Bioactividad intrínseca de nanopartículas magnéticas recubiertas con poli-etilénimina sobre células tumorales pancreáticas y del sistema fagocítico mononuclear
Author
Mulens-Arias, VladimirAdvisor
Barber Castaño, Domingo F.Entity
UAM. Departamento de Biología Molecular; CSIC. Centro Nacional de Biotecnología (CNB)Date
2015-06-12Subjects
Nanopartículas - Propiedades magnéticas - Tesis doctorales; Páncreas - Cáncer - Tratamiento - Tesis doctorales; Nanomedicina - Tesis doctorales; Biología y Biomedicina / BiologíaNote
Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Biología Molecular. Fecha de lectura: 12-06-2015Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.
Abstract
La nanotecnología ha significado un considerable salto para aplicaciones biomédicas, debido a las propiedades químico‐ físicas intrínsecas de los biomateriales, y a la posibilidad de modificarlos de acuerdo a los intereses terapéuticos y diagnósticos específicos. Particularmente, las nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro (SPION) son ampliamente explotadas por sus propiedades magnéticas, no solo en estrategias diagnósticos como agentes de contraste, sino también, como nanotransportadores de drogas. La posibilidad de concentrar estas nanopartículas en el sitio de interés mediante la aplicación de campo magnético externo aporta otra vía para disminuir los efectos secundarios sistémicos de muchas de las actuales drogas anti‐tumorales. Entre las terapias anti-tumorales en las que se han utilizado las nanopartículas está la terapia génica. Para funcionalizar las nanopartículas para transportar ADN/ARN, se han desarrollado diferentes polímeros catiónicos con la capacidad de conjugar ADN y/o ARN, garantizando su estabilidad química y funcional ante las diferentes condiciones fisiológicas (torrente sanguíneo, microambiente tumoral, compartimento endosomal, etc.). Sin embargo, un aspecto importante es la interacción de las propias nanopartículas magnéticas con diferentes sistemas celular como el sistema fagocítico mononuclear, células endoteliales, fibroblastos, y las propias células tumorales, que eventualmente podría definir la eficacia del tratamiento. En este trabajo, estudiamos la interacción de SPION recubiertas con polietilenimina (PEI) desnudas con macrófagos, fibroblastos, células endoteliales, y células tumorales murinas de páncreas. Demostramos que, además de poseer la capacidad de transfectar eficientemente (células HEK293), las SPIONs recubiertas con PEI inhiben la migración e invasión de las células tumorales murinas pancreáticas a través de la disminución de invadosomas y metaloproteinasas, MT1-MMP y MMP2, así como, probablemente, mediante la modulación de la ruta dependiente de microARN-21. Igualmente, estudiamos el efecto biológico que esta nanopartículas tienen sobre células endoteliales y fibroblastos, en los que induce la expresión de genes vinculados con procesos biológicos como la angiogénesis y respuesta inmune, así como inhiben la migración de las células endoteliales. Finalmente, demostramos que las SPIONs activan los macrófagos hacia un fenotipo M1 y modulan la dinámica de formación de podosomas. Además, inhiben la degradación de matriz extracelular por los macrófagos a través de la expresión de inhibidores de metaloproteinasas y la modulación de MMP2. En resumen, estos resultados demuestran que las SPIONs recubiertas con PEI no solo son un agente transfectante, sino también, poseen en sí mismas propiedades anti-metastásica y adyuvantes independientes de la capacidad de transfección, lo que sugiere su uso en estrategias anti-tumorales e inmunoterapéuticas Nanotechnology has meant a considerable jump for biomedical applications, due to the
intrinsic chemical and physical properties of biomaterials, and the possibility to modify
them for specific diagnostic and therapeutic interest. Particularly, the superparamagnetic
iron oxide nanoparticles (SPION) are widely exploited for their magnetic properties, not
only in diagnostic strategies as contrast agents, but also as drug nanocarriers. The ability
to concentrate these nanoparticles at the site of interest by applying external magnetic
field provides another way to reduce systemic side effects of current anti-tumor drugs.
Gene therapy is among the anti-tumor therapies in which the nanoparticles have been
used. In this sense, different cationic polymers have been developed with the ability to
package DNA and / or RNA, thereby preserving their chemical and functional stability in
different physiological conditions (bloodstream, tumor microenvironment, endosomal
compartment, etc.). However, an important consideration is the interaction of the
magnetic nanoparticles themselves with cellular systems, e.g. the mononuclear phagocyte
system, endothelial cells, fibroblasts and the tumor cells themselves, which could
eventually influence the efficacy of treatment.
In this study, we analyzed the interaction of naked polyethyleneimine (PEI)-coated
SPIONs with macrophages, fibroblasts, endothelial cells, and murine pancreatic tumor
cells. We showed that, besides having the ability to efficiently transfect (HEK293 cells),
PEI-coated SPIONs inhibit migration and invasion of murine pancreatic tumor cells by
decreasing invadosomas and metalloproteinases MT1-MMP and MMP2 and, likely by
modulating the microRNA-21-dependent pathways. Also we studied the biological
effects on endothelial cells and fibroblasts, where they induce the expression of genes
linked to biological processes, e.g. angiogenesis and immune response, and inhibit
migration of endothelial cells. Finally, we showed that PEI-coated SPIONs activate
macrophages (M1 like phenotype) and modulate podosome dynamics. Also, they
inhibited the degradation of extracellular matrix by macrophages through the
metalloproteinase expression inhibition (MMP2) and induction of metalloproteinase
inhibitors. In summary, these results demonstrate that the PEI-coated SPIONs are not
only are able to efficiently transfect cells, but also exert potential anti-metastatic and
adjuvant properties themselves, independently of transfection capacity, suggesting their
use in anti-tumor and immunotherapeutic strategies
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