Development of layer-by-layer polymeric microneedles for cancer local delivery of therapeutics

Cancer is one of the leading causes of morbidity and mortality of the worldwide population. The treatments currently applied in the clinic, such as surgery, chemotherapy, and radiotherapy, present low therapeutic efficacies and induce systemic toxicity. This reality highlights the need to develop new anticancer approaches that can improve not only the therapeutic efficacy but also reduce/avoid the interactions with healthy tissues and consequently the side effects. Furthermore, the researchers have also been exploring the combinatorial therapeutic approaches to overcome the cancer cells resistance mechanisms and maximize the antitumoral effect. Among the various combinatorial therapies, the simultaneous administration of photothermal (PTT) and chemotherapy regimens has shown promising results in preclinical trials. Particularly, researchers have been focused on the utilization of nanomaterials that can mediate a PTT effect in response to near-infrared light (NIR; 700-1100 nm) and that promote a tumor-specific delivery of chemotherapeutic agents. The use of NIR light to mediate the PTT effect is fundamental since the major biological components have minimal absorption in this region of the spectrum. Among the various NIR-responsive nanomaterials, gold-core mesoporous silica shell (AuMSS) nanoparticles are promising candidates for medical applications. These materials can combine on a single platform the properties of a PTT, drug carrier, and bioimaging agent. The gold nucleus, mainly the anisotropic morphologies, due to the surface plasmon resonance phenomenon can be optimized to present a high absorption in the NIR region, which allows the production of a localized PTT effect capable of inducing cancer cell death. On the other side, the mesoporous silica coating provides a large surface area and pore volume that allows the encapsulation of different chemotherapeutic agents. Additionally, the mesoporous silica layer stabilizes and protects the gold core from degradation upon irradiation with energetic radiations (i.e. photodegradation) such as the NIR light. However, despite the promising results presented by these nanomedicines, their translation into the clinic has been quite limited. Such has been attributed to the nanostructures’ reduced accumulation in human tumors (i.e. latest data indicates that less than 0.7% of the administered nanoparticle dose can successfully reach the tumor site), high complexity, and difficulty to synthesize large batches. Thus, in the last years has been observed a paradigm shift and researchers started to re-explore the use of macroscale delivery systems (e.g. microneedles and hydrogels) to promote a controlled and localized delivery of therapeutics to tumor tissue. Particularly, the use of microneedle systems has shown promising results that support their application in anti-tumor therapy. Microneedles-based devices can be manufactured using a variety of materials (metals, polymers, and ceramics) as well as with different morphologies and organizations. These systems can be used to increase the permeation of therapeutic agents in the target tissue or to promote the delivery of such agents when encapsulated in their structure to deeper regions of the tumor tissue in a controlled manner. In general, in cancer therapy applications, the microneedles have been explored to activate anticancer immune responses from the host (antigens, genetic material, and immune adjuvants) or to deliver agents with anticancer activity (drugs and nanoparticles). Thus, the local application of microneedle systems has the potential to increase the distribution and quantity of therapeutic agents that accumulate in the deepest regions of the tumor region while simultaneously reducing their interaction with adjacent healthy tissues. Considering the advantages of the localized delivery of anticancer therapies, the main objective of this thesis’ work plan was the development of a layer-by-layer (LbL) microneedle system to mediate the simultaneous delivery of AuMSS nanorods and chemotherapeutic agents. Such was pursued by (i) exploring a production method of AuMSS nanorods with imaging and therapy properties; ii) optimizing a nano-in-micro system that can incorporate these nanoplatforms and allow to control the release rate in response to variations in pH and temperature; and iii) developing a microneedle system that can improve the therapeutics penetration in the tumor and promote the local and combined administration of AuMSS nanorods PTT agents and chemotherapeutic drugs. In the first study presented in this thesis, the therapeutic capacity of poly-2-ethyl-2-oxazolines (PEOZ) functionalized AuMSS nanorods loaded with doxorubicin (Dox) was evaluated. Gold nanorods were produced using a method called “seed-mediated growth” and then were coated