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Dynamics of nanoparticles in 3D tumor models

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Universitat de Barcelona. Facultat de Física

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[eng] In the last decades, great research effort was focused towards designing nanocarriers for cancer therapy. However, nanoparticle translation from basic research to the clininc has proven to be a challenging task, with only a few successful nanomedicines reaching the clininc. One of the reasons for the poor outcome is that preclinical tests are often not representative for the in vivo environment, which comprises of several complex barriers. One of the barriers which is often overlooked is the extracellular matrix of the tumor tissue. The extracellular matrix can trap or destabilize nanocarriers not only through size filtration, but also through hydrophobic and electrostatic interactions of both positively and negatively charged surface moieties of the nanocarrier. In order to improve the nanocarrier design process, we propose a simple microfluidic chip as a model for the tumor tissue barrier, containing two types of extracellular matrix and breast cancer MCF7 spheroids. The chip is designed for testing nanocarrier penetration through ECM and cellular uptake in a 3D setting. Together with smart fluorescence reporter techniques, the chip is an important tool to assess the stability and interactions of the nanocarriers in different parts of the tumor tissue barrier, while remaining a simple and easily replicable model. In this work, we focus on two types of polymeric nanocarriers with great potential as drug delivery systems: polymeric micelles and single chain polymeric nanoparticles. Both are self-assembly or self-folding structures containing a hydrophobic pocket which can be used for encapsulating lipophilic drugs. We compared a set of enzymatically degradable polymeric micelles containing three widely-used hydrophilic polymers, poly (ethylene glycol) (PEG), poly (2-ethyl oxazoline) and poly (acrylic acid) – and two types of dendritic hydrophobic core. Using a coumarin fluorescent tag as reporter mechanism for micelle assembly state, we went from a basic testing of their interaction in biological media, with serum albumin and 2D cell cultures, to a more ample assessment of their behavior when encountering the tumor tissue barrier using the dual-ECM microfluidic chip. We observed similar behaviors of PEtOx and PEG, while the PAA micelles were more unstable and showed both increased ECM interaction and higher cellular uptake. Overall, we highlight the importance of the choice of hydrophilic moiety in nanocarrier design. In the case of single chain polymeric nanoparticles, we compared a small library differing in hydrophobic, hydrophilic, and charged moieties, using covalently-bound Nile Red as a spectrally responsive reporter of SCPNs’ folding state. We assessed the interactions and mobility inside the dual-ECM microfluidic chip. While the chosen SCPNs were very stable while passing through ECM, they showed very different spheroid uptake behaviors, with the more charged and hydrophilic formulations having the highest uptake. All in all, the thesis showcases the testing of nanocarrier stability in biological media, followed by the use of a simple microfluidic platform combined with smart fluorescence reporters for assessing nanocarrier stability, ECM interactions and uptake in cellular spheroids, being important aids in the rational design of nanocarriers for drug delivery by shortening the feedback loop between formulation and testing.

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[spa] En las últimas décadas, la comunidad científica ha puesto un gran esfuerzo en el desarrollo de nanopartículas para el tratamiento contra el cáncer. La translación de nanopartículas desde el laboratorio hasta el uso clínico ha presentado un gran desafío, siendo pocos los nanofármacos los que han mostrado respuestas satisfactorias. Un motivo importante es que las pruebas preclínicas no tienen en cuenta las complejas barreras que deben cruzar las nanopartículas para llegar a la zona tumoral. Una de las barreras menos representada es la matriz extracelular del tejido canceroso (MEC). La matriz extracelular puede atrapar o desestabilizar las nanopartículas, no solamente filtrándolas e impidiendo su paso, pero también a través de interacciones hidrofobicas y electrostáticas de los elementos superficiales del nanoportador con carga positiva y negativa. Para mejorar el proceso de diseño de nanopartículas, proponemos el uso de un chip microfluídico simple como modelo para la barrera del tejido tumoral, conteniendo dos tipos de matrices extracelulares y esferoides de cáncer de mama MCF7. El chip es diseñado para testar la penetración de nanopartículas a través de la MEC y dentro de las células en un entorno 3D. Junto con diferentes técnicas de fluorescencia inteligentes, el chip supondría una herramienta importante para probar la estabilidad y las interacciones de las nanopartículas en diferentes partes de la barrera, siendo al mismo tiempo un modelo fácilmente replicable. En esta tesis, nos centramos en dos tipos de nanopartículas poliméricas con mucho potencial como sistemas de administración de fármacos: micelas poliméricas y nanopartículas poliméricas de cadena sencilla (SCPNs). Ambas son estructuras autoensamblables o autoplegables que contienen un bolsillo hidrofóbico que puede usarse para encapsular fármacos lipofílicos. Comparamos un conjunto de micelas poliméricas degradables enzimáticamente que contienen tres polímeros hidrofílicos utilizados ampliamente: poli(etilenglicol) (PEG), poli(2-etil oxazolina) (PEtOx) y poli (ácido acrílico) (PAA), y dos tipos de núcleos hidrofóbicos dendríticos. Usando una etiqueta fluorescente de cumarina como mecanismo informador del estado de ensamblaje de las micelas, pasamos de una prueba básica de su interacción en medios biológicos, con albúmina sérica y cultivos celulares 2D, a una evaluación más amplia de su comportamiento al encontrarse con la barrera del tejido tumoral usando el chip microfluídico. Observamos comportamientos similares de PEtOx y PEG, mientras que las micelas de PAA eran más inestables y mostraban una mayor interacción con MEC y una mayor captación celular. En general, destacamos la importancia de la elección del resto hidrofílico en el diseño de nanopartículas. En el caso de las nanopartículas poliméricas de una sola cadena, comparamos una pequeña biblioteca que difiere en los restos hidrofóbicos, hidrofílicos y cargados, utilizando Nile Red como informador espectralmente sensible del estado de plegamiento de las SCPNs. Hemos evaluado las interacciones y la movilidad dentro del chip microfluídico. Los SCPNs elegidos fueron muy estables al pasar por MEC, pero mostraron comportamientos muy diferentes en la absorción dentro del esferoide, donde las formulaciones más cargadas e hidrofílicas tuvieron la mayor absorción. En resumen, la tesis muestra la prueba de la interacción de nanopartículas en medios biológicos, seguida por el uso de una plataforma microfluídica simple combinado con técnicas de fluorescencia inteligentes para probar tanto la estabilidad y la penetración de nanopartículas en la MEC como la internalización de estas en esferoides celulares, siendo unas ayudas importantes en el diseño racional de nanopartículas para el transporte de fármacos, acortando el ciclo de prueba-error entre la formulación y la prueba.

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Dynamics of nanoparticles in 3D tumor models