Nanomotores Janus de platino y sílice mesoporosa como plataforma para la entrega de fármacos en aplicaciones biomédicas

Abstract

[ES] La tesis doctoral titulada «Nanomotores Janus platino-sílice mesoporosa como plataforma para la entrega de fármacos en aplicaciones biomédicas» se centra en el desarrollo de una nanopartícula multifuncional autopropulsada (nanomotor). El nanomotor se basa en una nanopartícula Janus integrada por una nanopartícula de platino (Pt) y una nanopartícula mesoporosa de sílice (MSN) y es capaz de propulsarse y liberar fármacos de forma controlada. La cara de Pt es responsable del movimiento mediante la catálisis de H2O2 en O2, mientras que, la cara de MSN es responsable de la entrega de la carga ante el reconocimiento de estímulos específicos. El objetivo del trabajo es emplear la fuerza motriz de los nanomotores para difundir a través de barreras biológicas (BB), favoreciendo la entrega de fármacos en localizaciones diana de difícil acceso. En concreto, la zona interna de las biopelículas bacterianas y los tumores sólidos, que en ambos casos está protegida por una matriz extracelular (ECM) prácticamente impenetrable. El nanomotor Janus Pt-MSN se sintetiza de forma toposelectiva mediante la técnica de emulsión de Pickering. En primer lugar, se carga con una molécula modelo y se funcionaliza con una puerta molecular sensible a estímulos redox, unida a la superficie de la cara de MSN mediante enlaces disulfuro. Los resultados confirman la estructura del nanomotor (tipo «muñeco de nieve») y su doble funcionalidad: difusión incrementada en respuesta a H2O2 y salida selectiva de la carga en respuesta a una especie redox (glutatión). En segundo lugar, el nanomotor se carga con el antiséptico clorhexidina y sus poros se bloquean con una nanoválvula sensible al pH, formada por un complejo de inclusión establecido entre grupos benzimidazol y ¿-ciclodextrinas unidas a la proteasa ficina. La puerta molecular es capaz de hidrolizar los componentes de la ECM e inducir la liberación de la carga a pH ácido, rasgo característico de la zona interna de las biopelículas. Los experimentos realizados prueban que la triple funcionalidad sinérgica del nanomotor resulta en la eliminación de los microorganismos de las biopelículas endodónticas. A continuación, se propone un nanomotor propulsado por glucosa, ya que existe una urgente necesidad de emplear combustibles biocompatibles y biodisponibles para evitar efectos nocivos en los pacientes. Para ello, se une la enzima glucosa oxidasa a la cara mesoporosa del nanomotor mediante enlaces amida. La enzima desempeña una doble función. Por una parte, constituye el primer elemento de la cascada que induce el movimiento, al catalizar la transformación enzimática de glucosa en H2O2. Finalmente, el H2O2 es descompuesto por la cara de Pt propulsando al nanomotor. Por otra parte, actúa como puerta molecular sensible a proteasas, induciendo la liberación del fármaco doxorrubicina en los lisosomas. Los resultados obtenidos evidencian la habilidad del nanomotor para eliminar las células cancerosas de los tumores sólidos. Las conclusiones de esta tesis doctoral se resumen en que se ha logrado materializar un nanomotor muy versátil con 2 ventajas prominentes: (i) amplia área catalítica capaz de inducir una difusión incrementada y (ii) amplia área susceptible de ser funcionalizada con puertas moleculares. Además, se ha demostrado la capacidad de los nanomotores para atravesar BB, logrando un efecto terapéutico en infecciones endodónticas y cáncer. También se ha probado que el efecto es mayor que el causado por los componentes de los nanomotores independientemente y por nanopartículas control privadas de alguno de sus elementos. Esperamos que estos datos contribuyan al desarrollo de nuevas estrategias o a la mejora de las ya existentes para solventar el reto de la entrega de agentes terapéuticos en áreas enfermas inaccesibles, un problema clínico sin solución en la actualidad.