with a mesoporous silica layer using the Stöber's modified method. Thereafter, a PEOZ polymer previously modified with a silane was used to functionalize the AuMSS nanorods’ surface via a condensation process. The PEOZ grafting on the AuMSS nanorods induced the neutralization of nanodevices’ surface charge, from -30 mV to -15 mV. Further, there was also an improvement in the AuMSS nanorods’ biocompatibility, particularly reducing the blood hemolysis to negligible values at a nanoparticle concentration of 200 μg.mL-1. Additionally, the nanorods’ functionalization did not impact their PTT capacity mediating a temperature increase of about 40ºC when irradiated with NIR light for 5 min. On the other side, the in vitro assays performed with cervical cancer cell lines revealed that the combined treatment mediated by the PEOZ coated AuMSS nanorods result in a synergistic effect, allowing the complete eradication of cervical cancer cells. In the second study, a nano-in-micro approach was explored for allowing the intra-tumoral administration of salicylic acid (SA) and Dox-loaded AuMSS nanorods. For this purpose, poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) microparticles containing the nanorods and Dox were produced using a water-in-oil-in-water method. The obtained results showed that the microparticles could act as a drug and nanoparticle delivery agent. Moreover, the PLGA microparticles presented a pH (activated by acidic pH) and NIR light irradiation (heat production) dependent drug release profile. Further, in in vitro studies, the microparticles shown to be biocompatible and internalized by cervical cancer cells. Additionally, assays performed on 3D cell culture models (tumor spheroids) demonstrated that the microparticle-mediated combinatorial therapy caused a reduction of 50% in the spheroids’ size as well as induced the death of more than 60% of the cancer cells present in the spheroids within 48 h of incubation. In the third study presented in this thesis, the therapeutic potential of the combinatory therapy mediated by microneedle device with a layer by layer organization was evaluated. Initially, a polyvinylpyrrolidone (PVP) microneedle (4x4 tips) system was produced using the micromoulding technique. Subsequently, this base layer of the microneedle system was coated using the electrospraying technique, thereby introducing a Dox-containing chitosan (Ch) layer and an AuMSS nanorods-enriched polyvinyl alcohol (PVA) layer. The results showed that the produced microneedles had a bevel-like tip with a width of 425 μm, a height of 1420 μm and a distance between tips of 1740 μm. Additionally, the microneedles were mechanically resistant to withstand the application on the tumor tissue (agarose tumor-mimicking gels) and release their charge sequentially and in response to acidic pH and NIR light irradiation. In in vitro studies, the microneedles-mediated combinatorial therapy was more effective against cervical cancer cells than the individual therapies. In fact, when only the chemotherapy or PTT were administered, a reduction in the cancer cells viability to ≈55 and ≈80%, respectively, was observed, whereas the microneedles combinatorial therapy led to the eradication of the cancer cells (less than 5% of viable cells). In summary, the data obtained from these studies demonstrate the applicability of localized delivery systems in cancer therapy. Apart from the microneedles’ advantages, the therapeutic potential of the AuMSS nanorods (PTT) can be enhanced through the combinatory therapies, including chemotherapy through the co-encapsulation of drugs. Additionally, the LbL organization of the microneedle systems represents a simple approach to the development complex and hierarchically organized structures that can encapsulate various therapeutic agents as well as release them in a controlled and orderly manner to maximize the anticancer effect. In the future, preclinical studies in animal models must be performed to determine the potential of these delivery systems for being applied in cancer therapy.O cancro é uma das maiores causas da morbidade e mortalidade do ser humano em todo o mundo, constituindo o seu tratamento um dos maiores desafios para a medicina contemporânea. Na atualidade, a cirurgia, a quimioterapia e a radioterapia são as abordagens terapêuticas mais utilizadas em meio clínico, no entanto estas apresentam uma baixa eficácia terapêutica e elevada toxicidade sistémica. Esta realidade enfatiza a necessidade de desenvolver novas abordagens terapêuticas, que apresentem não só uma maior eficácia, mas que também consigam prevenir a sua interação com os tecidos saudáveis e, consequentemente, diminuam os efeitos secundários causados pelas mesmas. Nesta área, os investigadores têm explorado a conjugação de diferentes abordagens terapêuticas de forma a ultrapassar os mecanismos de resistência das células cancerígenas