Design of Stimuli-Responsive Nanoplatforms for Active Targeting of Breast and Cervical Cancer Cells

Abstract

"Los nanofármacos aprobados para uso clínico en el tratamiento del cáncer encapsulan y transportan ingredientes farmacéuticos activos (APIs) utilizados en quimioterapia. Estos sistemas, con tamaños entre 1 y 100 nm, buscan mejorar la administración de APIs en el tejido tumoral aprovechando su vasculatura anormal para acumularse pasivamente. Sin embargo, se ha reportado que la dosis de APIs administrada específicamente en las células de cáncer no supera el 1%. Por lo tanto, es imperativo diseñar nanofármacos que se dirijan específicamente a las células cancerosas y potencien las propiedades terapéuticas de los APIs. Este trabajo reporta los resultados de la síntesis y caracterización de nanoestructuras diseñadas para dirigirse específicamente a las células cancerosas y aumentar su temperatura local por métodos hipertérmicos generados mediante estímulos externos. Combinando la tecnología de despliegue de fagos con acoplamiento molecular, modelamos las interacciones moleculares entre 44 péptidos y nueve proteínas de superficie celular sobreexpresadas en células HeLa de cáncer cervicouterino y células MDA-MB-231 de cáncer de mama. De este modo, seleccionamos los péptidos FKQDAWEAVDIR, TYPYNLQVRHWT y FLSGCGGTAEAT como los mejores candidatos para reconocer selectivamente las células cancerosas. Los péptidos se sintetizaron por medio de síntesis en fase sólida, se purificaron usando HPLC y sus propiedades fisicoquímicas se estudiaron mediante espectroscopia. Se sintetizaron y caracterizaron nanopartículas de oro multiramificadas (MBAuNP) con propiedades fototérmicas. Los conjugados péptido-MBAuNPs se obtuvieron mediante la reacción de adición de Michael. Para explorar su uso potencial como nanofármacos en el tratamiento del cáncer, se estudiaron ampliamente sus propiedades fisicoquímicas mediante SEM, TEM, XRD, UV-Vis, FTIR, entre otros. Paralelamente, se sintetizaron nanoestructuras núcleo-capa con propiedades superparamagnéticas, las cuales demostraron la capacidad de aumentar la temperatura de suspensiones acuosas en aproximadamente 5 °C mediante exposición a un campo magnético alterno de 35 mT. En suma, este estudio reporta las ventajas del despliegue de fagos asistido por acoplamiento molecular para seleccionar péptidos con alta afinidad a células cancerosas. También contribuye al desarrollo de conjugados péptido-nanopartícula sensibles a estímulos, así como de nanoestructuras núcleo-capa con potencial uso en el tratamiento del cáncer mediante hipertermia localizada, enfatizando la comprensión de sus propiedades fisicoquímicas a fin de garantizar su posterior aplicación como nanofármacos."

"Nanopharmaceuticals approved for clinical use encapsulate and transport active pharmaceutical ingredients (APIs) used in chemotherapy. These systems, ranging from 1 to 100 nm in size, aim to enhance the delivery of APIs in the target tissue by leveraging the abnormal tumor vasculature to passively accumulate in the tumor microenvironment. However, studies have reported that the dose of APIs delivered to the cell does not exceed 1%. Therefore, it is imperative to design nanopharmaceuticals that specifically target cancer cells and potentiate the therapeutic properties of APIs by increasing cell sensitivity. Herein, we report on the synthesis and characterization of stimuli-responsive nanoplatforms designed to target cancer cells and increase their local temperature via hyperthermal methods. Using a molecular docking-aided phage display approach, we virtually screened the molecular interactions between 44 phage-displayed peptides with overexpressed cell-surface proteins of HeLa and MDA-MB-231 cancer cells. Phage-display and molecular docking results enabled the selection of FKQDAWEAVDIR, TYPYNLQVRHWT, and FLSGCGGTAEAT as the best dodecapeptide candidates to selectively target cancer cells. Peptides were synthesized by solid-phase peptide synthesis (SPPS), purified using high-performance liquid chromatography (HPLC), and their physicochemical properties were studied using spectroscopic methods. Multibranched gold nanoparticles (MBAuNPs) exhibiting photothermal properties were synthesized and characterized. Peptide-MBAuNPs conjugates were obtained through Michael’s addition reaction, which required a meticulous Design of Experiment. To explore their potential use as nanopharmaceuticals in cancer treatment, their physicochemical properties were extensively studied using SEM, TEM, XRD, UV-Vis, IR, among others. In parallel, core-shell nanostructures with superparamagnetic properties were synthesized, demonstrating the ability to increase water suspension temperatures by approximately 5 °C under an alternating magnetic field of 35 mT. In sum, this study reports on the advantages of a molecular docking-aided phage display approach to select peptides that specifically bind cancer cells. It also contributes to the development of stimuli-responsive peptide-gold nanostar conjugates, as well as core-shell nanostructures with potential use in cancer treatment via site-specific hyperthermia, emphasizing the comprehension of the nanoplatform’s physicochemical properties to guarantee further application as nanopharmaceuticals."