Engineering melanin nanoplatforms: from advanced biomedical applications to synergistic cancer therapy

Abstract

Cancer remains one of the leading causes of death worldwide and continues to represent a major global health challenge, demanding the development of more effective, targeted, and less toxic therapeutic strategies. Among malignant bone tumors, osteosarcoma is particularly aggressive and is often associated with limited treatment options, systemic toxicity, and poor outcomes in advanced or recurrent cases. These limitations highlight the urgent need for innovative therapeutic approaches capable of improving treatment efficacy while reducing systemic side effects. In this context, cancer theranostics and localized treatment strategies have emerged as promising avenues, enabling simultaneous diagnosis, targeted drug delivery, and externally triggered therapeutic activation. Melanin is a naturally occurring biopolymer acknowledged by outstanding biocompatibility, biodegradability, photothermal and optoelectronic properties, making it a promising material for biomedical applications. Thus, this thesis explores the potential of natural melanin nanoparticles (MNPs) as sustainable and multifunctional platforms for cancer theranostics and localized therapies, with a particular focus on osteosarcoma treatment. The work begins with a comprehensive review of melanin structure, physicochemical properties, and recent advances in the biomedical applications of melanin and melanin-like nanoparticles, including imaging, drug delivery, and light-triggered therapies. Natural MNPs extracted from Sepia officinalis ink sacs were then developed and functionalized to enable biointerface engineering and targeted biomedical applications, demonstrating high cytocompatibility, hemocompatibility, and versatility for bioreceptor conjugation. The therapeutic potential of MNPs was further investigated in light-activated cancer therapies. MNPs were employed as intracellular nanocarriers for a photosensitizer (rhodamine B isothiocyanate) in photodynamic therapy, enabling enhanced cellular uptake and efficient photoinduced cytotoxicity under both normoxic and hypoxic conditions. In parallel, MNPs were explored as dual-function agents for combined chemo-photothermal therapy, serving simultaneously as doxorubicin nanocarriers and efficient photothermal transducers under near-infrared irradiation, resulting in synergistic anticancer effects in osteosarcoma models. To enable localized and controlled therapeutic delivery, injectable gellan gum–based hydrogel systems incorporating MNPs and doxorubicin were developed and evaluated in physiologically relevant three-dimensional osteosarcoma models. These hybrid systems exhibited tunable mechanical properties, controlled drug release, and effective photothermal performance, leading to substantial tumor cell reduction. The therapeutic efficacy and underlying mechanisms were further validated in a vascularized chorioallantoic membrane model, confirming the potential of hydrogel-mediated chemo-photothermal therapy in complex biological environments. Overall, this thesis demonstrates that natural melanin nanoparticles, alone or integrated into hydrogel-based systems, constitute sustainable, biocompatible, and multifunctional platforms for imaging-guided and light-triggered cancer therapies. These findings support the translational potential of melanin-based materials as versatile tools for localized cancer treatment and future theranostic applications.

O cancro continua a ser uma das principais causas de morte a nível mundial e representa um importante desafio global de saúde, exigindo o desenvolvimento de estratégias terapêuticas mais eficazes, direcionadas e menos tóxicas. Entre os tumores ósseos malignos, o osteossarcoma é particularmente agressivo, estando frequentemente associado a opções terapêuticas limitadas, elevada toxicidade sistémica e prognósticos desfavoráveis em casos avançados ou recorrentes. Estas limitações evidenciam a necessidade urgente de abordagens terapêuticas inovadoras capazes de melhorar a eficácia do tratamento, reduzindo simultaneamente os efeitos secundários sistémicos. Neste contexto, a teranóstica do cancro e as estratégias de tratamento localizado têm emergido como abordagens promissoras, permitindo o diagnóstico simultâneo, a administração direcionada de fármacos e a ativação terapêutica externa controlada. A melanina é um biopolímero de ocorrência natural reconhecido pela sua elevada biocompatibilidade, biodegradabilidade e pelas suas propriedades fototérmicas e optoelectrónicas, o que a torna um material promissor para aplicações biomédicas. Assim, esta tese explora o potencial das nanopartículas de melanina natural (MNPs) como plataformas sustentáveis e multifuncionais para teranóstica do cancro e terapias localizadas, com especial enfoque no tratamento do osteossarcoma. O trabalho inicia-se com uma revisão abrangente da estrutura da melanina, das suas propriedades físico-químicas e dos avanços recentes nas aplicações biomédicas da melanina e de nanopartículas do tipo melanina, incluindo imagiologia, libertação controlada de fármacos e terapias ativadas por luz. Posteriormente, foram desenvolvidas e funcionalizadas MNPs naturais extraídas dos sacos de tinta de Sepia officinalis, permitindo a engenharia de biointerfaces e aplicações biomédicas direcionadas, demonstrando elevada citocompatibilidade, hemocompatibilidade e versatilidade para conjugação de biorrecetores. O potencial terapêutico das MNPs foi posteriormente investigado em terapias oncológicas ativadas por luz. As MNPs foram utilizadas como nanotransportadores intracelulares de um fotossensibilizador (isotiocianato de rodamina B) em terapia fotodinâmica, permitindo maior internalização celular e citotoxicidade fotoinduzida eficiente tanto em condições normóxicas como hipóxicas. Em paralelo, as MNPs foram exploradas como agentes de dupla função para terapias combinadas quimio-fototérmicas, atuando simultaneamente como nanotransportadores de doxorrubicina e como transdutores fototérmicos eficientes sob irradiação no infravermelho próximo, resultando em efeitos anticancerígenos sinérgicos em modelos de osteossarcoma. De forma a permitir uma administração terapêutica localizada e controlada, foram desenvolvidos sistemas de hidrogéis injetáveis à base de goma gelana incorporando MNPs e doxorrubicina, os quais foram avaliados em modelos tridimensionais de osteossarcoma fisiologicamente relevantes. Estes sistemas híbridos apresentaram propriedades mecânicas ajustáveis, libertação controlada do fármaco e desempenho fototérmico eficaz, conduzindo a uma redução substancial da viabilidade tumoral. A eficácia terapêutica e os mecanismos subjacentes foram ainda validados num modelo vascularizado de membrana corioalantóica, confirmando o potencial da terapia quimio-fototérmica mediada por hidrogéis em ambientes biológicos complexos. Globalmente, esta tese demonstra que as nanopartículas de melanina natural, isoladamente ou integradas em sistemas baseados em hidrogéis, constituem plataformas sustentáveis, biocompatíveis e multifuncionais para terapias oncológicas guiadas por imagiologia e ativadas por luz. Estes resultados sustentam o potencial translacional dos materiais à base de melanina como ferramentas versáteis para o tratamento localizado do cancro e futuras aplicações teranósticas.