Preparation and characterisation of magnetic dehydropeptide-based hydrogels

Abstract

Self-assembled peptide-based hydrogels have emerged in the last decades as a new class of nanostructured biocompatible soft materials with many applications proposed in biomedicine. Our research group has demonstrated recently that dehydrodipeptides N-capped with naproxen (Npx, a NSAID drug) are non-toxic to cells, show enhanced stability against proteolysis and self-assemble into entangled nanofibre-based elastic hydrogels. These hydrogels revealed suitable nanocarriers for drug delivery applications. We envisage that dehydrodipeptide-based self-assembled hydrogels could be rendered magneto-responsive by incorporation of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs). Magnetic hyperthermia (MH) could conceptually be used as a remote trigger for release of incorporated drug cargos. In this Thesis novel dehydrodipeptides, tyrosinyldehydrophenylalanine N-protected with naproxen (Npx-Tyr-Phe-OH, 1) and the methyl ester of N-naproxenyl aspartyldehydrophenylalanine (Npx-Asp(OH)-Phe-OMe, 2) were synthesised and fully characterised by multinuclear NMR spectroscopy and MS. Methodologies were developed for preparation of hydrogels and for incorporation of SPIONs into the hydrogels. TEM studies showed that the hydrogels are made of entangled nanofibres. CD and FTIR studies suggest that the peptide assumes a β-sheet conformation in the self-assembled nanofibres. Rheological characterization revealed that incorporation of SPIONs (10-30% m/m) into the Npx-Tyr-Phe-OH hydrogel (0.8 wt%) resulted in delayed structural build-up and significant weakening of gel elasticity. Magnetometry experiments revealed that at high SPION loadings (10% m/m) the magnetic hydrogels (0.8 wt%) display a dominant paramagnetic behaviour with a diamagnetic contribution, from the organic hydrogelator matrix, at high magnetic fields. Incorporation of SPIONs (0.01-0.06 % m/m) into hydrogels 1 and 2 (0.4 and 0.8 wt%) resulted in a significant reduction of their transversal relaxivity (r2). The efficacy (SAR) of the SPIO nanoparticles (20-35 % m/m) as heat generators in magnetic hyperthermia is significantly reduced upon incorporation into the hydrogels (0.8 wt%). Overall, the results obtained demonstrate that self-assembled dehydrodipeptide hydrogels loaded with SPIO nanoparticles are promising new materials worth further investigation as contrast agents for MRI and Magnetic Hyperthermia triggered drug delivery.

Nas últimas décadas surgiu uma nova classe de hidrogéis biocompatíveis baseados em pequenos péptidos (di e tripéptidos) com várias aplicações biomédicas. O nosso grupo de investigação desceveu a auto-associação de desidrodipeptídeos N-protegidos com o anti-inflamatório não esteróide naproxeno (Npx, um fármaco AINE). Estudos posteriores demonstraram que estes materiais não são citotóxicos, são estáveis face a enzimas proteolíticas e dão origem a hidrogéis elásticos baseados numa rede tridimensional de nanofibras. Estes hidrogéis mostraram ser excelentes candidatos para a entrega controlada de fármacos. O objetivo principal deste trabalho consiste no desenvolvimento de hidrogeis de desidropéptidos magnetossensíveis através da incorporação de nanopartículas de óxido de ferro superparamagnético (SPIONs). A hipertermia magnética (HM) seria assim usada como estímulo para a liberação controlada de fármacos. Com este objetivo foram sintetizados e caraterizados dois desidrodeptidos novos, a tirosinildesidrofenilalanina N-protegida com naproxeno (Npx-Tyr-ΔPhe-OH, 1) e o éster metílico da N-naproxenilaspartildesidrofenilalanina (Npx-Asp-ΔPhe-OMe, 2). Desenvolveram-se metodologias para a preparação de hidrogéis e para a incorporação de SPIONs nos hidrogéis. Estudos de TEM mostraram que os hidrogéis são constítuidos por uma rede tridimensional de nanofibras. Os resultados de CD e FTIR sugerem que o péptido assume uma conformação de folha β. A caracterização reológica revelou que a incorporação de SPIONs (10-30% m/m) no hidrogel Npx-Tyr-ΔPhe-OH (0.8 wt%) resultou numa diminuição significativa da elasticidade do gel. Ensaios de magnetometria revelaram que com cargas elevadas de SPIONs (10% m/m), os hidrogéis (0.8 wt%), exibem um comportamento paramagnético dominante com uma contribuição diamagnética resultante da matriz de hidrogel orgânico. A incorporação de SPIONs (0.01-0.06% m/m) nos hidrogéis 1 e 2 (0.4 e 0.8 wt%) resultou numa redução significativa da relaxividade transversal (r2). A eficácia (SAR) das SPIONs (20-35% m/m) como geradores de calor na hipertermia magnética é significativamente reduzida após incorporação nos hidrogéis (0.8 wt%). Os resultados obtidos demonstram que os hidrogéis resultantes da ato-associação de desidrodipéptidos carregados com SPIONs constituem materiais promissores que merecem uma investigação mais aprofundada como agentes de contraste para IRM e como sistemas de entrega controlada de fármacos baseados na Hipertermia Magnética.