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Method Article
* Estos autores han contribuido por igual
Las microgotas de decafluoropentano desarrolladas con una capa de bromuro de dimetildioctadecilamonio mostraron una estabilidad coloidal excepcional y una biointerfaz actractiva. Los DDAB-MD demostraron ser reservorios de fármacos eficientes caracterizados por una alta afinidad con las membranas plasmáticas junto con una mayor absorción y actividad antitumoral de la doxorrubicina contra el modelo 3D de cáncer de mama triple negativo humano (MDA-MB-231).
La mejora significativa de las microgotas (MD) de perfluorocarbono de cambio de fase en el vasto escenario teranóstico pasa por la optimización de la composición de las MD con respecto a la eficiencia de síntesis, la estabilidad y la capacidad de administración de fármacos. Para ello, se diseñaron MDs de decafluoropentano (DFP) estabilizados por una capa de surfactante catiónico de bromuro de dimetildioctadecilamonio (DDAB). Se obtuvo fácilmente una alta concentración de DDAB-MD en pocos segundos mediante insonación pulsada de alta potencia, lo que dio como resultado gotas de bajo tamaño polidisperso de 1 μm. El ζ potencial altamente positivo, junto con las largas cadenas de hidrocarburos saturadas de la carcasa del DDAB, son factores clave para estabilizar la gota y la carga de droga que contiene. La alta afinidad de la cubierta de DDAB con la membrana plasmática celular permite la administración de quimioterapia localizada al aumentar la concentración del fármaco en la interfaz de la célula tumoral y aumentar la absorción. Esto convertiría a los DDAB-MD en una herramienta relevante de administración de fármacos que exhibe una alta actividad antitumoral a dosis muy bajas de fármacos.
En este trabajo, se demuestra la eficacia de este enfoque para mejorar drásticamente el efecto de la doxorrubicina contra los esferoides 3D de células tumorales de mamíferos, MDA-MB-231. El uso de cultivos celulares tridimensionales (3D) desarrollados en forma de esferoides tumorales multicelulares (es decir, células densamente empaquetadas en forma esférica) tiene numerosas ventajas en comparación con los cultivos celulares 2D: además de tener el potencial de cerrar la brecha entre los estudios in vitro convencionales y las pruebas en animales, mejorará la capacidad de realizar pruebas in vitro más predictivas ensayos de cribado para el desarrollo preclínico de fármacos o evaluar el potencial de los fármacos no indicados en la etiqueta y las nuevas estrategias de co-targeting.
Los vectores de administración de fármacos capaces de garantizar una alta eficacia antitumoral y reducir los efectos secundarios son objetivos primarios, sin dejar de ser un grave desafío químico-farmacéutico 1,2. Hasta la fecha, su progreso está limitado en un primer momento por el contraste de una liberación insuficiente de fármacos in situ y un nivel crítico de toxicidad inespecífica 3,4,5. En los últimos años, se han implementado varios sistemas de administración de fármacos para mejorar la administración de agentes anticancerígenos, incluyendo liposomas, micelas poliméricas, polimerosomas 6,7,8,9,10. Estos sistemas muestran potencial para aumentar el tiempo de circulación y la selectividad de los fármacos, al tiempo que reducen la distribución y la acumulación en órganos y tejidos sanos. De todos modos, las formulaciones encapsuladas de los fármacos quimioterápicos antineoplásicos, como las antraciclinas, condujeron a una reducción significativa de la eficiencia de la internalización de los fármacos. Recientemente, los portadores micrométricos y submicrónicos que responden a estímulos, como las microburbujas11, las microgotas, las nanopartículas híbridas de oro12, los nanohidrogeles13, los andamios PLGA y las plataformas mesoporosas14, han ido ganando interés farmacológico por su gran versatilidad para dirigirse y ejercer efectos inhibidores tumorales utilizando doxorrubicina (Dox) y docetaxel. Los experimentos pioneros para convertir a estos portadores en soldados anticancerígenos eficientes para la tarea multimodal (es decir, enfoques quimioterapéuticos, fototérmicos y sinérgicos de genes) y la imagen molecular15 han allanado el camino para la nanomedicina teranóstica personalizada.
