Silicon-based nanostructures as drug delivery systems for biological and medical applications

Abstract

Recentemente, a nanomedicina tem oferecido vantagens promissoras para os desafios colocados pelas abordagens convencionais utilizadas na terapia e diagnóstico do cancro. Um design cuidadoso pode facilitar o desenvolvimento de nanopartículas versáteis, com múltiplos atributos terapêuticos e/ou diagnósticos numa única estrutura. Entre os nanomateriais disponíveis, as nanopartículas à base de silício apresentam vários benefícios, como evidenciado nas diversas aplicações biomédicas documentadas na literatura. Assim, este projeto teve como objetivo desenvolver nanopartículas à base de silício com especial destaque para o seu potencial no campo da terapia do cancro. Resultados recentes sugerem que bactérias intratumorais podem desempenhar um papel na resistência às drogas anticancerígenas frequentemente utilizadas, contribuindo para a complexidade do tratamento. Por isso, a exploração das propriedades das nanopartículas culminou na criação de diferentes nanossistemas com dupla ação anticancerígena e antibacteriana. Mais especificamente, este trabalho de doutoramento incluiu o uso de materiais baseados em silício como zeólitos, nanopartículas de silício poroso e sílica mesoporosa. O estudo começou com o desenvolvimento de zeólitos com corantes fluorescentes, como potenciais agentes de bioimagem, económicos e estáveis, em células de cancro da mama, que revelaram propriedades luminescentes multicoloridas. Além disso, explorou-se a incorporação de 5-fluorouracilo e prata na estrutura de zeólitos faujasite para aplicações anticancerígenas e antibacterianas. Foram usadas ferramentas de aprendizagem automática para determinar combinações ótimas de sistemas de zeólitos, posteriormente validadas por resultados experimentais, num modelo de cancro de pele. O projeto também envolveu o desenvolvimento de um nanosistema duplo com propriedades antibacterianas e antitumorais, usando nanopartículas de silício poroso para a entrega simultânea de doxorrubicina e prata. Finalmente, explorou-se o uso de nanopartículas de sílica mesoporosa em combinação com outros materiais para criar uma plataforma híbrida e teranóstica, com propriedades magnéticas. O design foi desenvolvido para obter propriedades anticancerígenas e antibacterianas, através da combinação de doxorrubicina e ciprofloxacina, respetivamente. Em resumo, os nanossistemas à base de silício desenvolvidos neste trabalho, representam uma contribuição valiosa para uma melhor compreensão das suas potenciais aplicações biomédicas.

In recent years, nanomedicine has been offering promising solutions to the challenges posed by conventional approaches used in cancer diagnosis and therapy. Achieving an optimal balance between the nanoparticle's advantages and disadvantages is an ongoing challenge. The creation of nanoparticles containing multiple therapeutic and/or diagnostic attributes within a single structure requires a careful design. Among available nanomaterials, silicon-based nanoparticles provide several advantages, evident by the extensive research and diverse biomedical applications documented in the literature. Thus, this dissertation aimed to develop silicon-based nanoparticles tailored for biomedical applications, with a particular focus on their potential in the field of cancer therapy. Emerging evidence suggests that intratumor bacteria have a role in the resistance to commonly used anticancer drugs, contributing to the treatment's complexity. Thus, the nanoparticle properties were explored to create dual-action systems with both anticancer and antibacterial activities. More specifically, this work included the use of materials based on silicon such as zeolites, porous silicon, and mesoporous materials. The study of zeolites started with the development of fluorescent dye-containing zeolites as potential cost-effective and stable bioimaging agents in breast cancer cells, revealing multicolor luminescent properties. Additionally, the incorporation of 5-fluorouracil and silver into a faujasite zeolite structure was explored for anticancer and antibacterial applications. Machine learning tools were used to determine optimal zeolite system combinations, further validated by experimental data in a skin cancer cell model. The project also involved the development of a dual nanocarrier with antibacterial and anticancer properties using porous silicon nanoparticles for targeted delivery of doxorubicin and silver. Finally, the use of mesoporous silica nanoparticles was explored in combination with other materials to yield a hybrid theranostic platform with magnetic properties. The nanoparticles were tailored to display dual anticancer and antibacterial properties, by the combination of doxorubicin with ciprofloxacin, respectively. In summary, the silicon-based nanosystems developed within this thesis present a valuable contribution to unveiling their potential for applications in the biomedical field.