Hybrid nanoparticles as a multifunctional platform for brain tumor therapy

Abstract

Glioblastoma (GBM), an aggressive brain cancer, presents significant challenges in treatment due to its resistance to conventional therapies, high recurrence rates, and complex tumor heterogeneity. In recent years, nanotechnology has emerged as a promising strategy for developing innovative strategies to overcome treatment resistance and enhance drug delivery remains necessary. The main objective of this work was to develop targeted hybrid nanoparticles (HNPs), including a combination of chemotherapy and chemodynamic therapy approaches designed to improve the GBM treatment. The novelty of this study is founded on the entrapped inorganic nanoparticles within the organic particles, without significantly changing the properties of either. This study focused on the development of hybrid lipid-iron nanoparticles, where celecoxib-loaded lipid nanoparticles were employed as a chemotherapeutic strategy, while iron nanoparticles served as both a mediator for chemodynamic therapy and enabler for magnetic targeting. To increase the selectivity of drug and iron-release at the brain, and achieve enhanced therapeutic efficacy, a peptide (Apolipoprotein E, ApoE) was covalently attached to the outer layer to impart specific targeting properties to the blood-brain-barrier (BBB).Nanostructured lipid carriers (NLCs) are drug delivery systems, in a nanoscale size range, designed to improve the solubility, stability, and targeted delivery of therapeutic agents. Their reduced size improves tissue penetration and potential for passive targeting through the enhanced permeability and retention (EPR) effect.Iron nanoparticles (IONPs,) are metallic nanoparticles that exhibit unique properties due to their small size, such as high surface area-to-volume ratio, strong adsorption capacities and high reactivity, and magnetic properties. IONPs have generated significant interest in the field of nanomedicine, particularly in the context of GBM treatment through chemodynamic therapy (CDT). CDT is a novel therapeutic approach that involves the use of catalytic agents (e.g., IONPs) to trigger the generation of reactive oxygen species (ROS) within cancer cells, leading to oxidative stress and subsequent cell death. Unlike traditional chemotherapy, which relies on directly toxic agents, CDT resources the intrinsic properties of iron to induce a controlled and localized toxic effect. Moreover, IONPs possess inherent magnetic properties that enable external manipulation using magnetic fields and can also be used as contrast agent. This feature can be exploited to guide nanoparticles to the desired location within the brain, enhancing their accumulation at the tumor site. In GBM treatment, this magnetic targeting approach can lead to more precise drug delivery and improved therapeutic outcomes.In this proposed approach, IONPs are optimized through a systematic experimental design to ensure their effective incorporation into the NLCs. This optimization process involves achieving a balance between colloidal stability and magnetic properties, which enables external manipulation using an applied magnetic field. HNPs were developed by entrapping the IONPs within NLCs with high efficiency, and then, were covalently coated with ApoE peptide (designated as HNPsApoE). The latter were used as a targeting strategy for the BBB. The colloidal properties, the in vitro and in vivo behavior of HNPs, were also characterized. HNPs, with a small particle size of 114±2 nm and a narrow distribution, demonstrate efficient encapsulation of CXB and IONPs. Modified nanoparticles demonstrated higher cytotoxicity than unmodified HPNs. Moreover, the catalytic properties of HNPs trigger the conversion of endogenous hydrogen peroxide into highly reactive hydroxyl radicals, inducing oxidative stress within U87- MG cells. HNPsApoE showed selectively higher cytotoxicity in U87-MG cells. In turn, the cellular uptake was not significantly different over the time in comparison to non-targeted nanoparticles. The in vivo biodistribution studies, HNPs-CXBApoE revealed its favourable selectivity for the brain (DSI = 2.12). The application of an external magnetic field into mice head exhibited a 1.23-fold increase in drug accumulation in the brain.These findings highlight the multifunctional strategy of HNPs-CXBApoE harnessing the potential of CDT through the ROS production, and the magnetic potential to reach the brain via an external field.