En este escenario, las microgotas de perfluorocarbono (MD) de cambio de fase se han evaluado a través de la oportunidad clave que ofrecen para conjugar la alta carga de fármacos, la versatilidad química de la cubierta de MD abordando las barreras biológicas, la estabilidad coloidal y la eficiencia de síntesis11,12. Como ventaja adicional, la ecogenicidad de los MD promovida por la vaporización acústica u óptica del núcleo de perfluorocarbono (PFC) permite obtener imágenes in situ y una eficacia terapéutica prometedora. Además, la vaporización del núcleo de MDs obtenida por la liberación de energía de haces de partículas ionizantes puede aprovecharse para el seguimiento del haz y la dosimetría de radiación.
El presente estudio tiene como objetivo desarrollar microgotas de decafluoropentano (DFP) estabilizadas por una capa multiutilizable de surfactante catiónico de bromuro de dimetildioctadecilamonio (DDAB). Los MD con cáscara DDAB cumplen con las expectativas fisicoquímicas y biológicas. Se ha demostrado que las microgotas basadas en DFP son valiosos agentes de contraste de cambio de fase para lograr MD16 de perfluorocarbono biocompatibles y estables. El gel cristalino DDAB satura las cadenas largas a temperatura fisiológica, penetrando profundamente en el núcleo hidrofóbico, estabilizando la gota y la carga del fármaco en ella. Además, el alto potencial positivo de ζ en la interfaz del agua mejora la estabilidad coloidal de los MD. El atractivo biológico de la superficie de la cáscara del DDAB radica en la capacidad de causar la muerte de bacterias y hongos, en concentraciones que apenas afectan a las células de mamíferos, y de unirse a las membranas plasmáticas, proteínas antigénicas cargadas negativamente, nucleótidos, ADN o nanopartículas. Las características antes mencionadas pueden ser explotadas para generar una notable acción inmunoadyuvante, de terapia génica y antitumoral dentro de las células de mamíferos17.
Los DDAB-MD cargados con dox (Dox@DDAB-MD) descritos en este documento promueven la liberación del fármaco contra las células de cáncer de mama triple negativo altamente agresivas, invasivas y poco diferenciadas. A continuación se describe un protocolo simple y rápido basado en la insonación de sondas de alta potencia para obtener DDAB-MDs estables y de alta densidad con una distribución de tamaño estrecha con una alta eficiencia de carga de Dox en una formulación de un solo paso. Tales características son competitivas incluso para otros métodos de preparación como los dispositivos microfluídicos y los homogeneizadores de alto cizallamiento16.
El otro gran problema limitante en el diseño de vectores eficientes de administración de fármacos es que la actividad de un fármaco es una función de varios parámetros (por ejemplo, absorción, distribución, concentraciones) que se pueden obtener en un objetivo biológico real, que no pueden ser considerados por modelos de células monocapa18. Por esta razón, la historia del desarrollo de nuevas formulaciones antitumorales está salpicada de estudios in vitro que, lamentablemente, han resultado ineficaces ya a nivel de modelos preclínicos en animales19.
En particular, la necesidad de pasar de los cultivos celulares a un sistema más complejo y fiable que los estudios in vivo y ex vivo está vinculada a las limitaciones inherentes a los estudios farmacológicos sobre cultivos 2D. En este contexto, se incluyen los sistemas 3D in vitro, como esferoides, organoides, organ-on-chip, que simulan la morfología, actividad y respuesta fisiológica de estructuras más complejas que las monocapas2D 20 20. En un punto de vista preclínico, los modelos celulares 3D que imitan el microambiente celular ofrecen la posibilidad de comprender mejor la biología compleja en un marco fisiológicamente más pertinente en el que los cultivos monocapa tradicionales no son efectivos21,22.
Tras demostrar que los DDAB-MDs pueden interactuar con la membrana celular de las células de cáncer de mama humano, favoreciendo la internalización de fármacos y la muerte celular a concentraciones muy bajas (nanomolares) de Dox, se ha probado la eficacia de dicha metodología frente a esferoides 3D de células tumorales de mamíferos, MDA-MB-231.
NOTA: Todos los reactivos e instrumentos se enumeran en la Tabla de Materiales.
1. Fabricación y caracterización de microgotas
2. Fabricación de esferoides en sustratos no adhesivos micromoldeados
3. Tratamiento con esferoides
4. Caracterización del tamaño y morfología de los esferoides
5. Ensayo de proliferación/viabilidad: microscopía de fluorescencia con tinción de células vivas
NOTA: Siga las instrucciones para la fabricación de esferoides hasta el paso 2.2.5.
