapêuticas. A aplicação
da nanotecnologia no tratamento do cancro, abriu a oportunidade de desenvolver novas
estratégias, contando-se entre estas os sistemas de libertação de fármacos. Vários estudos
têm reportado o uso destes sistemas como uma abordagem promissora para a entrega de
fármacos no local de ação e na redução dos efeitos secundários associados aos sistemas de
administração convencionais. Para o desenvolvimento de sistemas de libertação de fármacos,
são necessários materiais biocompatíveis e não tóxicos onde o fármaco possa ser inserido.
Entre o grande número de materiais que podem ser usados para a preparação destes
sistemas, encontram-se os zeólitos.
O principal objetivo deste trabalho foi desenvolver sistemas de libertação de fármacos
baseados em zeólitos para o tratamento do cancro colorretal e da mama. Assim, foram
exploradas várias estruturas e avaliado o seu potencial como transportadores de fármacos,
bem como os mecanismos subjacentes à internalização das partículas de zeólitos por células
humanas tumorais. Foi também avaliado o efeito da funcionalização da superfície na
toxicidade e internalização das nanopartículas nas células e explorado o uso de zeólitos como
agentes para imagem de ressonância magnética (MRI).
Foi avaliado o potencial do uso do anti-inflamatório ácido salicílico para o tratamento do
cancro da mama quando encapsulado em estruturas de sílica micro- e mesoporosas.
Observou-se que as estruturas mesoporosas apresentavam maior capacidade de
encapsulamento do fármaco do que as estruturas microporosas. Em termos de citotoxicidade,
apenas os sistemas de libertação de fármacos preparados com estruturas mesoporosas foram
capazes de reduzir o crescimento celular. No geral, os resultados indicaram o potencial do
ácido salicílico para o tratamento do cancro quando encapsulado em estruturas mesoporosas,
mas não quando encapsulado em estruturas microporosas. Assim, para estudar o potencial
do uso das estruturas microporosas como material para a preparação de sistemas de
libertação, foi utilizado um fármaco antineoplásico. Neste contexto, três zeólitos diferentes
(NaY, NaA e ZSM5) e um titanosilicato (ETS-10) foram explorados como suportes para o
fármaco antineoplásico 5-fluorouracilo (5-FU), de forma a selecionar as estruturas mais
promissoras para os estudos seguintes. Os resultados demonstraram que estes materiais são
biocompatíveis, uma vez que não se revelaram tóxicos para células do cancro colorretal e
mama. Além disso, o encapsulamento do 5-FU nestas estruturas, levou a uma potenciação do seu efeito. Este estudo permitiu a seleção de duas estruturas zeolíticas, NaY e LTL, para
os estudos subsequentes.
Para finalizar a exploração do potencial dos zeólitos para a preparação de sistemas de
libertação de fármacos, foram preparados sistemas usando os zeólitos NaY e L, e a sua
eficácia in vitro e in vivo foi avaliada. Os resultados dos estudos in vitro confirmaram o
potencial dos sistemas de libertação preparados com os zeólitos NaY e LTL (Zeo L) no
tratamento do cancro da mama, colorretal e melanoma, uma vez que se verificou uma inibição
significativa do crescimento celular quando as células foram tratadas com os sistemas.
Verificou-se ainda uma potenciação do 5-FU quando comparado com o fármaco livre.
Contudo, os estudos in vivo usando o modelo membrana corioalantóide de embrião de galinha
(CAM), mostraram que, na concentração usada, os DDS induziram a redução dos tumores da
linha Hs 578T, mas não dos tumores da linha RKO.
A magnetização do zeólito NaY revelou o seu potencial como agente para MRI, abrindo
novas oportunidades para a preparação de sistemas híbridos que combinem as propriedades
de encapsulação e libertação dos zeólitos e, as propriedades das nanopartículas magnéticas.
Uma vez que há poucos estudos sobre os mecanismos de internalização das
nanopartículas de zeólitos, foram também estudados os mecanismos envolvidos na sua
internalização em células humanas. Os resultados mostraram que a internalização dos
zeólitos é principalmente mediada pela endocitose dependente da caveolina, sendo também
dependente das vias envolvidas na polimerização dos microtúbulos. Nestes estudos,
verificou-se ainda a internalização dos zeólitos em células humanas e observou-se que as
células cancerígenas internalizam maior quantidade de zeólito a uma taxa mais rápida do que
as células normais. Concluiu-se também que o efeito da funcionalização da superfície dos
zeólitos desempenha um papel importante na internalização celular. Os resultados obtidos
mostraram que nanopartículas de zeólitos positivamente carregadas têm maior capacidade
de internalização do que partículas negativamente carregadas.
Em suma, este trabalho fornece uma contribuição importante sobre o uso de zeólitos para
a preparação de sistemas de libertação controlada de fármacos e apresenta novas evidências
sobre os mecanismos biológicos envolvidos na internalização dos zeólitos em células
humanas. Assim, o trabalho desenvolvido nesta tese poderá contribuir para o
desenvolvimento de melhores sistemas de libertação de fármacos baseados em estruturas
zeolíticas, abrindo novos horizontes para a sua aplicação no tratamento do cancro.The research work here presented was financially supported by an individual fellowship (SFRH/BD/97797/2013) and by the strategic fundings of Centre of Chemistry (UID/QUI/00686/2013 and UID/QUI/0686/2016) and ICVS/3B’s (POCI-01-0145-FEDER-007038) from the Fundação para Ciência e Tecnologia (FCT) and European Regional Development Fund (FEDER) funds, through the Competitiveness Factors Operational Programme (COMPETE). The projects: NORTE-01-0145-FEDER-000013 and BioTecNorte (operation NORTE-01-0145-FEDER-000004), from Northern Portugal Regional Operational
Programme (NORTE 2020), under the Portugal 2020 Partnership Agreement, were also sponsoring this work. Part of this work was also partially supported by the NORTE 2020 and the FEDER under the Grant NORTE-45-2015-02, and by European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement Nº 686009