Magnetic and fluorescent mesoporous silica nanorods towards liver theranostic uses

Abstract

En els darrers anys, les nanopartícules de sílice mesoporosa s’han estudiat àmpliament en nanomedicina com a nanovehicles amb fins diagnòstics i terapèutics. No obstant això, la major part d’aquests estudis s’han centrat en partícules esfèriques, mentre que l’efecte de la forma de les partícules en la toxicitat, la captació cel·lular i la seva biodistribució s’ha estudiat de forma més marginal. La nostra hipótesi de partida és que nanomaterials mesoporosos de sílice en forma de rods podrien presentar una elevada acumulació en el fetge i ser d’utilitat en patologies hepàtiques. En particular, pel diagnòstic i tractament precoç de la malaltia del fetge gras no alcohòlic (NAFLD, segons les seves sigles en anglès), una malaltia amb una prevalença global alta i en constant augment. En aquesta tesi, he sintetitzat i caracteritzat exhaustivament rods de sílice mesoporosa de mida ben definida i amb dues relacions d’aspecte. Els rods poden dotar-se de càrregues superficials diferents, vàries funcionalitats i tenen una potencial capacitat terapèutica. He estudiat la seva la toxicitat, captació cel·lular i biodistribució utilitzant models in vitro i in vivo. He pogut confirmar la seva aplicabilitat com a agents de contrast en dues tècniques d’imatge mèdiques i la seva alta acumulació en el fetge. La tesi comença amb una discussió de l’estat de l’art sobre l’ús de partícules de sílice mesoporosa en biomedicina i d’estudis recents sobre l’efecte de la forma de les partícules en l’efectivitat dels nanovehícles de sílice, així com de les estratègies actuals de diagnòstic i tractament de la NAFLD. La part experimental comença amb la síntesi de rods de sílice i la seva caracterització. A continuació, exploro estratègies per carregar els rods amb diferents espècies químiques, caracteritzant el material en termes d’eficiència de càrrega, estructura cristal·logràfica, composició química i propietats magnètiques. Els rods es van funcionalitzar sintetitzant nanopartícules a l’interior dels porus de la sílice. En particular, he abordat la síntesi de nanopartícules magnètiques de gamma-Fe2O3 com a agents de contrast per ressonància magnètica. Altres estratègies de funcionalització inclouen la síntesi de ceria com un potencial agent terapèutic i assajos per a la incorporació d’agents de contrast de tomografia computeritzada i ultrasonografia en els rods de sílice. També es descriu l’ús dels rods com nanomotors catalítics autopropulsats. En la part següent de la tesi, descric la funcionalització de la superfície de la sílice amb grups amina que doten els rods de càrrega superficial positiva i faciliten l’ancoratge de fluoròfors de diferents longituds d’ona d’emissió (fluorescamina i cianina 5). A aquesta part, li segueix l’anàlisi de la toxicitat, absorció i biodistribució in vitro i in vivo dels rods de sílice. La toxicitat s’avalua mitjançant estudis de viabilitat realitzats en cèl·lules hepàtiques de peix zebra i humanes, així com mitjançant estudis in vivo en larves de peix zebra i rosegadors. També s’estudia la captació dels rods per cèl·lules hepàtiques in vitro i la seva biodistribució en diferents òrgans in vivo. La tesi finalitza amb unes conclusions generals i propostes sobre possibles direccions futures d’aquest treball.