6. Análisis y adquisición de imágenes
7. Análisis de datos de esferoides
Dox@DDAB-MD se desarrollaron de acuerdo con el protocolo (Sección 1) como se describe esquemáticamente en la Figura 1. Los MD obtenidos están hechos de una monocapa de DDAB que encapsula el núcleo DFP (Figura 1A). La carga catiónica del DDAB y el procedimiento de sonicación evitan la formación de capas multilaminares de DDAB apiladas en la interfaz DFP y agua23.
Para mejorar la eficacia de las antraciclinas como fármacos antitumorales, en este trabajo se presenta la formación de gotas de PFC con cáscara de DDAB que encapsulan el fármaco quimioterapéutico doxorrubicina (Dox) y el efecto de dicha formulación interactuando con las células de cáncer de mama triple negativo de alta agresividad, MDA-MB-231.
Construcción de DOX@DDAB-MD
Los MD cargados con dox se han formulado por el método de in...
Conflicto de intereses: Los autores declaran no tener conflictos de intereses.
Derechos humanos/animales: Este artículo no contiene ningún estudio con sujetos humanos o animales realizado por ninguno de los autores.
Este trabajo ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención AMPHORA (766456).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
µ-Petri dish | Ibidi | 81156 | 35mm high, IbiTreat |
1,1,1,2,3,4,4,5,5,5-Decafluoropentane | Sigma-Aldrich | 138495-42-8 | b.p. 55°C |
12-well culture plate | Corning | ||
15 ml centrifuge tube | Falcon | 89039-664 | |
3D-Petri dishes 12:256 | Microtissues (Sigma-Aldrich) | Z764000-6EA | Small |
3D-Petri dishes 12:81 | Microtissues (Sigma-Aldrich) | Z764019-6EA | Large |
5%CO2 culture incubator, 37°C | Thermo Scienific | HERAcell 150i | |
50 ml centrifuge tube | Falcon | 352070 | |
Biological safety cabinet, II level | |||
Calcein | Sigma-Aldrich | ||
Calcein-AM | Sigma-Aldrich | 148504-34-1 | 4mM stock solution in DMSO |
cam sCMOS Andor Zyla 4.2 | Andor Instruments | ||
Centrifuge Hettich Universal 320R | Hettich Lab. Technology | ||
DAPI | SIgma-Aldrich | ||
Dimethyldioctadecylammonium bromide powder | Sigma-Aldrich | 3700-67-2 | |
DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Medium) | Corning | 15-013-CV | |
Doxorubicin hydrochloride | Sigma-Aldrich | 25316-40-9 | |
DPBS (Dulbecco's Modified PBS) | Corning | 21-030-CV | pH 7,4 |
Ethanol 70% | Sigma-Aldrich | ||
EZ-C1 digital ecliplse | Nikon Instruments | Silver version 3.91 | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Corning | 35-079-CV | |
Goniometer BI-200SM | Brookhaven Instruments Corporations | ||
Laser Ar+ | Spectra Physics | ||
Laser He-Ne | Melles-Griot | ||
L-Glutammine | Corning | 25-005-CI | |
Mcroscope Nikon Eclipse Ti | Nikon Instruments | ||
MDA-MB 231 cell line | ATCC | ||
Microsoft Excel | Microsoft | ||
Microplates reader Spark | Tecan group | ||
NanoZetaSizer ZS | Malvern Instruments LTD | ||
Neubauer improved chamber | 718605 | ||
NIS Elements software | Nikon Instruments | AR 4.30 | |
Pen/Strepto | Corning | 30-002-CI | |
Photocorrelator BI-9000 AT | Brookhaven Instruments Corporations | 62927-1 | |
Photometer HC120 | Brookhaven Instruments Corporations | N° 1275 | |
Pipettors and tips, various size | Gilson | ||
Propidium Iodide | SIgma-Aldrich | ||
Serological pipets, various size | Corning | ||
Solid-state laser | Suwtech Laser | N° 22368 | |
T25 Flasks | Sarstedt | 83.3910.002 | |
T75 Flasks | Sarstedt | 83.3911.002 | |
Trypsin/EDTA 0.05% | EuroClone | ECB3052D | |
Vibra-Cell VCX-400 | Sonics & Materials, inc | ||
Water bath | 37°C |
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