Optimization of cellular silica-nanoparticle loading for tumor immunomodulation therapy

Abstract

[ES] La inmunoterapia se presenta como un tratamiento innovador en la lucha contra el cáncer, ya que estimula los mecanismos de defensa del propio cuerpo para combatir la enfermedad. El reciente auge de la medicina de precisión ha propiciado la búsqueda de técnicas que permitan modular el sistema inmunológico y, en este contexto, el uso de la nanotecnología supone un método prometedor para la liberación controlada de fármacos. Las nanopartículas de sílice mesoporosas (MSNs, por sus siglas en inglés) se han utilizado ampliamente como vehículos de escala nanométrica en terapias para la administración de pequeñas moléculas. Anteriormente, ha sido demostrado que dichas nanopartículas provocan daño mecánico al tejido canceroso mediante la cavitación de microburbujas, al ser expuestas a pulsos focalizados de ultrasonidos de alta intensidad. Y además, daño molecular, al liberar un fármaco inmunomodulador, Resiquimod, que cambia el fenotipo de las células inmunitarias de antiinflamatorio a proinflamatorio. Sin embargo, la biodistribución de las nanopartículas tras su administración en el organismo supone un gran reto, ya que estas no se dirigen directamente hacia los tumores. Como solución al problema planteado, se presenta una terapia selectiva que emplea las células del sistema inmunitario innato como vehículo para el transporte de MSNs a las células tumorales. Concretamente, el presente trabajo tiene como objetivo optimizar la carga de nanopartículas en el interior de los macrófagos, para tratar tumores sólidos e inmunológicamente fríos. Para ello, se presenta un protocolo para la síntesis y cuantificación de la carga de nanopartículas en macrófagos, utilizando el colorante Rodamina B y, además, se exploran varias estrategias para determinar la carga óptima de dichas partículas y fármaco en las células. El trabajo experimental que se ha llevado a cabo muestra que, la introducción en la células de las nanopartículas estabilizadas con el surfactante Pluronic F108, depende de la concentración de las mismas y, la máxima carga celular lograda fue de 147,38 fg de partículas/célula. En el futuro, el proyecto se centrará en rediseñar las partículas a partir de nuevos recubrimientos superficiales, buscando aumentar la eficiencia de la carga de las nanopartículas en los macrófagos.

[CA] La immunoteràpia es presenta com un tractament innovador en la lluita contra el càncer, ja que estimula els mecanismes de defensa del propi cos per combatre la malaltia. El recent auge de la medicina de precisió ha propiciat la cerca de tècniques que permeten modular el sistema immunològic i, en aquest context, l'ús de la nanotecnologia suposa un mètode prometedor per a l'alliberament controlat de fàrmacs. Les nanopartícules de sílice mesoporoses (MSNs, per les seues sigles en anglès) s'han utilitzat àmpliament com a vehicles d'escala nanomètrica en teràpies per a l'administració de petites molècules. Anteriorment, s'ha demostrat que aquestes nanopartícules provoquen dany mecànic al teixit cancerós mitjançant la cavitació de microbombolles, en ser exposades a polsos focalitzats d'ultrasons d'alta intensitat. I, a més, dany molecular, en alliberar un fàrmac immunomodulador, Resiquimod, que canvia el fenotip de les cèl·lules immunitàries d'antiinflamatori a proinflamatori. No obstant això, la biodistribució de les nanopartícules després de la seua administració en l'organisme suposa un gran repte, ja que aquestes no es dirigeixen directament cap als tumors. Com a solució al problema plantejat, es presenta una teràpia selectiva que empra les cèl·lules del sistema immunitari innat com a vehicle per al transport de MSNs a les cèl·lules tumorals. Concretament, el present treball té com a objectiu optimitzar la càrrega de nanopartícules a l'interior dels macròfags, per tractar tumors sòlids i immunològicament freds. Per a això, es presenta un protocol per a la síntesi i quantificació de la càrrega de nanopartícules en macròfags, utilitzant el colorant Rodamina B i, a més, s'exploren diverses estratègies per determinar la càrrega òptima d'aquestes partícules i fàrmac a les cèl·lules. El treball experimental que s'ha dut a terme mostra que, la introducció en les cèl·lules de les nanopartícules estabilitzades amb el surfactant Pluronic F108, depèn de la concentració de les mateixes i, la màxima càrrega cel·lular aconseguida va ser de 147,38 fg de partícules/cèl·lula. En el futur, el projecte se centrarà a redissenyar les partícules a partir de nous recobriments superficials, cercant augmentar l'eficiència de la càrrega de les nanopartícules en els macròfags.

[EN] Cancer immunotherapy is an innovative approach to cancer treatment because it leverages the body s defense system to fight cancer, reducing side effects to the patient and offering long-lasting protection through immune memory. As precision medicine becomes increasingly important, novel approaches to modulating the immune system have been explored, and drug delivery nanotechnology has emerged as a promising method for a spatiotemporally controlled drug release. Mesoporous silica nanoparticles have been widely used as nanocarriers for small molecule therapies. However, nanoparticle biodistribution remains a challenge, as these carriers do not specifically localize to tumors. To address this gap, this thesis presents a targeted therapy that uses innate immune cells to traffic ultrasound-sensitive, drug-loaded mesoporous silica nanoparticles (MSNs) specifically to cancer cells. Previous work has shown that these nanoparticles can load and release the immunomodulatory drug resiquimod and cause mechanical damage to cancer tissue through microbubble cavitation under high-intensity focused ultrasound, ultimately shifting the phenotype of resident immune cells from anti-inflammatory to pro-inflammatory. This thesis aims to optimize the loading of nanoparticles into macrophages to target solid, immunologically cold tumors specifically. For this purpose, the document presents a protocol for synthesizing and quantifying particle loading into macrophages by using the dye Rhodamine B and explores several strategies for determining the optimal particle and drug loading into cells. It was determined that, with Pluronic F108-coated MSNs, the particle loading into cells was concentration-dependent and, in those conditions, the maximum loading achieved was 147.38 fg particles/cell. Future work will focus on reengineering the particles with new surface coatings to further test the efficiency of nanoparticle loading into macrophages.