Gated nanomaterials as delivery platform for the treatment of inflammatory disorders

Abstract

[ES] La presente tesis doctoral titulada "Nanomateriales con puertas moleculares como plataforma de liberación controlada de fármacos para el tratamiento de desórdenes inflamatorios" se centra la preparación y evaluación de nanomateriales híbridos orgánico-inorgánicos, basados en nanopartículas mesoporosas de sílice, para la liberación controlada de fármacos en aplicaciones biomédicas, en concreto en el campo de la inflamación. En primer lugar se describe un nanomaterial para la liberación controlada del inhibidor de caspasa-1, VX-765, aprovechando la acumulación preferencial de las nanopartículas en las zonas inflamadas. En concreto, se han preparado nanopartículas mesoporosas de sílice, cargadas con el fármaco VX-765 y funcionalizadas covalentemente con ¿-poli-L-lisina que actúa como puerta molecular. La actividad anti-inflamatoria del material se ha comprobado tanto in vitro, en el modelo celular de monocitos THP-1, como in vivo en ratones en un modelo de inflamación de bolsa de aire. Los resultados muestran la acumulación preferente de las nanopartículas en las zonas inflamadas así como un aumento del efecto terapéutico del fármaco que se atribuye a las ventajas que ofrece la encapsulación. Se concluye que las nanopartículas mesoporosos de sílice con puertas moleculares podrían ser una herramienta importante para el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas en el campo de la inflamación. Basándonos en los resultados obtenidos, en el capítulo cuatro se describe un sistema de liberación controlada para el tratamiento de la inflamación pulmonar aguda como terapia alternativa que permita la administración directa de fármacos a los pulmones. Se ha preparado un nanosistema basado en nanopartículas mesoporosas de sílice cargadas con el glucocorticoide dexametasona y funcionalizadas covalentemente con una puerta molecular peptídica que reconoce el receptor del factor de necrosis tumoral 1 (TNFR1), que a su vez actúa como agente diana para la acumulación preferente en macrófagos pro-inflamatorios. La actividad terapéutica del sistema se ha corroborado en ensayos in vitro en macrófagos pro-inflamatorios, e in vivo en un modelo de ratón de inflamación pulmonar aguda. Se ha comprobado la acumulación preferente de las nanopartículas en los pulmones inflamados, así como la mejora del efecto terapéutico de la dexametasona en la reducción del daño pulmonar, minimizando los efectos adversos asociados a la administración del fármaco libre. Con todo ello se concluye que las nanopartículas mesoporosas de sílice pueden ser utilizadas para el tratamiento de la inflamación pulmonar aguda pudiendo ser una herramienta útil para superar las limitaciones de los tratamientos actuales. Finalmente, se describe otro sistema de liberación controlada de fármacos para inflamación pulmonar aguda. En este caso, se aborda el uso de un nuevo inhibidor del inflamasoma, QM-378, como terapia farmacológica alternativa. Con el objetivo de potenciar la administración directa en los pulmones inflamados, el QM-378 se encapsula en nanopartículas mesoporosas de sílice funcionalizadas con la puerta molecular peptídica que reconoce TNFR1. La acumulación preferente de las nanopartículas en los pulmones inflamados queda demostrada a través de los ensayos de biodistribución, así como la mejora del efecto terapéutico del QM-378 en la reducción del daño pulmonar, debido a las ventajas de la encapsulación en un nanosistema dirigido. Con todo ello se concluye que el QM-378 es un buen candidato para el tratamiento de la inflamación pulmonar aguda, y que su encapsulación en las nanopartículas ofrece una administración pulmonar directa y controlada, consiguiéndose así una mejora en el perfil terapéutico del fármaco. La conclusión principal de la presente tesis doctoral es que el desarrollo de nanomateriales mesoporosos de sílice para la liberación controlada de fármacos se presenta como un

