Utilization of Silica Nanoparticles for Transport and Delivery of a Recombinant Protein for Cancer Treatment

Abstract

O cancro rapidamente se tornou uma das maiores preocupações ao nível da saúde no século XXI. Estratégias convencionais de quimioterapia são frequentemente utilizadas para o tratamento do cancro, mas apresentam baixa especificidade para as células tumorais, elevada toxicidade e causam bastantes efeitos secundários indesejados. A investigação clínica tem vindo a procurar soluções para resolver estas problemáticas e avanços recentes nas áreas da nanotecnologia e da biotecnologia estão a fornecer soluções mais específicas, eficazes e menos tóxicas a preços mais razoáveis que poderão revolucionar o tratamento do cancro num futuro próximo. O principal objetivo deste trabalho é o desenvolvimento e caracterização de um novo sistema de entrega de fármacos com potencial aplicação no tratamento do Hepatocarcinoma Celular. Assim, uma nanopartícula mesoporosa de sílica funcionalizada com ácido hialurónico foi desenvolvida e carregada com uma proteína humana recombinante, Interferãoα-2b (IFNα-2b), cuja função é induzir morte celular por vias apoptóticas.Durante o desenvolvimento da formulação da nanopartícula mesoporosa de sílica, duas abordagens para a sua funcionalização com ácido hialurónico foram testadas. Duas modificações de superfície com (3-Glicidiloxipropil)trimetoxissilano (GPTS) e (3-Aminopropil)trietoxissilano (APTES) foram testadas, tendo-se obtido melhores resultados usando-se APTES. Espetros de FTIR correspondentes a nanopartículas mesoporosa de sílica não modificadas, modificadas e funcionalizadas revelaram o perfil de picos característico esperado para cada tipo de nanopartículas e as alterações nas leituras dos respetivos potenciais zeta confirmaram a presença dos distintos grupos químicos na superfície das nanopartículas. Leituras de DLS também permitiram determinar o diâmetro hidrodinâmico médio das nanopartículas mesoporosa de sílica logo após as suas reações de síntese, modificação e funcionalização. A estirpe BL21 Star® foi utilizada para expressar com sucesso o IFNα-2b e a purificação da mesma por cromatografia de afinidade foi também bem-sucedida, permitindo a recolha de frações puras após eluição da coluna de purificação HisTrap HP histidine-tagged protein com PBS suplementado com 500 mM de Imidazol, apresentando um grau de pureza superior a 80%(pureza). Finalmente, aplicando-se o método de imersão, nanopartículas mesoporosas de sílica funcionalizadas foram carregadas com a proteína recombinante produzida, apresentando uma eficiência de carregamento de aproximadamente 72%. Determinou-se que a capacidade de carregamento do nanossistema é de aproximadamente 7,2%.

Cancer has rapidly constituted one of the main health concerns of the 21st-century. Conventional chemotherapy strategies are largely used in cancer treatment, but they present low specificity for tumour cells, high toxicity and cause a lot of undesirable side effects. Clinical research has been looking for solutions to address these questions and the recent advantages in the fields of nanotechnology and biotechnology are providing more specific, effective and less toxic solutions at more reasonable financial costs that might revolutionize cancer treatment in a short period of time. The main purpose of this work is the development and characterization of a new drug delivery system with potential application in Hepatocellular Carcinoma treatment. Thus, a mesoporous silica nanoparticle functionalized with hyaluronic acid was developed and loaded with a soluble recombinant human protein, Interferonα-2b (IFNα-2b), whose function is to induce cellular death through apoptotic pathways.During the development of the mesoporous silica nanoparticles formulation, two approaches for their functionalization with hyaluronic acid were tested. Surface modifications with (3-Glycidyloxypropyl)trimethoxysilane (GPTS) and (3-Aminopropyl)triethoxysilane (APTES) were tested and better results were obtained using APTES. FTIR spectrums of unmodified, modified and functionalized mesoporous silica nanoparticles reveal the characteristic peaks profile expected for each type of nanoparticles and the shifts on the respective zeta potential (ζ-potential) readings confirm the presence of nanoparticles’ distinctive chemical groups at their surface. DLS readings also enable determining the average hydrodynamic diameter of mesoporous silica nanoparticles right after its synthesis, modification and functionalization reactions. BL21 Star® cells expressed IFNα-2b and protein’s purification by IMAC affinity chromatography was also effective, enabling the collection of pure fractions when a HisTrap HP histidine-tagged protein purification column was eluted with PBS supplemented with 500 mM Imidazole with a purity degree superior to 80%. Finally, following the immersion method, functionalized mesoporous silica nanoparticles were loaded with the produced recombinant protein presenting a loading efficiency of approximately 72%. Nanosystem’s loading capacity was found to be of approximately 7.2%.