Nanoglycan: glycotools for elucidating molecular and cellular interaction of glycans in vitro

Abstract

Os glicosaminoglicanos (GAGs) regulam processos biológicos vitais através da interação com recetores celulares, nas matrizes extracelular e pericelular. Estes apresentam diferentes bioatividades, tendo um papel fundamental em condições fisiológicas e patológicas. A diversidade de GAGs em estrutura e atividade tem motivado o desenvolvimento de plataformas destinadas ao estudo fundamental de mecanismos moleculares ativados por GAGs e de dispositivos que modulam o comportamento celular. Esta tese contribui para a ciência dos glicanos e para o estado de arte tecnológico com o desenvolvimento de diferentes glicoferramentas de 1D (Capítulo VI), 2D (Capítulos III, IV e V), e 3D (Capítulo VII) que demonstram a relevância da apresentação de GAGs na bioatividade, interação com recetores e potencial terapêutico. A tese explora a imobilização de GAGs pelo açúcar redutor, mimetizando a apresentação nativa e preservando a funcionalidade e movimento molecular. As glicoferramentas desenvolvidas foram usadas em estudos fundamentais na interação com células cancerígenas (Capítulos III, IV e V) e aplicados ao direcionamento terapêutico em cancro (Capítulos VI e VII). A tese é focada no GAG ácido hialurónico (HA) pelo seu envolvimento na iniciação e progressão do cancro. Os Capítulos III, IV e V são dedicados a estudos fundamentais, enquanto os Capítulos VI e VII são orientados a aplicações. No Capítulo III, mostramos que o HA solúvel e imobilizado interage de forma diferente com os recetores CD44 e RHAMM. Com base nestes resultados, os trabalhos seguintes foram planeados usando HA imobilizado. Nos Capítulos IV e V, desenvolvemos plataformas para testar a densidade do HA com gradientes unidirecionais de HA e gradientes duplos, de HA e grupos amina, mimetizando a apresentação do HA num ambiente complexo similar à matriz extracelular. Estas plataformas foram usadas para estudar o efeito da densidade do HA no comportamento de células do cancro da mama. Nos Capítulos VI e VII, são apresentadas nanoestruturas baseadas em GAGs com interação específica com o CD44. No Capítulo VI, sintetizamos um co-polímero ramificado com HA (polímeros longos de HA foram inseridos num polímero sintético central) com potencial de adjuvante no tratamento de cancro por interação competitiva com o CD44. No Capítulo VII, desenvolvemos veículos sensíveis a estímulos para transporte de fármacos hidrofóbicos e hidrofílicos em cancro. De uma forma geral, os resultados apresentados nesta tese demonstram a utilidade das glicoferramentas para compreender e modular mecanismos biológicos e patológicos.

Glycosaminoglycans (GAGs) regulate vital biological processes by interacting with cell receptors and other biomolecules at the extracellular and pericellular matrix. GAGs can display different bioactivities depending on the environment, and thus, they are key players in health and disease. Their diversity in terms of structure and activity has motivated the development of GAGs-based platforms towards fundamental studies of molecular mechanisms with GAGs involvement and devices that modulate the cell behavior. This thesis contributes to the glycoscience and technology state-of-the-art by developing different 1D (Chapter VI), 2D (Chapters III, IV, and V), and 3D (Chapter VII) glycotools that demonstrate the relevance of GAGs presentation on its bioactivity, receptors’ interaction(s), and therapeutic potential. The thesis explores end-on immobilization of GAGs that mimics their native presentation and preserves their functionality and molecular freedom. The developed glycotools were used in fundamental biological studies on GAGs interactions with cancer cells (Chapter III, IV, and V) and for therapeutic targeting in cancer (Chapter VI and VII). The thesis focuses on the GAG hyaluronan (HA) due to its involvement in tumorigenesis, metastasis, and tumor progression: the altered synthesis and degradation of HA in cancer lead to activation of different pro-tumorigenic signaling pathways. Chapters III, IV, and V are devoted to fundamental studies, while Chapters VI and VII are application-oriented. In Chapter III, we show that soluble and immobilized HA interacts differently with CD44 and RHAMM receptors. Based on these results, we have designed the following works with end-on immobilized HA. In Chapters IV and V, we developed a screening platform for HA content, i.e., a unidirectional HA gradient and a double gradient of HA and amino groups that mimic the presentation of HA in a complex ECM-like environment. We have used these platforms to study the effect of HA density on the behavior of breast cancer cells. In Chapters VI and VII, we present GAG-based nanostructures for targeting CD44, which is commonly overexpressed in cancer cells. In Chapter VI, we synthesize branched HA block co-polymer (long HA polymers grafted on a core synthetic polymer) with the potential to be an adjuvant in cancer treatment by competitive interactions with CD44. In Chapter VII, we develop stimuli-responsive vehicles for hydrophobic and hydrophilic drugs that are efficient for cancer targeting. Altogether, the results presented in this thesis highlight the utility of glycotools to understand and target biological and pathological mechanisms.