Inorganic-templated and polymeric layer-by-layer nanocapsules for the treatment of cancer

Abstract

Breast cancer is one of the most prevalent diseases worldwide and the most malignant in women. Conventional treatments include a radiotherapy, which kills both healthy and cancerous cells unselectively and chemotherapy, which is more selective but fails against aggressive tumors that present drug resistance. These limitations, together with their side effects and high tumor heterogeneity, are major obstacles to treatment efficacy. Therefore, it is important to develop new classes of carriers that can deliver anticancer agents to the tumor site, while minimizing the impact on healthy cells. This project proposes a drug delivery system that involves several bioactive components to endow targeting capacity against cancer cells and in situ release of anticancer drugs. To this end, we will develop core/shell nanocapsules that are composed by calcium carbonate (CaCO3) nanoparticles with capacity for loading chemotherapeutics, and a layer-by-layer (LbL) coating comprising ligands for receptors that are overexpressed by breast cancer cells. The work plan comprises: (i) synthesis of spherical CaCO3 nanoparticles loaded with a model low molecular weight molecule (i.e., rhodamine), (ii) coating the nanoparticles using the polycationic poly-L-lysine and the polyanionic hyaluronic acid (HA), the latter a known ligand that target CD44 receptors overexpressed in breast cancer cells, (iii) characterization of the loading efficiency and releasing profiles in an acidic buffer that simulates a tumor microenvironment, and (iv) in vitro impact on breast cancer cell lines with different metastatic potential – MDA-MB-231 and SK BR-3. We expect that this project would contribute to the development of a new drug delivery system with an improved therapeutic response. We were able to produce nanoparticles that enabled the deposition of an LbL coating that endowed CD44 targeting. Rhodamine was loaded as a model molecule to demonstrate a pH-dependent release from CaCO3 nanoparticles. The breast cancer cells MDA-MB-231 (aggressive phenotype) and SK-BR-3 (less aggressive) showed a substantial immobilization of coated nanoparticles in the ECM compared with a control of healthy cells (MCF10A cells), consistent with the interaction of the HA in the coating with the CD44 receptors in the pericellular space and reduced metabolic activity. These findings also suggest that different receptors may mediate internalization instead of immobilization in the ECM, as our experiments showed that by blocking CD44 the nanoparticles entered the cells. These results demonstrate that LbL-coated CaCO3 systems would be an excellent family of carriers for the transport of chemotherapeutics and localized delivery targeted at the tumor microenvironment.

O cancro da mama é uma das doenças mais prevalentes em todo o mundo e a mais maligna, nas mulheres. Os tratamentos convencionais incluem a radioterapia, que mata células saudáveis e cancerígenas de forma não seletiva e a quimioterapia, que apesar de ser mais seletiva, falha contra tumores agressivos que apresentam resistência aos medicamentos. Estas limitações, juntamente com os seus efeitos secundários, constituem grandes obstáculos à eficácia do tratamento. Dessa forma, é importante desenvolver novos portadores que possam fornecer agentes anticancerígenos ao local do tumor, minimizando ao mesmo tempo o impacto nas células saudáveis. Este projeto propõe um sistema de entrega de fármacos que envolve vários componentes bioativos com capacidade seletiva contra as células cancerígenas e a libertação in situ de agentes anticancerígenos. Para este fim, desenvolveremos nanocápsulas compostas por carbonato de cálcio (CaCO3) com carregar agentes quimioterapêuticos, e um revestimento camada por camada, compreendendo ligandos para recetores que são sobreexpressos pelas células de cancro da mama. O plano de trabalho inclui: (i) síntese de nanopartículas esféricas de CaCO3 carregadas com uma molécula modelo de baixo peso molecular (rodamina), (ii) revestimento das nanopartículas utilizando poli-lisina e ácido hialurónico cujo alvo são os recetores CD44, (iii) caracterização da eficiência do encapsulamento e perfis de libertação num tampão ácido que simula um microambiente tumoral, e (iv) impacto in vitro nas linhas celulares de cancro da mama com diferentes potenciais metastáticos. Produzimos nanopartículas que permitiram o revestimento camada por camada, que interagiu com o alvo CD44. A rodamina foi encapsulada como uma molécula modelo para demonstrar a libertação dependente do pH das nanopartículas. As células de cancro da mama MDA-MB-231 (fenótipo agressivo) e SK-BR-3 (menos agressivo) mostraram uma imobilização substancial de nanopartículas revestidas, em comparação com o controlo de células saudáveis (MCF10A), consistente com a interação do HA no revestimento com os recetores CD44 no espaço pericelular, e uma atividade metabólica reduzida. Estas descobertas sugerem também que diferentes recetores podem mediar a internalização, uma vez que os nossos ensaios mostraram que, ao bloquear o CD44, as nanopartículas entraram nas células. Estes resultados demonstram que os sistemas CaCO3 revestidos seriam um excelente candidato para o transporte de agentes anticancerígenos e entrega localizada direcionada para o microambiente tumoral.