Nanovehicles for medical use: an in vitro evaluation of cytotoxicity and drug delivery efficiency

Il recente progresso apportato dalla nanotecnologia nella manipolazione della materia ha portato al conseguente sviluppo di diversi tipi di nanoparticelle e nanodevices per applicazioni biomediche. In campo oncologico, oggetti dalle dimensioni nanometriche si sono dimostrati particolarmente interessanti in qualità di sistemi per la veicolazione di farmaci, poiché si presume che l’ingegnerizzazione dei nanoveicoli e la loro funzionalizzazione con specifici ligandi/anticorpi possa portare ad un miglioramento dell’efficacia e della selettività delle terapie antitumorali sfruttando meccanismi di targeting del tumore sia passivi che attivi. L’utilizzo di sistemi di veicolazione è particolarmente importante nel caso di terapie nelle quali la somministrazione dei farmaci in formulazioni acquose conduce a fenomeni di aggregazione con conseguente diminuzione di attività e di disponibilità nel circolo sanguineo, o nel caso di farmaci con scarsa selettività per il tumore. Appartengono a queste categorie la maggior parte dei fotosensibilizzanti utilizzati in terapia fotodinamica (PDT), poiché farmaci di natura idrofobica e con scarsa selettività di accumulo nei tessuti maligni. Negli ultimi decenni, la PDT si è dimostrata una promettente tecnica di trattamento del cancro in alternativa alle terapie convenzionali che invece generalmente dimostrano alta tossicità sistemica e fenomeni di farmaco-resistenza. La PDT si basa sulla somministrazione di un fotosensibilizzante (PS) che accumulatosi nel tumore, e dopo essere stato attivato con opportune lunghezze d’onda di luce, è in grado di reagire con l’ossigeno molecolare che lo circonda generando specie reattive dell’ossigeno (ROS) altamente citotossiche con conseguente danno cellulare e vascolare. In questa tesi di dottorato, tre diversi nanosistemi quali liposomi, nanoparticelle PLGA (poly-(D,L-lactide-co-glycolide)) e nanoparticelle di silice organicamente modificata (ORMOSIL), sono stati presi in considerazione per la veicolazione del fotosensibilizzante di seconda generazione meta-tetra(hydroxyphenyl)chlorin (m-THPC, Temoporfin) in cellule tumorali in vitro. In particolare, sono state valutate l’efficienza di veicolazione del farmaco, la tossicità buia e fotoindotta delle diverse formulazioni di m-THPC. Per migliorare la biodisponibilità e la selettività per il tumore della m-THPC, nella progettazione dei nanoveicoli sono state considerate quali strategie essenziali la pegilazione e il targeting delle particelle, in modo da prolungare la circolazione dei nanosistemi nel flusso sanguineo e in modo da sfruttare meccanismi attivi di targeting del tumore. Per la veicolazione della m-THPC utilizzando liposomi unilamellari sono state saggiate in vitro quattro diverse formulazioni liposomiali pegilate (Fospeg®, fornito dalla ditta Biolitec Research) con lunghezza (PEG750, PEG2000, PEG5000) e densità del PEG (2%, 8%) variabili, utilizzando come linee cellulari fibroblasti di polmone normali (CCD-34Lu) e cellule tumorali di epitelio polmonare (A549). Se paragonate al farmaco somministrato in forma libera in soluzione (Foscan®, etanolo/PEG 400/acqua (20:30:50, vol/vol)), le formulazioni liposomiali di m-THPC hanno mostrato una ridotta internalizzazione in entrambe le linee cellulari, ma nello stesso tempo la presenza del sistema di veicolazione ha portato alla significativa riduzione della tossicità buia del farmaco. La riduzione della tossicità buia del farmaco è risultata proporzionale all’aumento della densità di PEG sulla superficie del liposoma mentre la lunghezza delle catene di PEG sembra essere ininfluente nel limitare l’effetto tossico della m-THPC al buio. Comunque, la ridotta internalizzazione della m-THPC veicolata tramite Fospeg® influenza in modo solo parziale la fototossicità misurata in cellule A549, mentre