Local treatment of glioblastoma with a hydrogel designed to recruit and efficiently damage cancer cells

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Ribeiro, Maria Leonor Rodrigues Castro
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/1822/76345
Resumo: Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Biomateriais, Reabilitação e Biomecânica)
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spelling Local treatment of glioblastoma with a hydrogel designed to recruit and efficiently damage cancer cellsTratamento local do glioblastoma com um hidrogel desenvolvido para recrutar e danificar eficientemente as células cancerígenasDoxorubicinGlioblastomaHyaluronic acid hydrogelLiposomesRGDS peptideDoxorrubicinaGlioblastomaHidrogel de ácido hialurónicoLipossomasPéptido RGDSEngenharia e Tecnologia::Engenharia MédicaDissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Biomateriais, Reabilitação e Biomecânica)Glioblastoma (GB) is the most lethal and common malignant primary brain tumor in adults. The standard treatment consists in a surgery aiming for maximum tumor resection, followed by radiotherapy and oral administration of temozolomide. Unfortunately, this combination therapy is not able to prevent tumor recurrence and patients have a median survival of 12-15 months after diagnosis. Considering the current serious limitations in GB therapy, there is an urgent need to develop an efficient treatment. This work describes the development of an innovative hydrogel to be administered immediately after tumor resection and to readily interact with the surrounding tissue. The hydrogel is based on hyaluronic acid (HA) functionalized with the peptide Arg-Gly-Asp-Ser (RGDS) and physically crosslinked with liposomes of 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) encapsulating doxorubicin (DOX). HA is one of the main components of the brain extracellular matrix, while RGDS is a fibronectin inhibitory peptide that was used to enhance cells adhesive properties of HA and disrupt the interaction between integrins of GB cells and this protein. Liposomes present in the hydrogel matrix will allow the sustained release of DOX to efficiently damage GB cells. Moreover, the interaction of liposomes with cancer cell membranes can result in a favorable decrease of their fluidity, due to the presence of saturated phospholipids. Large unilamellar liposomes (LUVs) were prepared by the thin film hydration method, followed by extrusion. The homogeneous suspension of LUVs encapsulating DOX (polydispersity index ≈0.164) presented a size of ≈121.7 nm and a slightly negative surface charge (≈-2.43 mV). The concentration of DOX encapsulated in LUVs was relevant (≈68.2 μM for a phospholipid concentration of 1 mM) considering the IC50 results (≈3.82 μM for 24 h). The final hydrogel presented rheological properties similar to those of the brain tissue and was able to sustain the release of DOX along the experimental period considered (10 days). In vitro assays demonstrated the efficiency of non-functionalized HA hydrogels with liposomes encapsulating DOX to damage GB cells. Conversely, RGDS-functionalized HA hydrogels presented high cytotoxicity even without the incorporation of DOX. It was demonstrated that a metalloproteinase (MMP), namely MMP-2 expressed by GB cells, can break the bond between the peptide and HA. Nonetheless, the maximum peptide concentration present in the hydrogel was not cytotoxic for GB cells in 2D-culture, when in solution. Therefore, we hypothesized that a different scenario can be obtained if the peptide is released from the hydrogel where cells are adhered to. Notably, the RGDS-functionalized HA hydrogel incorporating liposomes with DOX was efficient in damaging GB cells without affecting the metabolism and viability of astrocytes, proving its safety. Overall, the results demonstrate the potential of this hydrogel as a future efficient GB treatment to dramatically improve the efficacy of the currently available treatments.Glioblastoma (GB) é o tumor cerebral maligno primário mais predominante e letal em adultos. O seu tratamento consiste numa cirurgia que tem por objetivo a remoção máxima do tumor, seguida de radioterapia e administração oral de temozolomida. Infelizmente, este tratamento não evita a recorrência do tumor e a sobrevivência média dos pacientes é de 12 a 15 meses após o diagnóstico. Considerando as limitações dos tratamentos atuais, é urgente o desenvolvimento de tratamentos mais eficazes. Este trabalho descreve a produção de um novo hidrogel para ser administrado imediatamente após a resseção do tumor e que naturalmente interaja com o tecido adjacente. O hidrogel é constituído por ácido hialurónico (HA) funcionalizado com o péptido Arg-Gly-Asp-Ser (RGDS) e reticulado com lipossomas de 1,2-dipalmitoil-sn-glicero-3-fosfocolina (DPPC) contendo doxorrubicina (DOX). HA é um dos principais componentes da matriz extracelular do cérebro e do microambiente do GB. RGDS, um péptido inibidor da fibronectina, é usado para melhorar as propriedades adesivas das células ao HA e impedir a interação entre as integrinas das células cancerígenas e esta proteína. Os lipossomas presentes na matriz do hidrogel permitem a libertação controlada de DOX para danificar eficientemente as células de GB. Adicionalmente, a interação entre os lipossomas e as membranas das células cancerígenas pode resultar numa diminuição favorável da fluidez da membrana celular devido à presença de fosfolipídios saturados. Os lipossomas unilamelares grandes (LUVs) foram preparados pelo método de hidratação do filme lipídico, seguido de extrusão. A suspensão homogénea de lipossomas com DOX na sua composição (índice de polidispersividade ≈0.164) apresentou um tamanho de ≈121,7 nm e um potencial de superfície ligeiramente negativo (≈-2,43 mV). A concentração de DOX encapsulada é relevante (68.2 μM numa concentração de fosfolipídios de 1 mM), considerando os resultados de IC50 (≈3.82 μM em 24 h). O hidrogel resultante apresentou propriedades reológicas semelhantes às do tecido cerebral e permitiu uma libertação sustentável de DOX ao longo do período experimental considerado (10 dias). Os ensaios in vitro demonstraram que o hidrogel de HA não quimicamente modificado e com lipossomas contendo DOX é eficiente a danificar as células de GB. Por outro lado, os hidrogéis de HA funcionalizado com RGDS apresentaram elevada citotoxicidade mesmo sem a incorporação de DOX. Foi demonstrado que uma metaloproteinase de matriz (MMP), MMP-2, expressada por células de GB, consegue quebrar a ligação entre o péptido e o HA. No entanto, a concentração máxima de péptido presente no hidrogel, em solução, não demonstrou toxicidade para células de GB numa cultura 2D in vitro. Assim, foi formulada uma hipótese de que o péptido libertado do local ao qual as células aderiram pode ter um resultado diferente. Notavelmente, o hidrogel de HA funcionalizado com o RGDS e incorporando lipossomas com DOX foi eficiente em danificar células de GB sem afetar o metabolismo e a viabilidade dos astrócitos, o que comprova a segurança do hidrogel. Consequentemente, os resultados demonstram o potencial deste hidrogel como um futuro tratamento de GB que pode revolucionar a eficácia dos tratamentos atuais.Neves, N. M.Ferreira, Helena Susana Costa MachadoUniversidade do MinhoRibeiro, Maria Leonor Rodrigues Castro20212021-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1822/76345eng202783669info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T12:13:30Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/76345Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T19:05:35.364489Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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