New multiresponsive materials platforms for cancer treatment: Smart electroconductive nanoparticles and transdermal devices

Maria Leonor Matos Resina

Informações chave

Autores:

Maria Leonor Matos Resina (Maria Leonor Matos Resina)

Orientadores:

Frederico Castelo Alves Ferreira (Frederico Castelo Alves Ferreira); Carlos Enrique Alemán LLanso; Teresa Esteves (Teresa Sofia Araújo Esteves)

Publicado em

08/07/2024

Resumo

O cancro continua a ser a principal causa de morte em muitos países desenvolvidos. Apesar do progresso significativo no tratamento do cancro muitos desafios persistem, incluindo efeitos secundários graves, danos aos tecidos saudáveis e alta toxicidade sistémica. Os sistemas de biomateriais multi-responsivos emergiram como ferramentas poderosas para aplicações biomédicas, especialmente no tratamento do cancro. Esta investigação visa avançar nas abordagens de novos materiais para a terapia do cancro através do desenvolvimento de novas plataformas de materiais electro-responsivos, incorporando nanopartículas (NPs) inteligentes e dispositivos transdérmicos ou implantáveis. Por exemplo, NPs foram usadas para a libertação controlada de medicamentos desencadeada por estimulação elétrica, enquanto os dispositivos também respondiam a estímulos secundários, como pH ácido ou à presença de biomarcadores tumorais. Esta combinação de estímulos externos e endógenos proporciona maior controlo espáciotemporal sobre a libertação de medicamentos. Vários agentes terapêuticos foram carregados em nanopartículas de poli(3,4-etilenedioxitiofeno) (PEDOT NPs), que forneceram a resposta ao estímulo elétrico. Estas PEDOT NPs foram então incorporadas em vários biomateriais, como hidrogéis sensíveis ao pH e fibras bio-responsivas, criando dispositivos multi-responsivos. Por exemplo, para alcançar um sistema injetável multi-responsivo para a libertação controlada do peptídeo CR(NMe)EKA, foi sintetizado um hidrogel sensível ao pH, formado por ácido fenilborónico enxertado com quitosano, e carregado com PEDOT NPs. Um hidrogel electroquimo-responsivo para libertação de cloranfenicol foi preparado pela enxertia de ácido poli(acrílico) em alginato de sódio e encapsulação de PEDOT NPs. Além disso, foi desenvolvido um sistema de electroestimulação sem fios baseado em PEDOT NPs carregadas com curcumina encapsuladas em fibras coaxiais de poli(glicerol sebacato)/poli(caprolactona) para permitir a libertação controlada de curcumina, promovendo a morte de células cancerígenas humanas de próstata in vitro. No geral, este trabalho lança as bases para o design e desenvolvimento de sistemas de libertação mais inteligentes e eficazes baseados em biomateriais para a terapia anticancerígena. Cancer remains the leading cause of death in many developed countries. Despite significant progress in cancer treatment many challenges persist, such as severe side effects, damage to healthy tissues due to non-specific drug distribution and high systemic toxicity. Multiresponsive biomaterials systems have emerged as powerful tools for biomedical applications, especially in cancer treatment. This research aims to advance materials approaches to cancer therapy through the development of new electro-responsive materials platforms, incorporating smart nanoparticles (NPs) and transdermal or implantable devices. For example, NPs were used for controlled drug delivery triggered by electrical stimulation, while the devices also responded to secondary stimuli such as acidic pH or to the presence of tumor biomarkers. This combination of external and endogenous stimuli provides enhanced spatiotemporal control over drug delivery. Several therapeutic agents were tested, including an anticancer pentapeptide (CR(NMe)EKA), or drugs like curcumin, and chloramphenicol. The therapeutic agents were loaded into poly(3,4-ethylenedioxythiophene) NPs (PEDOT NPs), which provided the electrical stimuli response. These drug-loaded PEDOT NPs were then incorporated into various biomaterials scaffolds, such as pH-responsive hydrogels and bio-responsive fibers, creating multiresponsive devices. For instance, to achieve a multiresponsive injectable carrier for controlled delivery of the anticancer peptide CR(NMe)EKA, a biocompatible and pH-responsive hydrogel, formed by phenylboronic acid grafted with chitosan, was synthesized and loaded with PEDOT NPs. An electro-chemo responsive hydrogel for chloramphenicol release was prepared by grafting polyacrylic acid onto sodium alginate and encapsulating PEDOT NPs in situ. Additionally, a wireless biomaterials-based electrostimulation system was developed to enable controlled and on-demand release of anticancer drugs, promoting in vitro human prostate cancer cell death. This system utilized curcumin-loaded PEDOT NPs encapsulated in coaxial poly(glycerol sebacate)/poly(caprolactone) electrospun fibers. Overall, this work lays the foundation for designing and developing smarter, more effective biomaterial-based delivery systems for anticancer therapy.