l’efficienza d’induzione di mortalità in seguito a trattamento fotodinamico è risultata paragonabile tra le diverse formulazioni saggiate. Indipendentemente dalla veicolazione tramite Fospeg® o Foscan®, è stata riscontrata la medesima localizzazione intracellulare della m-THPC (apparato del Golgi e reticolo endoplasmatico) suggerendo il possibile rilascio del farmaco dalla formulazione liposomiale in presenza di proteine del siero, essendo la m-THPC solamente fisicamente intrappolata all’interno dei liposomi. Il rilascio della m-THPC è stato confermato dal fatto che liposomi nei quali viene legata covalentemente rodamina vengono effettivamente internalizzati dalle cellule e, differentemente dalla m-THPC, si accumulano nei compartimenti acidi intracellulari. Nonostante il rilascio del fotosensibilizzante dai liposomi, la formulazione Fospeg® è comunque stata utilizzata per veicolare selettivamente la m-THPC in cellule cancerose tramite la coniugazione dei liposomi con acido folico, essendo i recettori del folato sovraespressi in diversi tumori umani. Quindi sono state valutate l’internalizzazione specifica e la fototossicità di liposomi coniugati con folato (liposomi folato) rispetto a liposomi della stessa composizione ma privi di acido folico (liposomi non coniugati) in cellule KB e A549, rispettivamente positive e negative per l’espressione di recettori del folato. In cellule KB, l’internalizzazione della m-THPC si è rivelata doppia in caso di veicolazione con liposomi folato, malgrado solo una modesta parte (~15%) dei nanosistemi coniugati con folato siano effettivamente internalizzati tramite meccanismi di endocitosi mediata da recettore, essendo invece un’internalizzazione di tipo aspecifico il meccanismo prevalente per l’internalizzazione dei liposomi in entrambe le linee cellulari saggiate. In ogni caso, all’aumentato accumulo di m-THPC ottenuto tramite la veicolazione con Fospeg coniugato con folato in cellule che sovra esprimono il recettore, ne è conseguita una tossicità dopo irradiamento aumentata di circa 1.5 volte. Riguardo invece la veicolazione di m-THPC tramite particelle PLGA, formulazioni nude o pegilate sono state sintetizzate (Prof. J. Kos, Università di Lubiana) e saggiate sia in vitro che in vivo per la loro potenziale applicazione in fototerapia o in diagnosi dei tumori, sfruttando la fluorescenza del fotosensibilizzante fisicamente intrappolato all’interno delle particelle. Studi in vitro condotti su cellule A549, MCF10A neo T (derivate da tumore del seno) e U937 (cellule pro-monocitiche derivate da linfoma), hanno mostrato una ridotta internalizzazione della formulazione di m-THPC pegilata rispetto a quella nuda. Anche con particelle PLGA e come già visto per il Fospeg®, l’utilizzo di un sistema di veicolazione porta alla significativa riduzione della citotossicità buia della m-THPC. L’efficienza d’internalizzazione del fotosensibilizzante veicolato tramite particelle PLGA pegilate viene ridotta circa del 50% rispetto alla sua veicolazione nella formulazione standard ma sorprendentemente l’effetto citotossico indotto in cellule A549 irradiate è quasi paragonabile. La biodistribuzione della m-THPC (veicolata tramite nanoparticelle PLGA nude o pegilate o nella formulazione standard) è stata valutata 24 ore dopo la sua iniezione in topi, mostrando una simile distribuzione nei vari organi ma una significativa riduzione dell’accumulo a livello epidermico per entrambe le formulazioni nanoparticellari. Quindi, nonostante anche per le particelle PLGA pegilate sia stato misurato il rilascio di m-THPC in presenza di proteine sieriche, esse appaiono un buon sistema di veicolazione di fotosensibilizzanti soprattutto per le loro caratteristiche ‘stealth’ e per la loro biodegradabilità. Il rilascio prematuro del fotosensibilizzante è stato invece completamente limitato con il legame covalente della m-THPC alla matrice silanica di particelle