Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/11030

TitleDevelopment of self-assembled dextrin nanogels
Author(s)Gonçalves, Catarina
Advisor(s)Gama, F. M.
Issue date24-Sep-2010
Abstract(s)Polymeric nanogels - also referred to as hydrogel nanoparticles, macromolecular micelles or polymeric nanoparticles - are emerging as promising drug carriers for therapeutic applications. These nanostructures hold versatility and properties suitable for the delivery of bioactive molecules, namely biopharmaceuticals. The polymer and the production methodology used are fundamental options. These systems may be obtained by incorporation of targeting moieties, detectable probes and/or degradable bonds allowing a controlled release in the physiologic environment which lead to smart systems reactive to physiologic stimuli, etc. A particular challenge in this field is the development of preparation procedures avoiding the use of organic solvents or surfactants. Dextrin is a very promising biomaterial, available in medical grade and accepted by the United States Food and Drug Administration for application in humans. It is a polymer composed of -(1-4) D-glucose units. In this work, dextrin was modified with long alkyl chains to produce an amphiphilic molecule. Dextrin-VA-SC16 (dexC16) has a hydrophilic dextrin backbone with grafted acrylate groups (VA), substituted with hydrophobic 1- hexadecanethiol (SC16). A versatile synthetic method was developed allowing control of the dextrin degree of substitution with the hydrophobic chains. Upon dispersion in water, dexC16 self-assembles through association of the hydrophobic alkyl chains, originating nanoparticles. The hydrophobic chains, randomly distributed along the polymer backbone, promote the formation of hydrophobic domains within the nanoparticles. Colloidally stable nanoparticles were obtained. An average diameter of about 20 nm was determined by dynamic light scattering, atomic force microscopy and transmission electron microscopy. The critical micelle concentration, around 0.001 g/dL, was determined using pyrene as a fluorescent probe, and confirmed by dynamic light scattering. The influence of the degree of substitution on nanoparticles size, colloidal stability, density, aggregation number and nanoparticle weight was studied. The more substituted polymer forms more densely packed hydrophobic domains, such that the colloidal stability (in water or phosphate buffered saline solution) of nanoparticles is increased. Size distribution was also evaluated at different pH, urea concentration and ionic strength conditions. The nanoparticles have a slightly higher size when prepared in buffer (irrespective of the pH) or in the presence of a salt or urea (irrespective of the concentration). The uptake of nanoparticles by cells of the mononuclear phagocytic system limits its use as colloidal drug carriers, reducing the blood circulation time and the ability to reach biological targets. The interaction between dextrin nanoparticles and murine bone marrow-derived macrophages was evaluated in vitro by confocal laser scanning microscopy and fluorescence activated cell sorting. Fluorescein-labelled nanoparticles were used to assess the phagocytic uptake and blood clearance after intravenous injection. Cytotoxicity and nitric oxide production were studied, using the 3-(4,5- dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl-tetrazolium bromide (MTT) assay and the Griess method, respectively. The results show that the nanoparticles are not cytotoxic and do not stimulate the production of nitric oxide by macrophages, in the range of concentrations studied. Nanoparticles are phagocytosed by macrophages and are detected inside the cells, concentrated in cellular organelles. The blood clearance study showed that the blood removal of the nanoparticles occurs with a more pronounced rate in the first 3 h after administration, about 30% of the material remaining in systemic circulation at this stage. The tissue distribution, after intravenous injection in Wistar rats, was evaluated using functionalized nanoparticles with a 1,4,7,10- tetraazacyclododecanetetraacetic acid (DOTA) metal chelator and subsequently labelled with the g-emitting 153Sm3+ radioisotope. The blood clearance rate and organ biodistribution of radioactively labelled nanoparticles was analysed, using materials both with and without poly(ethylene glycol) surface coating. The dexC16 nanoparticles display a characteristic biodistribution profile, being mainly taken up by the organs of the mononuclear phagocyte system - liver and spleen. The blood circulation time extends to several hours – as observed using the fluorescein-labelled nanoparticles, although the concentration is halved in about 1 hour. The functionalization of the nanoparticles with PEG 5,000 in this formulation improves their circulation time in the bloodstream and reduces the accumulation in the liver and spleen. In order to explore the ability of dextrin nanoparticles as a drug carrier, curcumin was used as a model hydrophobic drug. Curcumin is a natural polyphenol with anti-oxidative, anti-inflammatory and anti-cancer properties. However, its therapeutical potential is substantially hindered by the rather low water solubility and bioavailability. Dextrin nanoparticles were tested as a curcumin carrier, allowing its dispersion in water, improving stability, and controlling release profile. Incorporation of curcumin into nanoparticles did not compromise its cytotoxicity in HeLa cell line.
