More eficient nanosystems for photodynamic therapy

Trabalho de Projeto do Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e TecnologiaA terapia fotodinâmica (PDT) combina dois agentes terapêuticos relativamente inofensivos para o organismo humano, um composto fotossensível (PS) e a luz de um comprimento de onda adequado, com oxigénio molecular presente no meio, provocando assim a destruição seletiva dos tumores através da produção de espécies reativas de oxigénio (ROS) que criam stress e compelem à morte celular. A PDT afirma-se assim como uma alternativa viável e eficiente aos métodos tradicionais mais agressivos de terapias do cancro (quimioterapia e radioterapia). No entanto, e apesar de existirem já medicamentos aprovados para este tipo de terapia, estes ainda apresentam algumas limitações no que diz respeito à estabilidade e à seletividade dos veículos de administração terapêuticos, bem como à profundidade a que é possível desencadear o efeito anti tumoral pretendido. Sendo assim, neste trabalho propõe-se a preparação de um sistema inovador baseado em nanocápsulas de sílica porosa, contendo no seu interior um PS (Protoporfirina IX, Pp IX) dissolvido num líquido que possui a capacidade de absorver, reter e libertar quantidades apreciáveis de oxigénio, mantendo a sua estabilidade química e mecânica e apresentando baixos níveis de toxicidade.Estas nanocápsulas de sílica porosa foram desenvolvidas combinando técnicas de microemulsão e métodos de sol-gel em meio aquoso. Assim, numa primeira fase deste trabalho, foi necessário estudar e escolher qual o sistema de surfatantes mais adequado e qual o líquido disperso apropriado para usar na emulsificação. Esta fase envolveu o estudo preliminar de dois sistemas de surfatantes, tendo-se calculado as suas concentrações micelares críticas (CMC) pelo método do anel de du Noüy. Calcularam-se ainda os diâmetros hidrodinâmicos e as cinéticas de formação e degradação das emulsões obtidas por emulsificação de líquidos dispersos com uma grande capacidade de absorver, reter e libertar oxigénio: um perfluoroalcano (perfluorodecalina, PFD) um líquido iónico (LI) da família dos fosfónios (trihexal(tetradecil)fosfónio bis(trifluorometilsulfonil)amida, [P6,6,6,14][NTf2]). Isto foi feito através do método de dispersão dinâmica de luz (DLS). Paralelamente, efetuaram-se ainda estudos de solubilidade da Pp IX em PFD e em [P6,6,6,14][NTf2], tendo-se concluído que a Pp IX só era solúvel em [P6,6,6,14][NTf2].Optou-se assim, e numa segunda fase de trabalho, por estudar e desenvolver nanocápsulas de sílica porosa contendo o LI, (nc/Si-LI+Pp IX). Para isto, foi necessário estudar as condições experimentais da reação de hidrólise e de condensação da sílica a partir de um percursor de alcoxi-silano (tetraetoxi silano, TEOS), as condições de processamento e lavagem/remoção e recoleção de água das nanocápsulas formadas, e as condições de armazenamento dos materiais, por forma a se obter nanocápsulas com caraterísticas o mais favoráveis possível para o nosso objetivo. Foram obtidas nanocápsulas para dois tempos de reação distintos (29 horas e 168 horas). Após a obtenção das nanocápsulas em quantidade suficiente (através da realização de várias experiências de síntese e processamento), passou-se para a terceira fase deste trabalho, a qual consistiu na caraterização dos nano materiais obtidos. Os diâmetros das nanocápsulas formadas foram avaliados através de DLS, microscopia ótica (OM), microscopia de varrimento eletrónico (SEM) e microscopia de transmissão eletrónica (TEM). A carga à superfície das nanocápsulas foi aferida por medidas de potencial zeta, e os rendimentos das reações foram estimados através de secagem em estufa, liofilização e análise termogravimétrica (TGA). Finalmente, as nanocápsulas foram sujeitas a testes para avaliar as suas capacidades de carregar/libertar oxigénio e de produzir espécies reativas de oxigénio (ROS) quando excitadas com luz visível (λ=532 nm). Estes testes permitiram concluir que as nanocápsulas obtidas apresentavam dimensões numa gama adequada à sua utilização para PDT (100-300 nm) e que a sua superfície era carregada negativamente (< -25 mV). A análise de TGA permitiu calcular eficazmente a quantidade de LI e de sílica presente em cada amostra, sendo ainda possível concluir que os rendimentos estimados foram superiores para as amostras que permaneceram em suspensão aquosa, ao invés de serem secas em estufa ou liofilizadas, o que nos levou também a concluir que as nanocápsulas perdiam estabilidade, integridade e LI durante os vários processos de remoção de água. Os testes de carregamento e libertação de oxigénio permitiram concluir que, tanto as nanocápsulas como as emulsões iniciais de LI eram capazes de consumir e de libertar oxigénio, o que é de elevada importância para a sua utilização na PDT, pois permite aumentar a quantidade de oxigénio presente na zona do tratamento, promovendo e melhorando a eficácia de criação de ROS. Os ensaios preliminares de quantificação da atividade oxidante das