Desenvolvimento de partículas de silica mesoporosas revestidas com polissacarídeos para transporte de proteína

Abstract

O cancro é considerado a segunda maior causa de mortalidade na Europa, sendo que anualmente, emergem cerca de 3,7 milhões de novos casos, associados a 1,9 milhões de mortes anuais. Independentemente da variedade de tratamentos que existem atualmente, há vários problemas relacionados com a sua seletividade ao afetar as células saudáveis e capacidade de contornar barreiras biológicas criadas pelo fígado, pelos rins e pelo sistema imunitário para conseguir uma administração de fármaco eficaz. Assim sendo, existe uma necessidade de melhoria destes tratamentos ou desenvolvimento de novos tratamentos que possam resolver estes problemas. Surge assim o objetivo deste trabalho, que consiste no desenvolvimento de partículas de sílica mesoporosas biodegradáveis revestidas com polissacarídeos para imobilização de proteína de modo a permitir a entrega específica de proteína recombinante com ação antitumoral. Este trabalho insere-se num projeto que tem como objetivo final o transporte de uma proteína recombinante, interferão $\alpha$-2b, para aplicação numa estratégia antitumoral de imunoterapia do cancro. Neste trabalho, foram testados dois polissacarídeos como revestimento das partículas de sílica: ácido hialurónico e pectina. O revestimento foi conseguido através do uso de um agente ligante. Após a seleção inicial de agente ligante, glioxal, não conseguir revestir as partículas devido à ligação Si-O-C formada ser instável, o revestimento foi conseguido com sucesso através do agente ligante (3-glicidoxilpropil)trimetoxisilano. Foram variadas as condições de reação, tais como, a quantidade de polissacarídeo, a aplicação de sonicação antes das reações e as condições de lavagem. As partículas revestidas foram caracterizadas por FTIR, STEM, DLS, potencial zeta e espectroscopia UV-VIS. A quantificação do revestimento foi realizada através do teste de fenol-ácido sulfúrico, sendo o revestimento de ácido hialurónico de 103,43 mg / g de partícula e de pectina de 96,56 mg / g de partícula. Os polissacarídeos reagiram provavelmente pelos seus grupos hidroxilo livres, sendo que revestiram sensivelmente o mesmo. Algo inesperado foi a diminuição do tamanho das partículas com revestimento 123 nm para as partículas revestidas com ácido hialurónico e 105 nm para as revestidas com pectina) e a sua morfologia totalmente irregular face às partículas não revestidas (esféricas e de 151 nm). Supõe-se que esta diminuição de tamanho é devido às ligações tetrasulfeto sofrerem hidrólise em condições alcalinas levando a um aparente possível colapso dos poros das partículas.A proteína selecionada para o estudo de adsorção de proteína na partícula revestida foi a proteína Albumina Sérica Bovina (BSA). Foram testados vários procedimentos, variando a concentração de proteína, a aplicação de sonicação antes da adsorção e o tipo de solvente. A adsorção de BSA foi superior em todas as partículas não modificadas em comparação às revestidas. Isto deve-se provavelmente às partículas serem mesoporosas, proporcionando uma maior área superficial para a adsorção de proteína. As partículas revestidas por pectina adsorveram menor quantidade de BSA. Tanto os polissacarídeos como a proteína utilizados apresentam carga negativa levando a interações eletrostáticas repulsivas entre estes, no entanto estas não são as únicas interações a considerar. De tal modo que se observou que a adsorção de BSA pelas partículas revestidas por ácido hialurónico e pectina são significativas, confirmando a contribuição de forças atrativas de van der Waals entre a proteína e o revestimento. No caso das partículas revestidas por pectina as forças de van der Waals são menores que nas revestidas por ácido hialurónico. Seria de esperar que as partículas sonicadas obtivessem uma maior adsorção de BSA em água em comparação com as não sonicadas, devido a uma maior área superficial em contacto com a proteína. No entanto a sua adsorção foi menor, indicando que a aplicação de sonicação parece inflluenciar as interações entre a proteína e as partículas, resultando numa diminuição da adsorção de BSA. A adsorção de BSA em PBS das partículas sonicadas foi superior para os três tipos de partículas. Isto pode ser devido ao PBS proporcionar uma maior estabilidade à proteína, consequentemente permitindo uma maior adsorção.

Cancer is considered the second largest mortality cause in Europe as about 3.7 millions of new cases, associated to 1.9 million deaths, emerge every year. Even with the large variety of treatments that exist today, there are still several problems related to their selectivity, as they tend to also affect healthy cells, and their capacity to overcome the biological barriers created by the liver, kidneys and the immune system in order to effectively administer the required pharmaceuticals. This leads to the need exists for the improvement of existing treatments or the development of better treatments that are able to resolve these issues. As such, the goal of this work involves the development of biodegradable mesoporous silica particles coated with polysaccharides for protein immobilization as to allow the specific delivery of recombinant protein with anti-tumorous properties. This work is part of a larger project that has as final objective the transport of a recombinant protein, interferon $\alpha$-2b, to achieve an anti-tumorous strategy for cancer immunotherapy.In this work, two polysaccharides were tested as coating for silica particles: hyaluronic acid and pectin. The coating was achieved through the use of a binder. After the initially selected binder agent, glyoxal, failed to coat the particles because the formed Si-O-C bond was unstable, coating was successfully achieved through the binder (3-glycidoxypropyl) trimethoxysilane. The reaction conditions varied, such as the amount of polysaccharide, the application of sonication before the reactions and the washing conditions. The coated particles were characterized by FTIR, STEM, DLS, zeta potential and UV-VIS spectroscopy. The coating quantification was performed by the phenol-sulfuric acid test, with the hyaluronic acid coating being 103.43 mg / g particle and pectin being 96.56 mg / g particle. The polysaccharides probably reacted by their free hydroxyl groups, and the same amount of coating was achieved. However, the decrease in the size of the coated particles was unexpected (123 nm for the particles coated with hyaluronic acid and 105 nm for those coated with pectin) and their totally irregular morphology when compared with uncoated particles (spherical and 151 nm). It is assumed that this decrease in size is due to the tetrasulfide bonds undergoing hydrolysis under alkaline conditions leading to an apparent possible collapse of the pores of the particles.The protein selected for the protein adsorption study on the coated particle was the Bovine Serum Albumin (BSA) protein. Several procedures were tested, by varying the protein concentration, the application sonication before the adsorption, and the type of solvent. The adsorption of BSA was higher in all unmodified particles compared to the coated ones. This is probably due to the particles being mesoporous, providing a larger surface area for protein adsorption. The pectin coated particles adsorbed the lowest amount of BSA. Both the polysaccharides and the protein used have a negative charge leading to repulsive electrostatic interactions between them, however these are not the only interactions to consider. Thus, it was observed that the adsorption of BSA by the particles coated with hyaluronic acid and pectin are significant, confirming the contribution of attractive van der Waals forces between the protein and the coating. In the case of the pectin-coated particles, the van der Waals forces are smaller than those coated with hyaluronic acid. It would be expected that the sonicated particles would obtain a higher adsorption rate of BSA in water compared to the non-sonicated ones due to a larger area surface in contact with the protein. However, its adsorption was lower, indicating that the sonication application seems to influence the interactions between the protein and the particles, resulting in a decrease in BSA adsorption. The adsorption of BSA in PBS from the sonicated particles was higher for the three types of particles. This may be due to the PBS providing greater stability to the protein, consequently allowing for greater adsorption.