Nanoparticles for advanced treatments of arthritic diseases

Abstract

Arthritic diseases affect more than 350 million people worldwide. Their incidence, prevalence and global burden are increasing, mainly due to the aging of the population. The most common forms of arthritis, osteoarthritis (OA) and rheumatoid arthritis (RA), are chronic inflammatory diseases, which are characterized by synovial inflammation and cartilage and bone destruction. Despite the advances in the pharmaceutical field, there is currently no cure for arthritis. Moreover, current treatments are associated with low efficiency and severe side effects. Recently, nanoparticles (NPs) have emerged as a powerful platform to overcome the present treatment limitations. The goal of this PhD work was to develop novel NPs to treat arthritic conditions. Taking into consideration their main drawbacks, we aimed to design NPs able to enhance the therapeutic index of relevant drugs. Therefore, biological agents were immobilized at the surface of biodegradable polymeric NPs and liposomes to protect, extend and enhance their therapeutic efficacy in OA and RA, respectively. While polymeric NPs were biofunctionalized with anti-IL-6 antibodies to selectively capture and neutralize this key pro-inflammatory cytokine, liposomes were biofunctionalized with anti-IL-23 antibodies in order to inhibit the differentiation of naive CD4+ T cells into Th17 cells, by IL-23 neutralization. Furthermore, enzymatic- and redox-responsive polymeric micelles were developed for targeted and controlled drug delivery in arthritis. After accumulation in the inflammatory site, the dexamethasone encapsulated into the polymeric micelles undergo quick release triggered by both redox and glutathione reductase activity. For all NPs formulations, the size distribution, zeta potential and drug immobilization/encapsulation was assessed. Biological tests demonstrated their cytocompatibility in contact with human chondrocytes, macrophages and endothelial cells. Moreover, under inflammatory conditions the NPs were able to demonstrate their enhanced efficacy in comparison with the free drugs. A deeper characterization on the degree of NPs internalization and pathways was performed in a normal and inflammatory scenario by different cells affected by arthritic diseases. The results highlight the importance of considering the targeted cell type when designing functional NPs for specific diseases. Finally, in vivo studies demonstrated the safety and enhanced therapeutic efficacy of the biofunctionalized polymeric NPs immobilizing anti-TNF-α and anti-IL-6 antibodies. In conclusion, as these novel advanced NPs might overcome abovementioned drawbacks, they are promising strategies for radically improving the efficacy of arthritis treatments and severely limiting their side effects.

As doenças artríticas afetam mais de 350 milhões de pessoas em todo o mundo. A sua incidência, prevalência e encargos globais estão a aumentar sobretudo devido ao envelhecimento da população. A osteoartrite (OA) e a artrite reumatoide (AR) são as formas mais comuns destas doenças crónicas inflamatórias, que são caracterizadas pela inflamação sinovial e pela destruição da cartilagem e do osso. Apesar dos avanços na área farmacêutica, atualmente não existe cura para estas doenças. Além disso, os tratamentos disponíveis estão associados a uma baixa eficácia e a efeitos adversos graves. Recentemente, as nanopartículas (NPs) emergiram como uma plataforma poderosa capaz de superar as limitações dos tratamentos atuais. Assim, o objetivo desta tese de doutoramento foi o desenvolvimento de novas NPs para o tratamento da artrite. Considerando as atuais limitações, diferentes NPs foram desenhadas de forma a aumentar o índice terapêutico de fármacos. Agentes biológicos foram imobilizados na superfície das NPs e lipossomas de forma a proteger, prolongar e aumentar as suas eficácias terapêuticas no tratamento da OA e AR, respetivamente. Enquanto as NPs foram biofuncionalizadas com anticorpos anti-IL-6 de forma a capturar e neutralizar seletivamente esta citoquina central, os lipossomas foram biofuncionalizados com anticorpos anti-IL-23 de forma a inibir a diferenciação das células T CD4+ em células Th17. Além disso, micelas sensíveis à enzima glutationa redutase e a um ambiente redutor foram desenvolvidas para promover a libertação local e controlada do fármaco. De facto, depois de as NPs se acumularem na articulação inflamada, a dexametasona encapsulada dentro das micelas será facilmente libertada através daqueles mecanismos. Todas as formulações foram avaliadas em relação à homogeneidade do tamanho, ao potencial zeta e à quantidade dos fármacos imobilizada/encapsulada nas NPs. Os testes biológicos demonstraram a sua citocompatibilidade em contacto com condrócitos, macrófagos e células endoteliais humanas. Além disso, sob condições inflamatórias, as NPs revelaram uma maior eficácia em comparação com o fármaco livre. A percentagem e via de internalização das NPs foram avaliadas em condições normais e inflamatórias em diferentes tipos de células. Os resultados reforçam a importância de se considerar o tipo de célula alvo aquando do desenvolvimento das NPs. Finalmente, estudos in vivo demonstraram a segurança e o aumento da eficácia terapêutica das NPs biofuncionalizadas com anticorpos anti-TNF-α e anti-IL-6. Em conclusão, as novas NPs desenvolvidas são estratégias promissoras que podem mudar radicalmente a eficácia dos tratamentos e limitar significativamente os seus efeitos adversos.