[CA] La tesi doctoral titulada «Nanomotors Janus platí-sílice mesoporosa com a plataforma per a l'alliberament de fàrmacs en aplicacions biomèdiques» se centra en el desenvolupament d'una nanopartícula multifuncional autopropulsada (nanomotor). El nanomotor es basa en una nanopartícula Janus integrada per una nanopartícula de platí (Pt) i una nanopartícula mesoporosa de sílice (MSN) i és capaç de propulsar-se i alliberar fàrmacs de manera controlada. La cara de Pt és responsable del moviment mitjançant la catàlisi de H2O2 a O2, mentre que la cara de MSN és responsable de l'alliberament de la càrrega davant el reconeixement d'estímuls específics. L'objectiu del treball és fer servir la força motriu dels nanomotors per difondre a través de barreres biològiques (BB), afavorint l'alliberament de fàrmacs en localitzacions diana de difícil accés. En concret, la zona interna de les biopel·lícules bacterianes i els tumors sòlids, que en tots dos casos està protegida per una matriu extracel·lular (ECM) pràcticament impenetrable. El nanomotor Janus Pt-MSN se sintetitza de forma toposelectiva mitjançant la tècnica d'emulsió de Pickering. En primer lloc, es carrega amb una molècula model i es funcionalitza amb una porta molecular sensible a estímuls redox, unida a la superfície de la cara de MSN mitjançant enllaços disulfurs. Els resultats confirmen l'estructura del nanomotor (tipus ninot de neu) i la seva doble funcionalitat: difusió incrementada en resposta a H2O2 i sortida selectiva de la càrrega en resposta a una espècie redox (glutatió). En segon lloc, el nanomotor es carrega amb clorhexidina i els seus porus es bloquegen amb una nanovàlvula sensible al pH, formada per un complex d'inclusió establert entre grups benzimidazol i beta ciclodextrines unides a la proteasa ficina. La porta molecular és capaç d'hidrolitzar els components de l'ECM i induir l'alliberament de la càrrega a pH àcid, un tret característic de la zona interna de les biopel·lícules. Els experiments realitzats proven que la triple funcionalitat sinèrgica del nanomotor resulta en l'eliminació dels microorganismes de les biopel·lícules endodòntiques. A continuació, es proposa un nanomotor propulsat per glucosa, ja que hi ha una necessitat urgent d'emprar combustibles biocompatibles i biodisponibles, per a evitar efectes nocius als pacients. Per fer-ho, s'uneix l'enzim glucosa oxidasa a la cara mesoporosa del nanomotor mitjançant enllaços amida. L'enzim exerceix una doble funció. D'una banda, constitueix el primer element de la cascada que indueix el moviment, en catalitzar la transformació enzimàtica de glucosa a H2O2. Finalment, l'H2O2 és descompost per la cara de Pt propulsant el nanomotor. D'altra banda, actua com a porta molecular sensible a proteases, induint l'alliberament del fàrmac doxorrubicina als lisosomes. Els resultats obtinguts evidencien l'habilitat del nanomotor per eliminar les cèl·lules canceroses dels tumors sòlids. Les conclusions d"aquesta tesi doctoral es resumen en que s"ha aconseguit materialitzar un nanomotor molt versàtil amb 2 avantatges prominents: (i) àmplia àrea catalítica capaç d"induir una difusió incrementada i (ii) àmplia àrea susceptible de ser funcionalitzada amb portes moleculars. A més, s'ha demostrat la capacitat dels nanomotors per travessar BB, aconseguint un efecte terapèutic en infeccions endodòntiques i càncer. També s'ha provat que l'efecte és més gran que el causat pels components dels nanomotors independentment i per nanopartícules control privades d'algun dels elements. Esperem que aquestes dades contribueixin al desenvolupament de noves estratègies o a la millora de les ja existents per resoldre el repte de l'alliberament d'agents terapèutics en àrees malaltes inaccessibles, un problema clínic sense solució actualment.

[EN] The PhD thesis entitled "Platinum-mesoporous silica Janus nanomotors as a platform for drug delivery in biomedical applications" focuses on the development of a multifunctional self-propelled nanoparticle (nanomotor). The nanomotor is based on a Janus nanoparticle composed of a platinum nanoparticle (Pt) and a mesoporous silica nanoparticle (MSN) and can propel itself and release drugs in a controlled manner. The Pt face is responsible for the movement by catalyzing H2O2 into O2, whereas the MSN face is responsible for the delivery of cargo upon recognition of specific stimuli. The objective is to employ the driving force of nanomotors to diffuse through biological barriers (BB), favoring drug delivery to hard-to-reach target sites, such as the inner zone of bacterial biofilms and solid tumors, which in both cases is protected by an extracellular matrix (ECM). The Janus Pt-MSN nanomotor is synthesized toposelectively using the Pickering emulsion technique. It is first loaded with a model molecule and functionalized with a redox-stimuli-sensitive molecular gate, attached to the MSN face surface via disulfide bonds. The results confirm the structure of the nanomotor ("snowman" type) and its dual functionality: increased diffusion in response to H2O2 and selective cargo delivery in response to glutathione. Second, the nanomotor is loaded with chlorhexidine and its pores are blocked by a pH-sensitive nanovalve formed by an inclusion complex established between benzimidazole and ¿-cyclodextrins bound to ficin protease. The molecular gate is able to hydrolyze ECM components and induce cargo release at acidic pH, a characteristic feature of the inner zone of biofilms. The experiments performed prove that the triple synergistic functionality of the nanomotor results in the elimination of microorganisms from endodontic biofilms. Next, a glucose-powered nanomotor is proposed, as there is an urgent need to employ biocompatible and bioavailable fuels. For this purpose, the enzyme glucose oxidase is attached to the mesoporous face of the nanomotor via amide bonds. The enzyme plays a dual role. On the one hand, it constitutes the first element of the movement-inducing cascade by catalyzing the enzymatic transformation of glucose into H2O2. Finally, H2O2 is decomposed by the Pt face propelling the nanomotor. Moreover, it acts as a protease-sensitive molecular gate, inducing the release of the drug doxorubicin into lysosomes. The results obtained evidence the ability of the nanomotor to kill cancer cells in solid tumors. The conclusions of this doctoral thesis are that a very versatile nanomotor has been materialized with 2 prominent advantages: (i) large catalytic area capable of inducing increased diffusion and (ii) large area susceptible to be functionalized with molecular gates. In addition, the ability of nanomotors to pass through BB has been demonstrated, achieving a therapeutic effect on endodontic infections and cancer. It has also been proven that the effect is greater than that caused by the components of the nanomotors independently and by control nanoparticles deprived of some of their elements. We hope that these data will contribute to the development of new strategies or the improvement of existing ones to solve the challenge of delivering therapeutic agents to inaccessible diseased areas, a clinical problem with no solution at present.