Fucoidan-based strategies envisioning antitumor therapies

Abstract

Current cancer treatments present some drawbacks, namely unwanted side effects of chemotherapeutics, due to their toxicity over healthy tissues. Trying to overcome this impactful limitation, the use of natural compounds that may present diminished effects over non-cancer cells is of great interest. Among them, fucoidan, a sulfated polysaccharide extracted from brown algae, has been highlighted over the last years due to its interesting biological features. Since different fucoidans may present distinct antitumor behaviors, one of the main goals of this PhD work was to optimize fucoidan usage by developing more effective antitumor therapies. Accordingly, in Chapter III, different fucoidan extracts from Fucus vesiculosus were tested over human breast cancer and normal cells. Three types of biological outcomes were observed: i) toxicity to cancer and normal cells; ii) toxicity to cancer cells at lower concentrations than normal cells (an effective antitumor behavior) and iii) toxicity to normal cells at lower dosages than cancer cells (for high concentrations). These discrepant activities were attributed to differences in the sulfates position and branching of fucoidan. The anti angiogenic potential of the effective fucoidan extract (type ii) was also validated by an endothelial cell tube formation assay (in vitro) and a Chick Chorioallantoic Membrane assay (in vivo) (Chapter IV). The cytotoxic effect of the same fucoidan extract was also demonstrated to human melanoma cells (Chapter V). In a complementary approach, a skin patch to treat melanoma was developed by the immobilization of fucoidan at the surface of an electrospun nanofibrous mesh. Empowering the use of this marine-origin polymer, the fucoidan extract type iii was chosen to develop a drug delivery system for breast cancer. Gemcitabine, a chemotherapeutic drug, was successfully encapsulated into fucoidan/chitosan nanoparticles showing higher toxicity to cancer cells than to normal endothelial cells (Chapter VI). Aiming to reduce gemcitabine side-effects and to develop more precise therapies, an ErbB-2 antibody was immobilized at the surface of the previously described nanoparticles (Chapter VII). The targeting to cancer cells was confirmed in a co-culture system (increased toxicity to cancer cells) and in vivo, observing the impaired tumor growth and reduced lungs metastasis. These studies proposed fucoidan-based strategies (either extracts or systems) that should be further explored in the development of more effective antitumor therapies based in natural compounds.

Os tratamentos atualmente utilizados para o cancro apresentam algumas limitações. A utilização de compostos naturais, que poderão apresentar efeitos reduzidos sobre células não cancerígenas, constitui uma potencial alternativa. De entre os vários compostos, a fucoidana, um polissacarídeo sulfatado extraído de algas castanhas, apresenta propriedades biológicas interessantes. Uma vez que diferentes fucoidanas podem apresentar diferentes comportamentos antitumorais, um dos principais objetivos deste trabalho de doutoramento foi otimizar a utilização da fucoidana para o desenvolvimento de abordagens terapêuticas. Neste sentido, no Capítulo III, diferentes fucoidanas extraídas de Fucus vesiculosus foram testadas sobre células tumorais de mama e células normais. Três comportamentos biológicos distintos foram observados: i) toxicidade para células tumorais e normais; ii) toxicidade para células tumorais a concentrações mais baixas do que para células normais (i.e. comportamento antitumoral efetivo) e iii) toxicidade para células normais a concentrações mais baixas que células tumorais (para concentrações elevadas). A discrepância entre estes comportamentos foi atribuída a diferenças na posição dos grupos sulfato e às ramificações na cadeia polimérica. O potencial anti angiogénico do extrato antitumoral efetivo foi validado através de um ensaio de formação de vasos (in vitro) e implantação na membrana corioalantóide (in vivo) (Capítulo IV). Os efeitos citotóxicos deste extrato foram também demonstrados sobre uma linha celular de melanoma. Numa abordagem complementar, uma membrana para o tratamento do melanoma foi desenvolvida mediante imobilização da fucoidana na superfície de malhas de nanofibras produzidas por electrofiação (Capítulo V). Para potenciar o uso deste polímero de origem marinha, a fucoidana tipo iii foi utilizada no desenvolvimento de um sistema de libertação de fármaco para o tratamento do cancro da mama. Gemcitabina, um fármaco quimioterapêutico, foi eficazmente encapsulada em nanopartículas (NPs) de fucoidana/quitosano, demonstrando maior toxicidade sobre células tumorais do que sobre células endoteliais (Capítulo VI). Tendo por objetivo reduzir os efeitos secundários do fármaco e para desenvolver terapias mais precisas, um anticorpo (ErbB-2) foi imobilizado à superfície das NPs (Capítulo VII). A capacidade das NPs serem direcionadas para as células tumorais foi confirmada através de um sistema de co-cultura (maior toxicidade para as células tumorais). Ensaios in vivo, demonstraram comprometimento do crescimento dos tumores e metastização nos pulmões. Estes estudos apresentam estratégias à base de fucoidana (quer na forma de extratos quer de sistemas) tendo em vista o desenvolvimento de terapias antitumorais mais eficientes.