Development of magnetic nanocarriers for enhanced anticancer potential of lactoferrin

Abstract

Nanotechnology has become a fundamental science for the development and manipulation of materials with dimensions at the nanoscale, exhibiting applications in several areas, namely in biomedical sciences. Magnetic nanoparticles have been widely investigated in nanomedicine due to their unique properties, like superparamagnetism, that makes possible the development of new cancer therapies, like magnetic hyperthermia and targeted drug delivery, overcoming many limitations of conventional methods. The large surface-to-volume ratio allows a high loading of functional ligands at the surface, which is of major importance to produce biocompatible and non-toxic nanosystems. To reduce nanoparticles aggregation and increase their circulation lifetime, several strategies have been developed to load magnetic nanoparticles into delivery vectors, such as liposomes. Magnetoliposomes, both aqueous and solid, are nanocarriers of excellence composed by magnetic nanoparticles entrapped in a lipid bilayer, that can guide therapeutic drugs to a specific site of interest by application of an external magnetic field. Lactoferrin is a Fe3+-binding glycoprotein with multifunctional properties, including in iron transport, immune response and with important antimicrobial, antioxidant and anticancer activities. The therapeutic efficacy of lactoferrin on anticancer therapy may be enhanced by the development of new formulations capable of delivery lactoferrin to tumor sites. In this work, aqueous (AMLs) and solid (SMLs) magnetoliposomes loaded or functionalized with lactoferrin, respectively, were developed. Due to their low toxicity, simple preparation and high magnetic susceptibility, manganese ferrite nanoparticles were prepared, and their structural and magnetic properties were evaluated. The encapsulation efficiency and location of lactoferrin in these nanocarriers was assessed by fluorescence-based techniques (FRET, fluorescence anisotropy and fluorescence quenching). Information about size, polydispersity index and surface charge, was obtained by DLS. The biological activity of plain and lactoferrin-loaded magnetoliposomes was tested in yeast, in breast cancer and non-tumorigenic cell lines, revealing lower cytotoxicity in yeast and breast cancer cells. Internalization of magnetoliposomes was observed by fluorescence microscopy in breast cancer and non-tumorigenic cells.

A nanotecnologia tem sido um importante ramo da ciência para o desenvolvimento e manipulação de materiais à nanoescala, tendo aplicações em diversas áreas, nomeadamente nas ciências biomédicas. As nanopartículas magnéticas têm sido alvo de investigação na área da nanomedicina pelas suas propriedades únicas, como o superparamagnetismo, que torna possível o desenvolvimento de novas terapias do cancro, como a hipertermia magnética e o transporte guiado de fármacos específico, superando as limitações dos métodos convencionais. A elevada razão superfície/volume permite um grande número de ligandos funcionais à superfície, sendo de elevada importância para a produção de nanossistemas biocompatíveis e não tóxicos. Para reduzir a agregação das nanopartículas e aumentar o tempo de vida na circulação sanguínea, têm sido investigadas formas de incorporar nanopartículas em nanotransportadores como, por exemplo, os lipossomas. Os magnetolipossomas aquosos e sólidos são nanotransportadores de excelência constituídos por nanopartículas magnéticas dentro de uma bicamada lipídica, com a capacidade de guiar fármacos até um local específico quando aplicado um campo magnético externo. A lactoferrina é uma glicoproteína multifuncional sequestradora de Fe3+, que intervém no transporte do ferro, na resposta imunitária, na atividade antioxidante e possui uma importante capacidade antimicrobiana e anticancerígena. A eficácia terapêutica da lactoferrina dependerá da criação de novas formulações que integrem a lactoferrina e outros agentes quimioterapêuticos permitindo uma terapia dual do cancro. Neste trabalho, foram desenvolvidos magnetolipossomas aquosos (AMLs) e sólidos (SMLs) carregados ou funcionalizados com lactoferrina, respectivamente. Devido à sua baixa toxicidade, fácil preparação e elevada suscetibilidade magnética, foram preparadas nanopartículas de ferrite de manganês, cujas propriedades estruturais e magnéticas foram avaliadas. A eficiência de encapsulamento e a localização da lactoferrina nos nanotransportadores foram avaliadas por técnicas de fluorescência (FRET, anisotropia de fluorescência e inibição de fluorescência). Informação acerca do tamanho, índice de polidispersividade e carga superficial foi obtida por DLS. A atividade biológica dos magnetolipossomas com e sem lactoferrina foi testada em leveduras, em linhas celulares de mama tumorigénicas e não-tumorigénicas, revelando baixa citotoxicidade em leveduras e células do cancro da mama. A internalização foi observada, por microscopia de fluorescência, em células de cancro da mama e em células não tumorais.