Preclinical testing of theranostic graphene-based magnetic nanocarriers in 2D and 3D hepatocellular carcinoma models

Abstract

Despite clinical developments in cancer treatments, conventional methods are not enough to overcome the barriers imposed by the disease. The high rate of incidence and mortality is an evident indicator of a clinical urgency to develop new and efficient strategies. A potential solution lies in multifunctional magnetic nanoparticles with biocompatible surface coatings and enhanced drug loading capacity for drug release triggered by the acidic tumor microenvironment, without damaging the healthy tissues. In this work, previously developed graphene-based magnetic nanoparticles coated with a polymeric shell (GbMNP@PF127) were used due to their excellent combination of high-magnetic performance, due to the iron oxide (magnetite) cores, and the unique properties of graphene-based nanolayers, such as high chemical and thermal stability, high charge carrier mobility, enhanced biocompatibility and large surface area. This multifunctional magnetic nanocarrier has the ability to be applied in theranostic applications, combining diagnosis and therapy functionalities, such as magnetic resonance imaging (MRI) contrast enhancement, magnetic hyperthermia (MH) and pH induced-controlled drug delivery. In order to preclinically validate its theranostic functionality in vitro, the developed involved: (1) physicochemical characterization of GbMNPs (size, shape, chemical composition, surface charge); (2) loading and delivery of a chemotherapeutic drug under the application of an alternating magnetic field - magnetic hyperthermia; (3) functional validation of their theranostic properties in standard tumor cell lines (HepG2), namely combined chemotherapeutic effect through magnetic hyperthermia and MRI contrast enhancement; (4) development of a 3D liver organoid; and (5) functional validation of the theranostic properties in the developed liver-tumor organoid. Overall, results showed the thermochemotherapeutic effect of doxorubicin-loaded GbMNPs@PF127 under MH in combination with T2-MRI contrast enhancement capability in vitro, confirming these nanoparticles as promising nanosystems for liver cancer theranostics. Furthermore, a functional liver organoid able to better mimic the complexity of a solid tumor was developed for theranostic validation and further integration in organ-on-a-chip platforms.

Apesar da evolução clínica no tratamento do cancro, os métodos convencionais não são suficientes para superar as barreiras impostas pela doença. A elevada taxa de incidência e mortalidade é um indicador evidente da urgência clínica para o desenvolvimento de novas estratégias eficientes. Uma potencial solução incide nas nanopartículas magnéticas multifuncionais com revestimentos biocompatíveis e maior capacidade de encapsular fármacos e os libertar no microambiente tumoral ácido, sem danificar os tecidos saudáveis. Neste trabalho foram usadas nanopartículas magnéticas à base de grafeno revestidas com um polímero (GbMNP@PF127) devido à sua excelente combinação de nanopartículas de óxido de ferro de elevado desempenho magnético (magnetite) e as propriedades únicas de nanocamadas à base de grafeno, como alta estabilidade química e térmica, transporte de elevada carga, biocompatibilidade e elevada área de superfície. Este nanotransportador magnético pode ser usado em aplicações teranósticas, combinando funções de diagnóstico e terapia, como o aumento do contraste de imagem por ressonância magnética (MRI), hipertermia magnética (MH) e entrega controlada de fármaco induzida por pH. Para a validação pré-clínica, o trabalho desenvolvido envolveu: (1) caracterização físico-química das GbMNPs (tamanho, forma, composição química, carga superficial); (2) carga e libertação de fármaco com aplicação de um campo magnético alternado - MH; (3) validação funcional das propriedades teranósticas em linhas celulares tumorais (HepG2): efeito quimioterapêutico combinado com MH e aumento de contraste de MRI; (4) desenvolvimento de organoides hepáticos 3D; e (5) validação funcional do desempenho teranóstico no organoide hepático. Em suma, os resultados mostram o efeito termoquimioterapêutico das GbMNP@PF127 carregados com doxorrubicina sob MH e a capacidade em aumentar o contraste T2-MRI in vitro, confirmando essas nanopartículas como nanosistemas promissores para teranósticos de cancro hepático. Além disso, um modelo organoide 3D de cancro hepático capaz de imitar melhor a complexidade de um tumor sólido foi desenvolvido para validação teranóstica e integração adicional em plataformas de organ-on-a-chip.