Desarrollo de nanodispositivos terapéuticos aplicados a enfermedades relacionadas con procesos de senescencia

Abstract

[EN] The main goal of the current project is the design and synthesis of new nanomaterials for the detection and elimination of senescent cells, focused on the treatment of senescence-related diseases such as idiopathic pulmonary fibrosis, liver cirrhosis or pancreatitis. Therefore, a set of mesoporous silica nanoparticles (MSNs) functionalized with galactoligosaccharides – and able to deliver their cargo selectively in senescent cells – will be developed and validated in a cellular model of senescence. Cellular senescence is a state in which cells enter an irreversible cell cycle arrest and acquire an altered phenotype characterized by hyper-secretion. It is a process triggered by stress and cellular damage, and it constitutes an alternative route to programmed cell death to avoid cell damage progression. However, accumulation of these cells alters tissue structure, being associated to aging and related diseases, and cancer. For these reasons, it is necessary to develop therapeutic strategies for selectively target and eliminate senescent cells. The use of MSNs as controlled drug delivery systems has recently increased, due to the advantages of these nanomaterials. Among them, biocompatibility, thermal and chemical stability, homogeneous pore volume, high specific surface area, as well as the possibility of surface functionalization with biomolecules acting as molecular gates, are highlighted. Molecular gates allow a controlled release of the encapsulated cargo inside nanoparticles, which will only take place in presence of a specific external stimulus. In this context, the proposed nanodevice consists of mesoporous silica nanoparticles loaded with a fluorophore and functionalized with a galactosaccharide acting as molecular gate, as it blocks the pores and avoids the encapsulated cargo release. This system will keep its cargo until the moment in which senescence-associated -galactosidase (SA--gal) is present, as the enzyme will hydrolyse the glycosidic bonds and selective cargo release in targeted senescent cells will occur. In order to optimize the proposed system, in this project three mesoporous solids – loaded with the same dye but functionalized with different saccharides as molecular gate – have been synthesized. These nanosystems have been characterized by standard techniques, and their proper performance has been proved in in vitro release studies. After this, functional validation of the three nanoparticles has been carried out in an oncogene-induced senescence cellular model. Results have shown that galactosaccharide-functionalized silica mesoporous nanoparticles are able to selectively release their cargo in senescent cells, with high specificity and lack of toxicity. Furthermore, functional validation of the three synthesized solids has shown that an optimization of the proposed nanosystem has been achieved. All together, these results propose a starting point for a future system’s improvement, in order to (a) increase the nanodevice selectivity towards senescent cells and (b) be able to release cytotoxic compounds for the specific elimination of these cells.

[ES] El objetivo principal del presente trabajo es el diseño y síntesis de nuevos nanomateriales para la detección y eliminación de células senescentes, que puedan ser aplicables a enfermedades relacionadas con procesos de senescencia, como son la fibrosis pulmonar idiopática, la cirrosis hepática o la pancreatitis. De esta forma, se pretende desarrollar y validar, en un modelo celular de senescencia, un set de nanopartículas mesoporosas de sílice (MSNs) funcionalizadas con galactosacáridos que puedan liberar su carga de forma selectiva en las células senescentes. La senescencia celular es una condición en la que las células presentan un estado de arresto irreversible del ciclo celular y un fenotipo alterado hipersecretor. Se trata de un proceso que se inicia como respuesta al estrés y daño celular, y constituye una ruta alternativa de respuesta a la muerte celular programada para evitar la progresión del daño. Sin embargo, la acumulación de dichas células puede alterar la arquitectura tisular, y está relacionada con el envejecimiento, las patologías relacionadas y el cáncer. Debido a ello, es necesario disponer de estrategias terapéuticas dirigidas que permitan eliminar las células senescentes selectivamente. El empleo de MSNs como sistema de liberación controlada y dirigida de fármacos ha adquirido recientemente gran importancia, debido a las múltiples ventajas que presentan. Entre ellas destaca su biocompatibilidad, estabilidad térmica y química, un volumen de poro homogéneo, así como una elevada superficie específica y la posibilidad de funcionalizar su superficie con biomoléculas que actúen como puerta molecular. Estas puertas moleculares permiten una liberación controlada de la carga encapsulada en el interior de las nanopartículas, en respuesta únicamente a un estímulo externo específico. Así pues, en este contexto, el dispositivo que se propone en el presente TFM consiste en nanopartículas mesoporosas de sílice cargadas con un fluoróforo y recubiertas con un galactosacárido actuando como puerta molecular, que bloquea los poros e impide la salida de la molécula encapsulada. Este sistema es capaz de mantener la carga en su interior hasta el momento en que la enzima β-galactosidasa asociada a senescencia (SA--gal) está presente, ya que rompe los enlaces glicosídicos del galactosacárido y produce la liberación selectiva de la carga en las células diana. Siguiendo este planteamiento, y con el objetivo de optimizar el sistema de partida, en el trabajo se han sintetizado tres sólidos mesoporosos cargados con un mismo fluoróforo, y que se diferencian entre sí en el sacárido empleado como puerta molecular. Los nanodispositivos sintetizados se han caracterizado mediante técnicas estándar, y se ha comprobado su correcto funcionamiento mediante pruebas de liberación in vitro, antes de llevar a cabo su validación funcional en un modelo celular de senescencia inducida por oncogén. En base a los resultados obtenidos, se ha podido comprobar que las nanopartículas mesoporosas de sílice funcionalizadas con galactosacáridos son capaces de liberar selectivamente su carga en células senescentes con elevada especificidad y toxicidad nula; y gracias a la validación de los tres sólidos sintetizados se ha logrado, además, la optimización del funcionamiento del nanosistema propuesto. De esta manera, el presente trabajo establece un punto de partida desde el cual seguir mejorando el nanosistema que se propone, con el fin de incrementar la selectividad del nanodispositivo hacia células senescentes y poder liberar en un siguiente paso compuestos citotóxicos para la eliminación selectiva de dichas células