ORMOSIL altamente pegilate (Prof. F. Mancin, Università di Padova). Tuttavia questo tipo di particelle ha mostrato un’internalizzazione intracellulare estremamente bassa derivata dall’elevato grado di pegilazione, ponendo come requisito essenziale il targeting delle particelle. In qualità di agenti di targeting per le particelle ORMOSIL pegilate sono stati valutati, oltre al folato, anche il peptide ciclico RGD e l’anticorpo Cetuximab, essendo questi ultimi in grado di legarsi rispettivamente ad integrine α5ß3 e al recettore del fattore di crescite dell’epidermide (EGFR). L’internalizzazione selettiva e la fototossicità della m-THPC veicolata tramite le tre diverse nanoparticelle funzionalizzate sono state valutate in vitro in opportuni sistemi cellulari. Tale studio ha mostrato come le caratteristiche dell’agente di targeting influenzino in modo sostanziale la selettività di tali nanosistemi pegilati. Infatti, mentre il folato altamente idrofobico si ripiega verosimilmente verso la corona di PEG rendendosi inefficace nel guidare selettivamente le particelle ORMOSIL, il peptide RGD e l’anticorpo Cetuximab hanno mostrato una certa selettività nei confronti di cellule sovraesprimenti i rispettivi recettori (cellule HUVEC sovraesprimenti recettori per le integrine α5ß3 e cellule A431 sovraesperimenti EGFR). Tuttavia, l’aumentato accumulo selettivo della m-THPC ottenuto tramite la coniugazione delle nanoparticelle con RGD e Cetuximab non ha portato ad una conseguente aumentata efficienza e selettività nell’induzione di citotossicità in seguito ad irradiamento. Tale risultato è verosimilmente imputabile al fatto che la selettività di accumulo delle nanoparticelle viene raggiunta in condizioni nelle quali la disponibilità del farmaco nelle cellule è troppo bassa, con conseguente scarsa efficacia dopo trattamento fotodinamico. La valutazione della biocompatibilità delle nanoparticelle risulta di fondamentale importanza per un’applicazione sicura della nanotecnologia in campo medico. Quindi, poiché le nanoparticelle ORMOSIL non sono ancora state ben caratterizzate da tale punto di vista, un loro profilo tossicologico è stato tracciato in vitro in cellule polmonari normali (CCD-34Lu) e tumorali (A549, NCIH-2347). Nello studio sono stati combinati esperimenti tradizionali di valutazione della vitalità cellulare e della citotossicità (test MTS, saggio del rilascio di LDH, valutazione della produzione di ROS, misure di permeabilizzazione di membrana, analisi di microscopia elettronica) con un’analisi dei profili di espressione genica estesa all’intero genoma di cellule esposte alle nanoparticelle. I risultati hanno mostrato come diversi tipi di cellule rispondono in modo abbastanza differente all’esposizione alle nanoparticelle e come la pegilazione influisce fortemente sui profili di citotossicità. Infatti, la pegilazione delle particelle ORMOSIL è in grado di abolire completamente la tossicità dei nanosistemi in cellule CCD-34Lu e NCIH-2347 mentre le stesse particelle pegilate inducono morte per necrosi in cellule A549, aumentandone la permeabilità di membrana. Inoltre nelle medesime cellule, concentrazioni sub-letali di nanoparticelle inducono infiammazione e alterazione dell’espressione genica. La differente risposta all’esposizione alle nanoparticelle pegilate delle cellule A549 è spiegabile considerando la peculiarità di questo tipo cellulare, e in particolare l’interazione delle particelle stesse con le cellule e il loro meccanismo d’internalizzazione. Infatti, è stato mostrato in modo chiaro che le nanoparticelle vengono internalizzate in corpi lamellari contenenti il surfattante polmonare, peculiari di cellule alveolari di tipo II, delle quali le cellule A549 rappresentano un modello in vitro. Tale accumulo delle nanoparticelle nei corpi lamellari porta alla modifica della morfologia degli stessi e una pesante alterazione della loro funzionalità.