Aplicaciones biomédicas de matrices poliméricas fototérmicas

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Medicina, Departamento de Bioquímica. Fecha de lectura: 21-02-2019Los sistemas de liberación de agentes terapéuticos son tecnologías diseñadas para procurar su administración controlada y dirigida en el órgano o tejido necesitado de terapia. En el presente trabajo se han desarrollado hidrogeles fototérmicos como base de sistemas de liberación controlada de agentes terapéuticos. Para ello, se han combinado matrices poliméricas de diferente naturaleza con nanopartículas metálicas que presentan actividad fototérmica en el infrarrojo cercano (NIR). La inclusión de liposomas termosensibles cargados con un fármaco antitumoral en matrices de fibrina fototérmica resultó en lipogeles capaces de responder a la energía de un láser NIR mediante la liberación del fármaco encapsulado, cuya bioactividad se comprobó tratando cultivos de células de carcinoma cervical humano. Los niveles de fármaco liberado desde el sistema son dependientes del tipo de nanopartícula y su concentración, la potencia láser y el régimen de irradiación utilizado. El sistema de liberación se optimizó añadiendo colesterol a la composición de los liposomas termosensibles, lo que disminuyó las fugas de fármaco a temperatura fisiológica e incrementó la liberación de fármaco tras tratamiento térmico. La tecnología de matrices fototérmicas fue asimismo empleada para la obtención de andamiajes que pueden controlar la expresión transgénica mediante su respuesta a energía NIR, lo que permitiría definir patrones espaciotemporales de biodisponibilidad de productos génicos terapéuticos. Para ello, se incluyeron nanopartículas fototérmicas en matrices poliméricas basadas en fibrina, recombinámeros de elastina (ELR) y criogeles de un copolímero de 2-hidroxietilmetacrilato y ácido acrílico. Estas matrices resultaron ser biocompatibles y, en respuesta a NIR, generaron un incremento local de temperatura suficiente para activar en las células que contienen circuitos génicos inducibles por calor y dependientes de un ligando de bajo peso molecular. La incorporación de células troncales multipotentes en hidrogeles de fibrina que incluyen nanopartículas fototérmicas basadas en sulfuro de cobre (CuSNP) resultó en un incremento de la actividad metabólica, supervivencia y actividad fibrinolítica celular, así como en cambios en el transcriptoma relacionados con la respuesta angiogénica. Las células endoteliales incluidas en estos hidrogeles potenciaron la formación de estructuras pseudocapilares y la remodelación de la matriz de fibrina. La implantación a largo plazo de matrices de fibrina que incluyen CuSNP indujo una respuesta angiogénica que facilita su integración en los tejidos del hospedador mientras que la implantación de matrices de ELR y criogeles fototérmicos resulta en una baja respuesta inflamatoria y una degradación del biomaterial muy limitada.Drug delivery systems are tools designed to administer therapeutic agents in a controlled manner to specific organs or tissues in need of therapy. In this work, we have developed photothermal hydrogels as platforms for controlled delivery of therapeutic agents. To this aim, we have included metallic nanoparticles having photothermal activity at near-infrared (NIR) wavelengths in polymeric matrices. Incorporation of thermosensitive liposomes loaded with an antitumoral drug within photothermal fibrin matrix resulted in NIR-responsive lipogels that released their liposomal cargo after NIR irradiation. Released drug maintained their bioactivity as tested in cultures of human cervical carcinoma cells. Levels of drug released from the constructs were dependent on the type and concentration of NIR nanotransducers loaded in the lipogel, the intensity of deposited electromagnetic energy and the irradiation regime. The developed drug delivery platform was improved by the incorporation of cholesterol in thermosensitive liposomes formulation, which lessened leakiness of the liposomal cargo at physiological temperature and increased drug release after thermal treatment. Photothermal matrices technology was also used to prepare NIR responsive scaffolds that are able to control transgenic expression, allowing to achieve spatiotemporal control over the bioavailability of therapeutic gene products. Photothermal nanoparticles were included within polymeric fibrin matrices, elastin like recombinamers (ELR) and cryogels of hydroxyethyl methacrylate and acrylic acid copolymers. These matrices were biocompatible and transduced efficiently NIR energy into heat to activate transgene expression in cells harboring a gene switch triggered by heat and dependent on a low molecular weight ligand. Multipotent stem cells incorporated within fibrin hydrogels that include photothermal nanoparticles based in copper sulfide (CuSNP) increased metabolic activity, survival rate and fibrinolytic activity and displayed changes in their transcriptome related to angiogenic response. Endothelial cells entrapped within these matrices formed pseudocapillary structures and remodeled protein matrix. Long term implantation of CuSNP fibrin matrices induced an angiogenic response that facilitates its integration into the host tissue while implantation of photothermic ELR matrix and cryogels was characterized by low inflammation response and limited biomaterial degradation.Este trabajo se ha llevado a cabo mediante financiación concedida por los siguientes organismos: Instituto de Salud Carlos III (Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, PI15/01118), Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (SAF2013-50364-EXP), Comunidad Autónoma de Madrid (S2013/MIT-2862), Centro de Investigaciones Biomédicas en Red en Biomateriales, Bioingeniería y Nanomedicina CIBER-BBN y la Fundación para la Investigación Biomédica del Hospital Universitario La Paz (Convocatoria de ayudas financiadas por Roche Farma)