e, simultaneamente, maximizar o efeito anti-tumoral. Entre as diversas terapias combinatórias testadas, a conjugação de regimes de terapia fototérmica e quimioterapia tem demonstrado resultados promissores em ensaios pré-clínicos. Em particular, os investigadores têm-se focado na utilização de nanomateriais que permitam mediar o efeito fototérmico em resposta a radiação com um comprimento de onda na região do infravermelho próximo (NIR; 700-1100 nm) e, também em promover a entrega específica de agentes quimioterápicos. A utilização da radiação NIR está relacionada com o facto dos principais componentes biológicos, como a água, a hemoglobina, as proteínas, e a melanina, apresentarem uma absorção mínima ou mesmo desprezível nesta zona do espectro. De entre os diversos nanomateriais responsivos ao estímulo por radiação NIR, as nanopartículas de ouro revestidas com uma camada de sílica mesoporosa (AuMSS) têm-se destacado para aplicações médicas. Estes materiais têm a capacidade de combinar numa única plataforma as propriedades de um agente fototérmico, a entrega de fármacos e a bioimagiologia. O núcleo de ouro, principalmente as morfologias anisotrópicas devido ao fenómeno de ressonância plasmónica de superfície, pode ser otimizado para apresentar uma elevada absorção na região NIR, o que permite a produção de um efeito fototérmico localizado capaz de induzir a morte das células cancerígenas. Por outro lado, o revestimento de sílica mesoporosa adiciona uma camada biocompatível com elevada área de superfície e volume de poro que permite a encapsulação de diferentes agentes quimioterápicos. Adicionalmente, a inclusão da camada de sílica mesoporosa estabiliza e protege o núcleo de ouro impedindo que ocorra a sua degradação, quando sujeito a radiações energéticas como a luz NIR utilizada na terapia fototérmica. Porém, apesar dos resultados promissores apresentados por estas nanopartículas, a sua translação para a clínica tem sido bastante limitada. Tal acontece como consequência da reduzida capacidade que as terapias baseadas em nanopartículas têm apresentado para se acumular no tecido tumoral. De acordo com dados recentes, menos de 0,7% da dose administrada consegue chegar com sucesso ao local alvo. Além disso, as estratégias desenvolvidas para ultrapassar esta limitação são na sua generalidade demasiado complexas e apresentam processos de síntese difíceis de transpor para ambiente industrial. Assim sendo, recentemente, os investigadores começaram a reexplorar a utilização de sistemas de entrega de agentes terapêuticos à macroescala (p.ex. microagulhas e hidrogéis) de forma a promover uma administração controlada e localizada das terapias no tecido tumoral. Em particular, a utilização de sistemas de microagulhas tem mostrado resultados promissores que suportam a sua aplicação na terapia anti-tumoral. Os sistemas baseados em microagulhas podem ser fabricados utilizando diversos materiais (metais, polímeros e cerâmicas) bem como apresentar uma grande variedade de morfologias e organizações. De facto, estes sistemas podem ser utilizados apenas para aumentar a permeação de agentes terapêuticos no tecido alvo, ou para promover a entrega desses mesmos agentes, quando encapsulados na sua estrutura, em regiões mais profundas do tecido tumoral de uma forma controlada. Na terapia anticancerígena, a aplicação das microagulhas tem sido explorada com o intuito de ativar respostas imunológicas anticancerígenas (antigénios, material genético e adjuvantes imunológicos) ou para entregar agentes com atividade anticancerígena (fármacos e nanopartículas). Desta forma, a aplicação local de sistemas de microagulhas tem potencial para aumentar a distribuição e a quantidade de agentes terapêuticos que se acumulam nas regiões mais profundas do tecido tumoral e, simultaneamente, reduzir a interação destes com os tecidos saudáveis adjacentes. Tendo em consideração as vantagens da entrega localizada das terapêuticas anticancerígenas, o principal objetivo do plano de trabalhos desenvolvido nesta tese foi o desenvolvimento de um sistema de microagulhas com uma organização camada sobre camada (Layer-by-Layer, LbL) para mediar a entrega de nanobastões com um núcleo de ouro e revestimento de sílica mesoporosa, bem como o de agentes quimioterapêuticos. Para tal, procurou-se i) explorar um método de produção de AuMSS na forma de bastão que apresente a capacidade de realizar simultaneamente funções de imagiologia e terapia; ii) desenvolver um microssistema que consiga incorporar estas nanoplataformas e permitir o controlo da sua libertação em resposta a variações no pH e temperatura; e iii) produzir um sistema de microagulhas para entrega combinada das nanoplataformas desenvolvidas e fármacos quimioterápicos. No primeiro estudo apresentado nesta tese, foi avaliada a capacidade terapêutica de nanobastões de AuMSS funcionalizados com poli-2-etil-2-oxazolinas e carregados com doxorrubicina. Os