Nanogéis poliméricos - também designados hidrogéis nanoparticulados, micelas macromoleculares ou nanopartículas poliméricas - têm-se revelado transportadores promissores de fármacos para aplicações terapêuticas. Estas nano-estruturas possuem versatilidade e propriedades adequadas para a libertação de moléculas bioactivas, nomeadamente biofármacos. A escolha do polímero e da metodologia de obtenção das nanopartículas é fundamental. Estes sistemas podem incorporar sondas para o seu direccionamento ou detecção e/ou ligações lábeis em ambiente fisiológico proporcionando uma degradação controlada constituindo assim sistemas inteligentes reactivos a estímulos fisiológicos. Um dos principais desafios neste campo é o desenvolvimento de procedimentos de preparação que não recorram a solventes orgânicos ou surfactantes. O dextrino é um biomaterial, disponível em grau médico e autorizado pela United States Food and Drug Administration para aplicações em humanos. Trata-se de um polímero composto por unidades de glucose ligadas por ligações -(1-4). Neste trabalho, o dextrino foi modificado com cadeias alquílicas longas obtendo-se assim uma molécula anfifílica. O dextrino-VA-SC16 (dexC16) tem uma cadeia hidrofílica de dextrino com grupos acrilato enxertados (VA), por sua vez substituídos com a molécula hidrofóbica 1- hexadecanetiol (SC16). Foi desenvolvido um método de síntese versátil que permite o controlo do grau de substituição do dextrino com cadeias hidrofóbicas. Ao ser disperso em água, o dexC16 auto-organiza-se através da associação das cadeias alquílicas hidrofóbicas, originando nanopartículas. As cadeias hidrofóbicas, aleatoriamente distribuídas na cadeia polimérica, promovem a formação de domínios hidrofóbicos no interior das nanopartículas. Foram assim obtidas nanopartículas coloidalmente estáveis, com um diâmetro médio aproximado de 20 nm, confirmado por difracção dinâmica da luz e miscroscopia de força atómica e de transmissão de electrões. A concentração micelar crítica, igual a aproximadamente 0.001 g/dL, foi determinada usando pireno como sonda fluorescente e foi confirmada por difracção dinâmica da luz. Foi caracterizada a influência do grau de substituição no tamanho das nanopartículas, na estabilidade colloidal, densidade, número de agregação e peso das nanopartículas. O polímero com maior grau de substituição origina domínios hidrofóbicos mais densos, aumentando a estabilidade coloidal (em água ou solução PBS) das nanopartículas. A distribuição de tamanhos das nanopartículas foi também avaliada em diferentes condições de pH, concentração de ureia e força iónica. As nanopartículas apresentam um ligeiro aumento de tamanho quando preparadas em tampão (independentemente do pH) ou na presença de sal ou ureia (independentemente da concentração). A internalização das nanopartículas pelas células do sistema mononuclear fagocitário limita o seu uso como transportador coloidal de fármacos, uma vez que reduz o tempo de circulação no sangue e a possibilidade de atingirem os alvos biológicos. A interacção entre as nanopartículas de dextrino e macrófagos extraídos da medula óssea de ratinho foi avaliada in vitro por microscopia confocal e por citometria de fluxo. Nanopartículas marcadas com fluoresceína foram usadas para avaliar a internalização por fagocitose e a eliminação do sangue após injecção intravenosa. A citotoxicidade e a produção de óxido nitrico foram estudadas, usando o ensaio de MTT e o método de Griess, respectivamente. Os resultados mostram que as nanopartículas não são citotóxicas e não estimulam a produção de óxido nitrico pelos macrófagos, na gama de concentrações estudada. As nanopartículas são fagocitadas pelos macrófagos e foram detectadas no interior das células, concentradas em organelos celulares. O estudo da eliminação das nanopartículas do sangue mostrou que a sua remoção da corrente sanguinea ocorre de forma mais pronunciada nas 3 horas que seguem a administração, após o que cerca de 30% do material permanece em circulação. A distribuição nos tecidos, após injecção intravenosa em ratos Wistar, foi avaliada usando nanopartículas funcionalizadas com um agente complexante do tipo DOTA e posteriormente marcadas com o radioisótopo g- emissor 153Sm3+. A eliminação do sangue e a biodistribuição das nanopartículas marcadas radioactivamente foi analisada usando materiais cobertos e não-cobertos com polietilenoglicol. As nanopartículas de dexC16 apresentam um perfil de biodistribuição característico sendo principalmente internalizadas pelos órgãos do sistema mononuclear fagocitário – fígado e baço. O tempo de circulação no sangue extende-se até algumas horas, apesar de a concentração ser reduzida para metade em cerca de 1 hora. A funcionalização das nanopartículas com polietilenoglicol 5000 aumenta o tempo de circulação no sangue e reduz a acumulação no fígado e no baço. Com o objectivo de explorar o potencial das nanopartículas de dextrino como transportador de fármacos, a curcumina foi usada como um fármaco hidrofóbico modelo. A curcumina é um polifenol natural com propriedades anti-oxidativas, anti-inflamatórias e anti-cancerígenas. No entanto, o seu potencial terapêutico é comprometido pela reduzida solubilidade em água e biodisponibilidade. As nanopartículas de dextrino foram testadas como transportadores de curcumina permitindo a sua dispersão em água, melhoria da estabilidade e controlo do perfil de libertação. A incorporação da curcumina nas nanopartículas não comprometeu a sua citotoxicidade na linha celular HeLa.
TypeDoctoral thesis
DescriptionTese de doutoramento em Engenharia Biomédica
URIhttp://hdl.handle.net/1822/11030
AccessOpen access
Appears in Collections:CEB - Teses de Doutoramento / PhD Theses
BUM - Teses de Doutoramento

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