O glioblastoma (GBM), um cancro cerebral agressivo, apresenta desafios significativos no tratamento devido à sua resistência às terapias convencionais, às elevadas taxas de recorrência e à complexa heterogeneidade do tumor. Nos últimos anos, a nanotecnologia tem emergido como uma área promissora para o desenvolvimento de estratégias inovadoras de modo a superar a resistência ao tratamento e melhorar a entrega de fármacos.O principal objetivo deste trabalho foi desenvolver nanopartículas híbridas (HNPs) direcionadas, combinando as abordagens de quimioterapia e de terapia quimiodinâmica, com a premissa de melhorar o tratamento do GBM. O aspeto inovador deste estudo baseia-se na incorporação das partículas inorgânicas nas partículas orgânicas, sem haver alteração significativa das propriedades de ambas. Este estudo centrou-se no desenvolvimento de nanopartículas híbridas de lípido-ferro, em que as nanopartículas lipídicas encapsulam celecoxib (CXB), como estratégia quimioterapêutica, enquanto as nanopartículas de ferro servem como precursor para a terapia quimiodinâmica e, ao mesmo tempo ajudam no direcionamento, devido às suas propriedades magnéticas. Para aumentar a seletividade do fármaco e da libertação de ferro no cérebro e obter uma maior eficácia terapêutica, um péptido (Apolipoproteína E, ApoE) foi ligado covalentemente à camada exterior das HNPs, de modo a adquirir propriedades específicas de direcionamento para a barreira hematoencefálica (BBB).Os transportadores lipídicos nanoestruturados (NLC) são sistemas de administração de fármacos, numa gama de tamanhos nanométricos, concebidos para melhorar a solubilidade, a estabilidade e a administração direcionada de agentes terapêuticos. O seu tamanho reduzido melhora a penetração nos tecidos e o potencial para a seleção passiva através do efeito de permeabilidade e retenção melhoradas (EPR).As nanopartículas de óxido de ferro (IONPs) são nanopartículas metálicas que apresentam propriedades únicas devido à sua pequena dimensão, tais como uma elevada relação área superfície/volume, fortes capacidades de adsorção e elevada reatividade, bem como propriedades magnéticas. As IONP têm suscitado um interesse significativo na área da nanomedicina, em particular no contexto do tratamento de GBM através da terapia quimiodinâmica (CTD). A CDT é uma nova abordagem terapêutica que envolve a utilização de agentes catalíticos (por exemplo, IONPs) para desencadear a geração de espécies reativas de oxigénio (ROS) nas células cancerígenas, levando ao stress oxidativo e à subsequente morte celular. Ao contrário da quimioterapia tradicional, que se baseia em agentes diretamente tóxicos, a CDT utiliza as propriedades intrínsecas do ferro para induzir um efeito tóxico controlado e localizado. Além disso, as IONPs possuem propriedades magnéticas que permitem a manipulação externa utilizando campos magnéticos e podem também ser utilizadas como agentes de contraste. Esta caraterística pode ser explorada para vetorizar as nanopartículas para o local desejado no cérebro, aumentando a sua acumulação no local do tumor. No tratamento do GBM, esta abordagem de orientação magnética pode conduzir a uma administração mais precisa do fármaco e a melhores resultados terapêuticos.Na proposta apresentada, as IONPs são optimizadas através de um planeamento fatorial para garantir a sua incorporação eficaz nas NLCs. Este processo de otimização envolveu a obtenção de um equilíbrio entre a estabilidade coloidal e as propriedades magnéticas que permitem a manipulação externa utilizando um campo magnético aplicado. As HNPs foram desenvolvidas através da incorporação das IONPs nas NLCs com elevada eficiência e foram revestidas covalentemente com péptido da ApoE (designadas como HNPsApoE). Estas últimas foram utilizadas como uma estratégia de direcionamento para a BBB. As propriedades coloidais, o comportamento in vitro e in vivo das HNPs também foram caracterizados. As HNPs, com um pequeno tamanho de partícula de 114±2 nm e uma distribuição estreita, demonstram um encapsulamento eficiente de CXB e de IONPs. Além disso, as propriedades catalíticas das HNPs desencadeiam a conversão do peróxido de hidrogénio endógeno em radicais hidroxilo altamente reativos, induzindo o stress oxidativo nas células U87-MG. As HNPsApoE apresentaram uma citotoxicidade seletivamente mais elevada nas células U87-MG. Por sua vez, a absorção celular não foi significativamente diferente ao longo do tempo quando comparadas com as nanopartículas não direcionadas. Nos estudos de biodistribuição in vivo, as HNPs-CXBApoE revelaram seletividade preferencialmente para o cérebro (DSI = 2,12). A aplicação de um campo magnético externo na cabeça dos murganhos aumentou em 1,23 vezes a acumulação do fármaco no cérebro.Estes resultados realçam a estratégia multifuncional das HNPs-CXBApoE, que aproveita o potencial da CDT através da produção de ROS e o potencial magnético para atingir o cérebro através de um campo magnético externo.