[CA] La present tesi doctoral titulada "Nanomaterials amb portes moleculars com a plataforma d'alliberament controlat de fàrmacs per al tractament de desordres inflamatoris" se centra en la preparació i avaluació de nanomaterials híbrids orgànic-inorgànics, basats en nanopartícules mesoporoses de sílice, per a l'alliberament controlat de fàrmacs en aplicacions biomèdiques, en concret en el camp de la inflamació. En primer lloc, es presenta un nanomaterial per a l'alliberament controlat de l'inhibidor de caspasa-1, VX-765, aprofitant que les nanopartícules s'acumulen preferencialment en les zones inflamades. S'han preparat nanopartícules mesoporoses de sílice, carregades amb VX-765 i funcionalitzades covalentment amb ¿-poli-L-lisina com a porta molecular. L'activitat anti-inflamatòria del material s'ha comprovat tant in vitro, en el model cel·lular de THP-1, com in vivo en ratolins en un model d'inflamació de bossa d'aire. Els resultats mostren la acumulació preferent de les nanopartícules en les zones inflamades així com un augment de l'efecte terapèutic del fàrmac, atribuÏt als avantatges que ofereix l'encapsulació. Es conclou que les nanopartícules mesoporoses de sílice amb porta molecular podrien ser una eina important per al desenvolupament de noves estratègies terapèutiques en el camp de la inflamació. Basant-nos en els resultats obtinguts, en el capítol quatre es presenta un sistema d'alliberament controlat per al tractament de la inflamació pulmonar aguda com a teràpia alternativa que permet l'administració directa de fàrmacs als pulmons. S'ha preparat un nanosistema basat en nanopartícules mesoporoses de sílice carregades amb el glucocorticoide dexametasona i funcionalitzades amb la unió covalent de una porta molecular peptídica que reconeix el receptor del factor de necrosi tumoral 1 (TNFR1), que al seu torn actua com a agent diana per a la acumulació preferent en macròfags pro-inflamatoris. L'activitat terapèutica del sistema dissenyat s'ha corroborat en assajos in vitro en macròfags pro-inflamatoris, i in vivo en un model de ratolí d'inflamació pulmonar aguda. S'ha comprovat la acumulació preferent de les nanopartícules en els pulmons inflamats a través d'assajos de biodistribució, així com la millora de l'efecte terapèutic de la dexametasona en la reducció de la lesió pulmonar minimitzant els efectes adversos associats a l'administració del fàrmac lliure. Amb tot això es conclou que les nanopartícules mesoporoses de sílice poden ser utilitzades per al tractament de la inflamació pulmonar aguda ja que poden ajudar a superar les limitacions dels tractaments actuals. Finalment es mostra també un sistema d'alliberament controlat de fàrmacs per a inflamació pulmonar aguda. En aquest cas, es descriu l'ús d'un nou inhibidor de l'inflamasoma, QM-378, com a teràpia farmacològica alternativa al tractament de la inflamació descontrolada en la inflamació pulmonar aguda. Amb l'objectiu de potenciar l'administració directa en els pulmons inflamats, el QM-378 s'encapsula en les nanopartícules mesoporoses de sílice funcionalitzades amb la porta molecular péptidica que reconeix TNFR1. La acumulació preferent de les nanopartícules en els pulmons inflamats queda demostrada a través dels assajos de biodistribució, així com la millora de l'efecte terapèutic del QM-378 en la reducció de la inflamació pulmonar, atribuït als avantatges de l'encapsulació en un nanosistema dirigit. Amb tot això es conclou que el QM-378 és un bon candidat per al tractament de la inflamació pulmonar aguda, i que la seua encapsulació en les nanopartícules ofereix una administració pulmonar directa i controlada aconseguint-se així una millora en el perfil terapèutic del fàrmac. La conclusió principal és que el desenvolupament de nanomaterials mesoporosos de sílice per a l'alliberament controlat de fàrmacs es presenta com una estratègia amb molt potencial en el camp de les

[EN] This PhD thesis entitled "Gated nanomaterials as delivery platform to manage inflammatory disorders" is focused on the design, synthesis and evaluation of hybrid organic-inorganic nanomaterials using mesoporous silica nanoparticles, for controlled drug release in biomedical applications, specifically in the field of inflammation. In a fist step, we present a new nanodevice for the controlled delivery of VX-765, a caspase 1 inhibitor, which takes advantage of the intrinsic passive targeting effect of the nanoparticles to inflamed tissues. In particular, mesoporous silica nanoparticles loaded with the drug VX-765 and functionalized with ¿-poly-L-lysine (acting as gatekeeper) have been prepared. The anti-inflammatory activity of the prepared nanodevice has been evaluated both in vitro, in the cellular model of monocytes THP-1, and in vivo using air pouch mouse as model of inflammation. The results showed the preferential accumulation of the nanoparticles in the inflamed tissue, as well as an increase in the therapeutic effect of the entrapped drug. As conclusion, gated mesoporous silica nanoparticles constitute an important tool for the development of new therapeutic strategies in the inflammatory field. Based on the previous results presented, a drug delivery system for the treatment of acute lung injury is described in chapter four as alternative therapy that allow the direct delivery of drugs into the lungs. Mesoporous silica nanoparticles has been prepared, loaded with the glucocorticoid dexamethasone and capped with a peptide gatekeeper that recognizes the receptor of tumour necrosis factor 1 (TNFR1), which also targets the pro-inflammatory macrophages. The therapeutic activity of the designed nanoparticles has been studied in vitro in pro-inflammatory macrophages, and in vivo in an acute lung injury mouse model. The preferential accumulation of the nanoparticles in the inflamed lungs has been corroborated through biodistribution assays, as well as the ability to enhance the dexamethasone therapeutic effect by the reduction of lung injury and minimizing the undesired side effects associated of the free drug administration. As conclusion, gated mesoporous silica nanoparticles can be used for the treatment of acute lung injury and represent a potential tool to overcome the limitations of current treatments. Finally, a drug delivery system for acute lung injury is also presented. In this case, we use the novel inflammasome inhibitor QM-378 as pharmacological alternative therapy to the treatment of uncontrolled inflammation in acute lung injury. With the aim of enhancing the direct drug delivery in lungs, QM-378 is encapsulated in mesoporous silica nanoparticles capped with a peptidic gate that recognizes TNFR1. The preferential accumulation of nanoparticles to inflamed lungs has been also corroborated through biodistribution assays. An enhancement of the therapeutic effect of QM-378 by reducing lung inflammation is demonstrated, due to the advantages of drug encapsulation in a targeted-lung nanosystem. As conclusion, the QM-378 is a suitable candidate for acute lung injury treatment, and its encapsulation in mesoporous silica nanoparticles offers a direct lung drug delivery thus improving the therapeutic profile of the drug. The principal conclusion from this PhD thesis is that the preparation of mesoporous silica nanoaprticles for drug delivery is presented as potential strategy in the field of inflammatory disorders.