Multifunctional magnetoliposomes containing magnetic and gold nanoparticles as nanocarriers for lactoferrin

Abstract

Nanotechnology combined with medicine provide new approaches to target drugs and mitigate the side effects of current cancer treatments. Plasmon magnetoliposomes are promising nanosystems for dual hyperthermia (magneto-photothermal) and local chemotherapy. The combination of magnetic and gold nanoparticles in a single nanosystem (multifunctional liposomes) enables greater efficiency, allowing reaching deep tumors and using hyperthermia as a therapeutic approach. In addition, it allows targeted and controlled release of encapsulated drugs. Lactoferrin (Lf) is a milk-derived protein that exhibits a powerful anticancer activity against several types of cancer. Since this molecule is susceptible to degradation in the gastrointestinal tract and since its properties depend on its tertiary structure, which is compromised during digestion, the encapsulation of Lf provides an added value to potentiate its effects. In this work, aqueous magnetoliposomes (AMLs) containing manganese ferrite nanoparticles (MnFe2O4) and Lf in the inner volume and gold nanoparticles functionalized with 11-mercaptoundecanoic acid (MUA) or octadecanethiol (ODT) inserted in the membrane, were synthesized. The AMLs were characterized by Dynamic Light Scattering (DLS) and Electrophoretic Light Scattering (ELS); encapsulation of the nanoparticles in the AMLS was proved, as well as their fusion ability with model membranes. Fluorescence anisotropy measurements were used to study the effect of gold nanoparticles on membrane fluidity. Lf encapsulation efficiency, Lf release profile from magnetoliposomes, as well as photothermal capacity of the gold nanoparticles were also determined. Finally, biological studies were performed using the yeast Saccharomyces cerevisiae, which is considered a model organism to study the anticancer effect of Lf as several chances triggered by Lf in cancer cells are also observed in yeast cells. The cytotoxicity and the mechanism of entry of AMLs, with and without Lf, into yeast cells was assessed by counting of colony forming units and fluorescence microscopy, respectively. The results obtained demonstrate that AMLs are successfully internalized by yeast cells, and their potential application for Lf transport in cancer therapy, since only AMLs with Lf have a cytotoxic effect.

A nanotecnologia, aliada à medicina, apresenta novas abordagens para direcionar os fármacos e mitigar os efeitos secundários dos tratamentos atuais contra o cancro. Os magnetolipossomas plasmónicos são nanossistemas promissores para hipertermia dual (magneto-fototérmica) e quimioterapia local. A combinação de nanopartículas magnéticas e de ouro num nanossistema (lipossomas multifuncionais) possibilita maior eficiência, permitindo atingir tumores profundos e utilizar a hipertermia como abordagem terapêutica. Além disso, permite o direcionamento e libertação controlada de fármacos encapsulados. A lactoferrina (Lf) é uma proteína derivada do leite, com forte atividade anticancerígena contra diversos tipos de cancros. Uma vez que as propriedades da Lf dependem da sua estrutura terciária, a qual é comprometida durante a digestão, o seu encapsulamento constitui uma mais-valia para potencializar o seu efeito quando administrada oralmente. Neste trabalho, sintetizaram-se magnetolipossomas aquosos (AMLs) contendo no seu interior nanopartículas de ferrite de manganês (MnFe2O4) e Lf e ainda nanopartículas de ouro funcionalizadas com ácido 11-mercaptoundecanóico (MUA) ou octadecaneotiol (ODT) localizadas na membrana. As propriedades estruturais, magnéticas e óticas das nanopartículas foram investigadas. Os AMLs foram caracterizados por Difusão Dinâmica de Luz (DLS) e Difusão Eletroforética da Luz (ELS), tendo-se provado o encapsulamento das nanopartículas nos AMLs e a capacidade de fusão com membranas modelo. Medidas de anisotropia de fluorescência permitiram avaliar o efeito das nanopartículas de ouro na fluidez da membrana. Foi ainda avaliada a eficiência de encapsulamento da Lf, o perfil de libertação da Lf dos magnetolipossomas e a capacidade fototérmica das nanopartículas de ouro. Por fim, estudos biológicos foram realizados utilizando células de levedura Saccharomyces cerevisiae, que são considerados organismos modelo, uma vez que diversas alterações desencadeadas pela Lf em células cancerígenas também são observadas em células de levedura. A citotoxicidade dos AMLs, com e sem Lf, bem como o mecanismo de entrada foram avaliados através da contagem de unidades formadoras de colónias e microscopia de fluorescência, respetivamente. Os resultados obtidos comprovam a internalização dos AMLs e demonstram sua potencial aplicação para transporte de Lf na terapia do cancro, uma vez que apenas os AMLs com Lf encapsulada apresentaram efeito tóxico.