nanocápsulas, permitiram concluir que as nc/Si-LI+Pp IX apresentavam atividade oxidante ePhotodynamic therapy (PDT) combines two therapeutic agents, which are relatively harmless to the human organism, a photosensitizer (PS) and light at adequate wavelength, with molecular oxygen, thus inducing selective destruction of tumours through the generation of reactive oxygen species (ROS) that cause cellular stress and death. PDT stands itself as a viable and efficient alternative to the more aggressive traditional cancer therapy methods (such as chemotherapy and radiotherapy). However, and although several approved drugs for this therapy already exist, it still presents some limitations regarding the stability and selectivity of the therapeutic administration vehicles, as well as the deepness at which it is possible to initiate the desired anti tumour effect. Therefore, in this work it is proposed an innovative PDT system based in porous silica nanocapsules, containing a PS (Protoporphyrin IX, Pp IX) dissolved in a liquid which has the ability to absorb, retain and release appreciable quantities of oxygen, while maintaining its stability and low toxicity levels.These porous silica nanocapsules were developed combining microemulsion techniques and aqueous sol gel methods. Thus, and in the first phase of this work, it was necessary to study and choose which surfactant system was more adequate and which dispersed liquid would be appropriate to use in the emulsification. This phase involved the preliminary study of two surfactant systems, and the critical micelar concentrations (CMC) were calculated by the du Noüy ring method. The hydrodynamic diameters and the emulsion formation and degradation kinetics were obtained through the emulsification of two dispersive liquids with the capacity to absorb, retain and release oxygen: a perfluorocanbon (perfluorodecalin, PFD) and an ionic liquid from the phosphonium family (trihexyl(tetradecyl)phosphonium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide, ([P6,6,6,14][NTf2]). These results were obtained by dynamic light scattering (DLS). Symultaneously, the solubilities of Pp IX in PFD and in [P6,6,6,14][NTf2] were also studied, and it was concluded that Pp IX was only soluble in [P6,6,6,14][NTf2]. Therefore, and in the second part of this work it was chosen to develop porous silica nanocapsules containing IL, (nc/Si-IL+Pp IX). For this, it was necessary to study the experimental hydrolysis and condensation conditions for silica synthesis, using tetraethylorthosilicate (TEOS) as the silica percursor, as well as the processing and washing/water removal/recollection/storing conditions of the formed nanocapsules in order to obtain nanocapsules with the best properties for our purposed goal. Nanocapsules were synthetized for two different reaction periods (29 hours and 168 hours). After producing the nanocapsules in sufficient amounts (by performing several synthesis/ processing experiments), the third phase of this work consisted in the characterization of the obtained nano materials. The diameters of formed nanocapsules were evaluated by DLS, optic microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The superficial charge of the nanocapsules was evaluated by the zeta potential measurements, and the reaction yields were estimated by oven drying, freeze-drying and thermogravimetric analysis (TGA). Finally, prepared nanocapsules were subjected to tests in order to evaluate their abilities to absorb, retain and release oxygen and to produce reactive oxygen species (ROS) when excited with visible light (λ=532 nm). These tests allowed to conclude that the prepared nanocapsules presented dimensions that are in an adequate range for PDT (100-300 nm) and that their surface charge was negative (<-25 mV). TGA analysis allowed the calculation of the relative amounts of LI and silica present in each sample. Results indicated that the estimated yields obtained when nanocapsules were stored in aqueous suspension were superior to those obtained for the oven dried and freeze dried ones, which led to the conclusion that nanocapsules were losing stability, integrity and LI during the employed water removal processes. The oxygen sorption and releasing tests led to the conclusion that both the prepared nanocapsules and the initial emulsions were able to consume and to release oxygen, which is of high importance for PDT use because it enables the increase of oxygen concentration located at the treatment area, thus promoting and improving the efficacy of ROS generation. The preliminary quantification of oxidant activity of the nanocapsules allowed to conclude that nc/Si-IL+Pp IX presented oxidant activity and that this effect was promoted when the nanocapsules were previously saturated with O2.With this work it was preliminarily demonstrated that it is possible to encapsulate a hydrophobic LI into porous silica nanocapsules, combining microemultion techniques with adequate surfactant systems with aqueous sol-gel methods. It was also proved that those