Bionanomaterials for biological barrier crossing and controlled drug delivery

Sistemas de liberação em nanoescala, capazes de identificar e responder ativamente e com precisão a estímulos externos ou internos ao microambiente celular visando uma cinética de liberação sob demanda, são de grande interesse para a liberação de compostos terapêuticos. No entanto, para o desenvolvimento desses sistemas, é necessária uma profunda compreensão da interação entre nanomaterial e células. No capítulo I desta tese, descrevemos como nanogéis (NGs) de acrilamida no seu estado intumescido e com diferentes densidades de reticulação, (e consequentemente, diferente rigidez) são internalizados por uma monocamada polarizada de células endoteliais microvasculares cerebrais humanas (hCMEC / D3), e como isso se correlaciona com sua capacidade de atravessar a barreira hematoencefálica (BBB). Os NGs mais rígidos mostraram uma maior captação pela camada celular polarizada, enquanto os NGs mais elásticos exibiram maior capacidade em atravessar a BBB sem comprometer a permeabilidade da monocamada, sendo que 8,2, 7,5 e 5,2% dos NGs atingiram o compartimento basolateral após 16 horas de incubação a 37 ° C em atmosfera úmida com 5% de CO2. Também observamos que a taxa de transporte dos NGs é elevada nas duas horas iniciais de interação. Os mesmos NGs descritos no Capítulo I foram empregados em um segundo estudo relatado no Capítulo II, para avaliar a resposta da rigidez em monocultura 2D e na co-cultura direta de células de glioma, C6, e macrófagos, J774, em relação à internalização e à citotoxicidade dos NGs. Os resultados apontam uma internalização favorecida pelos NGs mais rígidos, e um efeito tóxico mais elevado do NG mais elástico. O capítulo III aborda o desenvolvimento e a avaliação in vitro de nanocarreadores (NCs) revestidos por membrana de células de câncer de mama (MCF-7), compostos de poli (D, ácido L-láctico-co-glicólico) (PLGA) e contendo paclitaxel (PTX) como fármaco modelo. O carreamento do fármaco em PLGA-PTX NCs foi de aproximadamente 4 wt% (98 ± 1% da eficiência do encapsulamento) e apresentou redução significativa da viabilidade celular contra células de câncer de mama quando comparado aos NCs não revestidos (interação homotípica) e ainda, exibiu um aumento da associação de NCs revestidos por membrana com outros tipos de células epiteliais. O Capítulo IV descreve o projeto e desenvolvimento de um sistema de liberação sob demanda induzido pela luz, empregando motores moleculares hidrofóbicos (MM) para desestabilizar a bicamada lipídica de lipossomos compostos por lipídios insaturados. Demonstramos que a combinação dos lipossomas com o MM resultou em um sistema de liberação sensível à luz controlável.Nanoscale delivery systems capable of actively identify and respond precisely to external stimuli or internal cues in the cellular microenvironment aiming on demand kinetics release are of great interest to the delivery of therapeutic compounds. However, to be able to create these systems a deep understanding of nanomaterial-cell interaction is necessary. In the Chapter I of this thesis, we describe how swollen acrylamide nanogels (NGs) with different cross-linking densities and, consequently, different stiffnesses are internalized by a polarized monolayer of human cerebral microvascular endothelial cells (hCMEC/D3) and how does it correlate with their ability to cross the blood-brain barrier (BBB) using a filter-free in vitro BBB model. The harder NGs showed a higher uptake by the polarized cell layer while the softer NGs exhibited an enhanced capacity of crossing the BBB without affecting the monolayer permeability with 8.2, 7.5 and 5.2 % of NGs reaching the basolateral compartment after 16 hours incubation at 37 °C in humidified atmosphere with 5% CO2. We also observed that NGs transport rate is elevated in the first 2 hours of interaction. The same NGs described in Chapter I were employed in a second study reported in Chapter II to assess the effect of their varied stiffness in 2D monoculture and direct coculture of C6 glioma cells and J774 macrophages regarding NGs internalization and cytotoxicity. The results showed a preferred internalization of harder NGs but a higher toxic effect from the softer NG, NG1.5. Chapter III addresses the development and in vitro evaluation of MCF-7 breast cancer cell membrane-coated nanocarriers (NCs) composed of poly (D, L-lactic-co-glycolic acid) (PLGA) and containing paclitaxel as a drug model. The PLGA-PTX NCs drug loading is roughly 4 wt% (98 ± 1% of encapsulation efficiency) and presented significant reduction of cell viability against breast cancer cells when compared to the non-coated NCs (homotypic interaction), and also reveals the increased membrane-coated NCs association with other epithelial cell types. To conclude, Chapter IV describes the design and development of a light-induced on demand release system employing hydrophobic molecular motors (MM) to destabilize the lipid bilayer of liposomes composed of unsaturated lipid. We demonstrate that the combination of the liposomes with the MM resulted in a controllable light-sensitive release system