Diseño racional y caracterización de nanodispositivos de sílice mesoporosa para liberación controlada en células senescentes

Abstract

[ES] La senescencia celular es un estado que se caracteriza por un arresto del ciclo celular permanente y un fenotipo hipersecretor asociado. Originalmente se atribuyó al envejecimiento celular, pero hoy se sabe que puede ser causado por otros. El proceso de senescencia celular participa en la regeneración tisular durante el desarrollo y también se da en condiciones fisiológicas, pero frente a daño persistente se puede producir una acumulación de células senescentes, pasando a ser un problema. En los últimos años, la senescencia celular se ha asociado a diferentes patologías, pudiendo ser beneficiosa o perjudicial dentro del contexto patológico de cada una. De este modo, la detección, eliminación o reprogramación de células senescentes tiene un gran potencial en investigación y aplicaciones clínicas. Por otra parte, las nanopartículas mesoporosas de sílice (MSNs) se han utilizado ampliamente en biomedicina como sistema de retención y liberación controlada de fármacos. Esto se debe a factores como su alta estabilidad química y térmica, su biocompatibilidad, su alta superficie específica, el bajo coste de producción o el gran volumen disponible para cargar fármacos. Pero, de entre estos factores, cabe destacar la capacidad de funcionalizar la superficie de las MSNs con biomoléculas que pueden actuar como puertas moleculares. De esta manera se puede controlar el lugar y el momento de la liberación del fármaco cargado previamente, bien mediante estímulos internos que dependen de la homeostasis de célula (pH, actividad enzimática, etc.), bien mediante estímulos externos, que se pueden aplicar a voluntad (temperatura, ultrasonidos, etc). En este contexto, está ampliamente descrito que las células senescentes presentan un aumento en la expresión de βgalactosidasa, estando asociada dicha sobreexpresión al fenotipo senescente (senescence-associated βgalactosidase, SAβgal). Valiéndose de esta característica, previamente el grupo ha diseñado y desarrollado un nanodispositivo basado en nanopartículas mesoporosas de sílice, cargadas con un fluoróforo y recubiertas con un galacto-oligosacárido (GOS) que bloquea los poros actuando como puerta molecular e impidiendo la salida de la molécula. Este sistema es capaz de mantener la carga en su interior hasta el momento en que la enzima βgalactosidasa asociada a senescencia está presente, ya que rompe los enlaces glicosídicos del GOS y produce la liberación selectiva de la carga en las células diana. Sin embargo, en el presente trabajo se plantea una prueba de concepto para demostrar que la especificidad conseguida con los nanodispositivos sintetizados no se debe únicamente a SA-β-gal, sino que se hipotetiza la existencia de receptores específicos por GOS en la superficie de las células senescentes. Así pues, en primer lugar se pretende poner a punto un modelo celular de senescencia químicamente inducida en la línea de melanoma SK-Mel-103. En segundo lugar, se pretende obtener evidencia de la presencia de un receptor de galacto-azúcares en células senescentes, así como llevar a cabo su caracterización en caso de confirmarse la hipótesis. La consecución de estos objetivos permitirá conocer mejor el mecanismo que media la endocitosis de estas MSNs funcionalizadas, lo cual permitirá avanzar en el uso de esta nanoterapia para el tratamiento de enfermedades en las cuales estén implicados los procesos de senescencia celular.

[EN] Cell senescence is a condition characterized by permanent cell cycle arrest and an associated hypersecretory phenotype. It was originally attributed to cellular aging, but today it is known to be caused by other mechanisms such as oxidative damage, DNA damage or by the action of cytotoxic drugs. The process of cellular senescence participates in tissue regeneration during development and also occurs in physiological conditions, but against persistent damage, an accumulation of senescent cells can occur, becoming a problem. In recent years, cell senescence has been associated with different pathologies, and may be beneficial or harmful within the pathological context of each. In this way, the detection, removal or reprogramming of senescent cells has great potential in research and clinical applications. On the other hand, mesoporous silica nanoparticles (MSNs) have been widely used in biomedicine as a controlled retention and drug delivery system due to factors such as high chemical and thermal stability, biocompatibility, high surface area, low production cost or large volume available for loading drugs. But it is noteworthy among these factors, the ability to functionalize the surface of MSNs with biomolecules, which may act as molecular gates. In this way one can control the location and timing of drug release precharged, either by internal stimuli (pH, enzyme activity, etc.) -dependent homeostasis cell either by external stimuli (temperature, ultrasonic, etc.) which can be applied at will. In this context, it is widely reported that senescent cells show an increase in β-galactosidase expression, said overexpression being associated with the senescence-associated β-galactosidase (SA- β -gal). Using this characteristic, previously the group has designed and developed a nanodispositive based on mesoporous silica nanoparticles, charged with a fluorophore and coated with a galactooligosaccharide (GOS) that blocks the pores acting as a molecular gate and preventing the exit of the molecule. This system is able to maintain the charge in the interior until the b-galactosidase enzyme associated with senescence is present, as it breaks the glycosidic bonds of the GOS and produces the selective release of the charge in the target cells. However, in the present work a proof of concept is presented in order to demonstrate that the specificity achieved with the synthesized nanodevices is not only due to SA- β -gal, but the existence of GOS-specific receptors on the surface of the senescent cells. Thus, it is first intended to develop a chemically induced senescence cell model in the SKMel-103 melanoma line. Secondly, it is intended to obtain evidence of the presence of a galacto-sugar receptor in senescent cells, as well as to carry out its characterization in case the hypothesis is confirmed. The achievement of these objectives will allow a better understanding of the mechanism that mediates the endocytosis of these functionalized MSNs, which will allow us to progress in the use of this nanotherapy for the treatment of diseases in which cellular senescence processes are involved.