En los últimos años, las nanopartículas de sílice mesoporosa han sido ampliamente estudiadas para su uso como nanovehículos con fines diagnósticos y terapéuticos. Sin embargo, la mayor parte de estos estudios se han centrado en el uso de partículas esféricas, mientras que el efecto de la forma de las partículas sobre la toxicidad, la captación celular y la biodistribución se ha investigado de una forma más marginal. Nuestra hipótesis de partida ha sido que los nanomateriales de sílice mesoporosa con morfología en forma de rods podrían presentar una elevada acumulación en el hígado y ser de utilidad en patologías hepáticas. En particular, para el diagnóstico o tratamiento precoz de la enfermedad del hígado graso no alcohólico (NAFLD, según las siglas en inglés), una enfermedad con una alta prevalencia global y en constante aumento. En esta tesis, he sintetizado y caracterizado exhaustivamente rods de sílice mesoporosa de tamaños bien definidos y con dos relaciones de aspecto distintas. Además, los rods se han funcionalizado para obtener diferentes cargas superficiales, varias funcionalidades y una potencial capacidad terapéutica. He estudiado su toxicidad, captación celular y su biodistribución utilizando modelos in vitro e in vivo y he podido confirmar su potencial como agentes de contraste para dos técnicas de imagen, así como su alta acumulación en el hígado. La tesis comienza con una discusión del estado del arte sobre el uso de las partículas de sílice mesoporosa en biomedicina, de estudios muy recientes sobre el efecto de la forma de las partículas en el rendimiento de los nanovehículos de sílice, así como de las estrategias actuales de diagnóstico y tratamiento de la NAFLD. Después, me centro en la síntesis de rods de sílice y su caracterización. A continuación, exploro estrategias para cargar los rods de sílice con diferentes especies químicas, caracterizando el material en términos de eficiencia de carga, estructura cristalográfica, composición química y propiedades magnéticas. Para ello, los rods se funcionalizaron sintetizando nanopartículas en el interior de los poros de sílice. En particular, se aborda la síntesis de nanopartículas magnéticas de gamma-Fe2O3 como agentes de contraste de resonancia magnética. Otras estrategias de funcionalización incluyen la síntesis de ceria como un potencial agente terapéutico y ensayos respecto a la incorporación de agentes de contraste de tomografía computerizada y ultrasonografía en los rods de sílice. También se describe el uso de los rods como nanomotores catalíticos autopropulsados. En la siguiente parte de la tesis, describo la funcionalización de la superficie de sílice con grupos amina que dotan los rods de carga superficial positiva y facilitan el anclaje de fluoróforos con diferentes longitudes de onda de emisión (fluorescamina, cianina 5) para sus aplicaciones en imagen óptica. A esta parte le sigue el análisis de la toxicidad, absorción y biodistribución in vitro e in vivo de los rods de sílice. La toxicidad se evalúa mediante estudios de viabilidad realizados en células hepáticas de pez cebra y humanas, así como mediante estudios in vivo en larvas de pez cebra y roedores. También se estudia la captación de los rods por células hepáticas in vitro y su biodistribución en diferentes órganos in vivo. La tesis finaliza con las conclusiones generales y sugerencias sobre posibles direcciones de trabajo futuro.

In recent years, mesoporous silica nanoparticles have been widely studied in nanomedicine as nanocarriers for diagnostic and therapeutic purposes. However, most of the research has focused on spherical particles, whereas the effect of the particle shape on the toxicity, cell uptake and biodistribution has been marginally investigated. We hypothesize that mesoporous silica-based nanomaterials with rod-like morphology could present high liver accumulation and could be used as liver-targeting agents to treat hepatic pathologies. In particular, for the early diagnosis and treatment of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD), which has a high and ever-increasing global prevalence. In this dissertation, I synthesized and extensively characterized mesoporous silica rods of well-defined sizes and two distinct aspect ratios. The rods were endowed with different surface charges, functional imaging moieties and a potential therapeutic capability. I studied the toxicity, cell uptake and biodistribution of the rods using in vitro and in vivo models, assessed the imaging potential of the rods using two techniques and observed their high accumulation in the liver. The thesis starts by discussing the state of the art on mesoporous silica particles in biomedicine, the recent works studying the influence of particle shape on the performance of silica nanocarriers, as well as current diagnosis and treatment strategies of NAFLD. Then, I focus on the synthesis of silica rods and their characterization in terms of morphology and porosity. Next, I explore strategies to load silica rods with different chemical species and report the material characterization in terms of loading efficiency, chemical and phase composition, and magnetic properties. To this aim, the rods were functionalized by synthesizing nanoparticles inside the silica pores. In particular, the synthesis of magnetic gamma-Fe2O3 nanoparticles as MRI contrast agents is discussed. Other functionalization strategies include the synthesis of ceria as a potential therapeutic agent, and trials regarding the incorporation of computed tomography and ultrasound imaging agents into the silica rods. The use of the rods as self-propelled catalytic nanomotors is also explored. Afterwards, I report the functionalization of the silica surface with amine groups endowing the rods with positive surface charge and facilitating the anchoring of fluorophores with different emission wavelengths (fluorescamine, Cyanine5) for applications in optical imaging. This is followed by the evaluation of the in vitro and in vivo toxicity, uptake and biodistribution of silica rods. The toxicity is assessed by viability studies performed on zebrafish and human liver cells, as well as by in vivo studies on zebrafish larvae and rodents. Uptake by liver cells in vitro and biodistribution in different organs in vivo is also studied. The thesis ends with general conclusions and suggestions regarding possible directions of future work.