nanobastões de ouro foram produzidos utilizando um método denominado de “seed mediated growth” sendo posteriormente revestidos com uma camada de sílica utilizando o método modificado de Stöber. Seguidamente, a superfície desta nanopartícula foi modificada com poli(2-etil-2-oxazolinas) previamente modificadas com um silano, através de um processo de condensação. A funcionalização dos nanobastões permitiu neutralizar a carga de superfície das nanopartículas de -30 mV para -15 mV. Além disso, também se verificou uma melhoria na biocompatibilidade dos nanosistemas, nomeadamente a nível da redução da hemólise para valores negligenciáveis quando utilizadas concentrações de 200 μg.mL-1. Além disso, a funcionalização dos nanobastões não afetou negativamente a sua capacidade fototérmica, podendo induzir um aumento na temperatura de cerca de 40ºC quando irradiados com luz NIR durante 5 min. Adicionalmente, os ensaios in vitro em linhas celulares do cancro do colo do útero revelaram que a combinação do efeito fototérmico e quimioterapêutico mediada pelos nanobastões carregados com doxorrubicina permitiu a erradicação das células tumorais. No segundo estudo apresentado nesta tese, foi explorada uma abordagem de encapsulação de ácido salicílico e nanobastões de AuMSS carregados com doxorrubicina em micropartículas de poli(ácido láctico-co-ácido glicólico) (PLGA) para a quimioterapia combinatória do cancro. Para tal, micropartículas de PLGA contendo os nanobastões e o fármaco foram produzidas utilizando um método de dupla emulsão (water-in-oil-in-water). Os resultados obtidos demonstraram que as micropartículas podiam atuar como agentes de entrega de fármacos e nanopartículas. Além disso, a libertação do seu conteúdo revelou ser dependente do pH (ativada por pH acídico) e da irradiação por luz NIR (produção de calor). Nos estudos in vitro, as micropartículas mostraram ser biocompatíveis e internalizadas pelas células cancerígenas do colo do útero. Adicionalmente, em estudos realizados esferóides (modelos de cultura celular 3D), a terapia combinatória mediada pelas micropartículas provocou uma diminuição do tamanho dos esferóides em 50%, bem como a indução de morte em mais de 60% das células cancerígenas presentes nestes agregados celulares após 48 h de incubação. No terceiro estudo apresentado nesta tese, foi avaliado o potencial terapêutico de uma terapia combinatória administrada por microagulhas com uma organização de camada sobre camada. Inicialmente, um sistema de microagulhas (4x4 pontas) de polivinilpirrolidona foi produzido através da técnica de micromoldagem. Posteriormente, esta camada base do sistema de microagulhas foi revestida utilizando a técnica de electrospray, introduzindo desta forma, uma camada de quitosano contendo doxorrubicina e uma camada de álcool polivinílico contendo nanobastões de AuMSS. Os resultados obtidos mostraram que as microagulhas apresentavam uma ponta biselada com uma largura de 425 μm, altura de 1420 μm e uma distância entre pontas de 1740 μm. Adicionalmente, as microagulhas demonstraram ser mecanicamente resistentes para suportar a aplicação no tecido tumoral e libertarem o seu conteúdo forma sequencial e responsiva a pH acídico e à irradiação com luz NIR. Nos estudos in vitro, a terapia combinatória mediada pelas microagulhas mostrou ser mais eficaz contra as células cancerígenas do colo do útero do que as terapias individuais. De facto, observou-se uma redução na viabilidade das células cancerígenas para ≈55 e ≈80% quando apenas a quimioterapia ou a terapia fototérmica foram utilizadas. Por outro lado, a combinação das duas terapias no sistema de microagulhas levou à erradicação das células cancerígenas (menos de 5% de células viáveis). Em suma, os dados obtidos nestes estudos demonstram a aplicabilidade dos sistemas produzidos para promoverem a entrega localizada de terapêuticas no tecido tumoral. Para além da administração local de terapias utilizando sistemas de microagulhas, o potencial terapêutico das AuMSS (terapia fototérmica) pode ser melhorado através de terapias combinatórias, nomeadamente a quimioterapia através da co-encapsulação de fármacos. Adicionalmente, a organização de camada sobre camada dos sistemas de microagulhas representa uma abordagem simples para a produção de estruturas complexas e hierarquicamente organizadas, que podem encapsular diversos agentes terapêuticos, libertá-los de forma controlada e por ordens específicas de forma a maximizar o efeito anticancerígeno. Neste sentido, o sucesso na administração destas terapias depende de diversos fatores como o espaço temporal em que ocorre a combinação das diferentes terapias, as concentrações administradas e a sequência de libertação. No futuro, estudos pré-clínicos mais aprofundados em modelos animais serão essenciais para determinar o potencial destes sistemas para aplicação no tratamento de diferentes tipos de cancro que afetam o ser humano