Development of Multifunctional Hydrogel for Cancer Therapy

Breast cancer continues to be one of the most frequently diagnosed cancers, having also one of the highest mortality rates among women. This scenario is justified by the limitations associated with the therapies currently used in the clinic (namely chemotherapy and radiotherapy), which present a low efficacy and non-specific toxicity. In this way, the development of innovative therapeutic strategies displaying a higher efficacy and safety is of paramount importance. Among the therapeutics under study, the Chemo-Photothermal Therapy (Chemo-PTT) mediated by nanomaterials has been showing promising results. This therapeutic modality explores the possible synergistic effects occurring between the nanomaterials mediated’ Near Infrared (NIR) light induced heating, as well as its drug delivery capacity. However, less than 1 % of nanoparticles become accumulated within tumor, after systemic administration. To address this limitation, the delivery of nanomaterials directly into the tumor site by injectable tridimensional polymeric matrices has recently started to be explored. In this MSc Dissertation, an injectable in situ forming ionotropically crosslinked chitosan-based hydrogel was developed. Then, Bovine Serum Albumin nanoparticles loaded with IR780 (photothermal agent; IR/BPN) and nanoparticles of D-a-Tocopheryl Polyethylene Glycol 1000 Succinate encapsulating Doxorubicin (chemotherapeutic agent; DOX/TPN) were incorporated within the hydrogel polymeric matrix in order to explore it in cancer Chemo-PTT. The results obtained reveal that the produced hydrogels (IR/BPN@Gel and IR/BPN+DOX/TPN@Gel) present suitable physicochemical properties to be used in cancer therapy. Upon NIR light exposure, the IR/BPN@Gel and IR/BPN+DOX/TPN@Gel produced a temperature increase of 9.2 °C and 9.0 °C, respectively, confirming their photothermal capacity. As importantly, the NIR-light exposure also increased the release of DOX from the hydrogel by 1.7 times. In the in vitro studies, the IR/BPN@Gel presented a cytocompatible behavior towards breast cancer and normal cells. Moreover, the combination of IR/BPN@Gel with NIR light (photothermal therapy) led to a 65 % reduction in the viability of breast cancer cells. On the other hand, the non-irradiated IR/BPN+DOX/TPN@Gel (chemotherapy) only diminished cancer cells viability by 15 %. In stark contrast, the Chemo-PTT mediated by IR/BPN+DOX/TPN@Gel reduced the cancer cells viability by about 91 %. Overall, these results demonstrate that IR/BPN+DOX/TPN@Gel is an injectable in situ forming hydrogel with great potential for the Chemo-PTT of breast cancer.O cancro da mama é uma das doenças com maior mortalidade em todo o mundo, que afeta sobretudo o sexo feminino. Este facto está relacionado com as limitações associadas às terapias aplicadas em meio clínico (quimioterapia e radioterapia), que apresentam uma baixa eficiência, toxicidade inespecífica, e ainda causam efeitos secundários nos pacientes. Deste modo, é essencial o desenvolvimento de estratégias terapêuticas inovadoras que apresentem uma maior eficácia e segurança. Entre as diferentes abordagens terapêuticas atualmente a serem desenvolvidas, a terapia quimio-fototérmica mediada por nanomateriais tem apresentado resultados promissores. Esta modalidade terapêutica explora possíveis efeitos sinérgicos entre a aplicação localizada de hipertermia, mediada por nanomateriais responsivos à luz com um comprimento de onda na região do infravermelho próximo (em inglês: Near Infrared (NIR)) e que mediam a entrega direcionada de fármacos. No entanto, as nanopartículas administradas sistemicamente apresentam uma taxa de acumulação no tumor inferior a 1 %. Com o intuito de incrementar a acumulação dos nanomateriais no tumor, a entrega destes diretamente no local do tumor através de matrizes poliméricas tridimensionais injetáveis tem vindo a ser cada vez mais explorada. Nesta Dissertação de Mestrado, foi desenvolvido um hidrogel de quitosano injetável que gelificava in situ através de reticulação ionotrópica. Para além disso, foram também incorporadas nanopartículas de Albumina de Soro Bovino contendo IR780 (agente fototérmico; IR/BPN) e nanopartículas de Succinato de D-a-Tocoferil Polietilenoglicol 1000 encapsulando Doxorubicina (fármaco quimioterapêutico; DOX/TPN) no hidrogel, de modo a explorar o potencial desta matriz na terapia quimio-fototérmica do cancro. Os resultados obtidos permitiram confirmar que os hidrogéis produzidos (IR/BPN@Gel e IR/BPN+DOX/TPN@Gel) apresentaram boas propriedades físico-químicas para aplicação na terapia do cancro. Quando irradiados com luz NIR, o IR/BPN@Gel e IR/BPN+DOX/TPN@Gel induziram um aumento de temperatura de 9.2 °C e 9.0 °C, respetivamente, confirmando o seu potencial fototérmico. Esta interação com a luz NIR também aumentou em 1.7 vezes a libertação de DOX do hidrogel. Para além disso, nos estudos in vitro foi demonstrada a citocompatibilidade do IR/BPN@Gel. Este sistema não induziu qualquer efeito citotóxico em células normais ou em células cancerígenas. Para além disto, a irradiação do IR/BPN@Gel com a luz NIR (terapia fototérmica) causou uma redução (em 65 %) da viabilidade de células do cancro da mama. O IR/BPN+DOX/TPN@Gel sem ser irradiado (quimioterapia) apenas reduziu a viabilidade celular em 15 %. Por outro lado, a terapia quimio-fototérmica mediada pelo IR/BPN+DOX/TPN@Gel reduziu a viabilidade das células em 91 %. Os resultados obtidos demonstram o potencial deste hidrogel injetável (com formação in situ) para aplicação na terapia quimio-fototérmica de células do cancro da mama