Multifunctional nanogels containing magnetic/plasmonic nanoparticles for therapeutic applications

Abstract

Os nanomateriais alteraram profundamente o paradigma tecnológico, industrial e médico, associado com a translação de simples substituintes estruturais para materiais versáteis e multifuncionais. Atualmente, os nanomateriais são procurados como soluções para problemas médicos através da convergência entre a ciência de materiais e a biologia. Os hidrogéis supramoleculares baseados em péptidos são estruturas fibrilares, entrelaçadas e responsivas a estímulos, auto-organizadas pelo efeito cooperativo de diferentes interações intermoleculares não-covalentes. Atualmente, estão entre os biomateriais mais importantes devido à vasta gama de aplicações, que inclui o transporte de fármacos, engenharia de tecidos, imagiologia in vivo e como moldes. A combinação com nanopartículas magnéticas produz magnetogéis, que asseguram o transporte eficiente e a acumulação de fármacos no local terapêutico ou a localização através de um gradiente de campo magnético externo, permitindo aumentar a especificidade de fármacos antitumorais, maioritariamente tóxicos e com efeitos secundários. Além disso, a adição de uma coroa de ouro às nanopartículas magnéticas melhora a biocompatibilidade e possibilita a fototermia, que pode ser explorada como mecanismo para a libertação do fármaco por irradiação. Neste trabalho, nanopartículas núcleo/coroa de ferrite de manganês/ouro e de ferrite de manganês decoradas com ouro foram desenvolvidas e caracterizadas do ponto de vista estrutural, espetroscópico e magnético. Foram sintetizados novos hidrogelantes, tendo sido caracterizados espetroscopicamente e avaliado o seu potencial anti-inflamatório por técnicas computacionais. As nanopartículas foram combinadas com novos hidrogéis supramoleculares baseados em péptidos, formando magnetogéis, estruturalmente caracterizados e testados como transportadores de curcumina (um fármaco com potencialidade antitumoral e neuroprotetiva). Os magnetogéis adequados para transporte foram avaliados como potenciais agentes terapêuticos multimodais, o que incluiu ensaios de interação com modelos de biomembranas, determinação das propriedades magnéticas e reológicas, ensaios de libertação de fármacos e avaliação das capacidades de fototermia. Os resultados são promissores para o uso dos novos magnetogéis na terapia multimodal do cancro, devido à elevada capacidade de carga, à sinergia entre o transporte de fármacos e a localização magnética, e à hipertermia magnética e fototérmica, visionando-se um aumento da eficiência terapêutica no tratamento do cancro.

Nanomaterials have propelled deep changes in the technological, industrial and medical paradigm, which was accompanied by its translation from simple structural substituents to versatile multifunctional materials. Currently, nanomaterials are sought as solutions to modern medical problems through the convergence of materials science with biology. Supramolecular peptide-based hydrogels are stimulus-responsive self-assembled intertwined fibrillar structures achieved through the cooperative effect of different non-covalent intermolecular interactions. These are among the most important classes of biomaterials owing to the wide range of applications, which include, among others, drug delivery, tissue engineering, in vivo imaging and template materials. The combination with magnetic nanoparticles affords magnetogels, which ensure efficient transport and accumulation of drugs in the therapeutic sites or localization by using an external magnetic field gradient, thus enhancing the specificity of anticancer drugs, most of them toxic and with systemic side effects. Moreover, the addition of a gold shell to the magnetic nanoparticles improves biocompatibility and allows photothermia therapy, which can be used as a photo-triggered release mechanism of the encapsulated drug. In this work, core/shell manganese ferrite/gold and gold-decorated manganese ferrite nanoparticles were developed, and their structural, spectroscopic and magnetic properties were characterized. The nanoparticles were combined with two new self-assembled peptide-based hydrogels. The hydrogelators were spectroscopically characterized and evaluated as anti-inflammatory agents by computational tecniques. The hydrogels and magnetogels were structurally characterized and tested as nanocarriers for curcumin (an anticancer and neuroprotective potential drug). The systems that were suitable carriers were also screened as potential multimodal therapeutic agents. Screening assays included the interaction with biomembrane models, determination of magnetic and rheological properties, drug release assays and photothermia ability. The obtained results are promising for the use of the new magnetogels in multimodal cancer therapy, owing to the high-loading capacity, synergistic magnetically-guided drug delivery, magnetic hyperthermia and photothermia, which are expected to improve therapeutic efficiency in cancer therapy.