Development of controlled drug delivery systems for the treatment of glioblastoma

Abstract

Glioblastoma (GBM) is the most common malignant primary brain tumor, accounting for approximately 14.5% of all diagnosed central nervous system tumors. The current standard treatment has remained almost unchanged since 2005, consisting of surgical resection followed by a co-adjuvant treatment of radiotherapy and administration of the alkylating agent temozolomide (TMZ). However, its highly invasive profile, the intra- and inter-heterogeneity, and the existence of the blood-brain barrier (BBB) are some of the reasons for the limited progress in the development of new and effective GBM treatments. Nanocarriers, particularly liposomes, have demonstrated the potential to improve the biodistribution and safety of the delivery of chemotherapeutic agents for cancer treatment. Thus, the aim of this thesis is the development of new drug delivery systems that could effectively target and eliminate GBM cells. Liposomes with different compositions and carrying distinct therapeutic agents were synthesized using thin-film hydration followed by extrusion or microfluidic methodologies. The liposome formulations were characterized regarding their physicochemical properties (e.g., size, distribution, zeta potential, morphology) and their effectiveness against GBM cells. In this thesis, we showed a novel chalcone derivative entrapped in liposomes, which was able to promote cell cycle arrest in GBM cells, leading to their death. Moreover, two distinct biomimetic liposomes were explored regarding their anti-GBM effectiveness. Liposomes loaded with doxorubicin were infused with cell membranes from two macrophage phenotypes. We demonstrated that the liposomes derived from anti-inflammatory-associated macrophages (M2) were more effective in the targeting and triggering of GBM cell death. Additionally, we revealed that liposomes functionalized with GBM secretomes were quickly internalized by GBM cells and could efficiently reduce their proliferative properties. Finally, we also synthesized liposomes with docosahexaenoic acid (DHA) in their composition. The employed microfluidic platform allowed for a fine tuning of the size of DHA liposomes that were able to trigger apoptotic pathways and kill GBM cells. These liposomes were also able to significantly reduce the expression of inflammatory-associated genes and the secretion of pro-inflammatory cytokines by GBM cells and macrophages. Thus, it was demonstrated their potential in the regulation of the pro-inflammatory milieu of the tumor microenvironment that supports tumor growth and progression. Overall, the research conducted under this thesis showed the effectiveness of liposomes against GBM cells and opened new avenues for exploiting these drug delivery systems in GBM therapy.

O glioblastoma (GBM) é o tumor cerebral maligno primário com maior incidência, representando cerca de 14.5% de todos os tumores diagnosticados no sistema nervoso central. O tratamento atual que permanece inlaterado desde 2005, consiste na máxima ressecção cirúrgica do tumor, seguido de um tratamento de radioterapia e quimioterapia. No entanto, devido ao seu perfil altamente invasivo, à heterogeneidade na composição e perfil do tumor entre pacientes, e à existência de uma barreira hematoencefálica, o progresso no desenvolvimento de novos tratamentos é bastante limitado. As nanopartículas, em particular os lipossomas, têm demonstrado um grande potencial no aumento da distribuição de agentes quimioterapêuticos bem como na diminuição dos efeitos secundários em tratamentos contra o cancro. O objetivo desta tese é o desenvolvimento de novos nanosistemas para a entrega eficaz de fármacos que eliminem as células carcinogénicas do GBM. Lipossomas com diferentes constituições e com diferentes agentes terapêuticos foram sintetizados através de técnicas como hidratação do filme lipídico seguida de extrusão e microfluídica. Os lipossomas produzidos foram caracterizados no que diz respeito às suas propriedades físico-químicas e na sua eficácia contra o GBM. Nesta tese, nós verificamos que um derivado de chalconas transportado por lipossomas, foi eficaz na paragem da replicação de células tumorais levando à sua morte. Além disso, demonstrou-se que dois tipos de lipossomas biomiméticos que transportavam doxorrubicina eram eficazes contra GBM. Os lipossomas produzidos com as membranas celulares de macrófagos, particularmente os lipossomas produzidos usando macrófagos com um perfil anti-inflamatório (M2), promoveram a morte de células de GBM. Foi ainda demonstrado que lipossomas funcionalizados com o secretoma de células de GBM são rapidamente internalizados por células de GBM reduzindo a sua capacidade proliferativa. Noutro estudo, uma plataforma de microfluídica foi utilizada para a produção de novos lipossomas contendo ácido docosa-hexaenóico (DHA), permitindo um controlo preciso do seu tamanho. Estes lipossomas desencadearam a ativação das vias de sinalização apoptóticas levando a uma morte celular controlada das células tumorais. Além disso, estes lipossomas diminuiram significativamente a expressão de genes associados com inflamação e a libertação de citocinas inflamatórias em células tumorais e macrófagos. Desta forma, demonstramos que os lipossomas têm um grande potencial para regular as propriedades inflamatórias do microambiente tumoral, que suporta a progressão e o crescimento dos tumores. Resumindo, a investigação realizada nesta tese demonstra a eficácia dos lipossomas e abre novas oportunidades para a exploração destes sistemas de transporte de fármacos no tratamento contra GBM.