Thermoresponsive nanoparticles with tunable UCST for controlled drug delivery in hyperthermia cancer treatment

Thermoresponsive polymers represent a promising class of materials for the formulation of innovative nanocarriers in nanomedicine. In particular, the synthesis of polymeric nanoparticles (NPs) with tunable Upper Critical Solution Temperature (UCST) is attractive for controlled drug delivery in tumoral thermotherapies. Hyperthermic intraperitoneal chemotherapy (HIPEC) is a promising treatment for patients with peritoneal metastasis of ovarian cancer. However, although hyperthermia should improve anti-cancer drug absorption while increasing the susceptibility of cancer cells, the controlled delivery of chemotherapeutics in a precise manner minimizes the benefits and can promote side-effects. In addition, further drawbacks occur when the synergistic effects of hyperthermia and antineoplastic agents is drastically reduced due to the activation of the cell thermotolerance, that is the ability of tumor cells to protect themselves from high temperatures. In this case, the therapeutic benefits are even more restricted. In this work, we propose the synthesis of zwitterionic thermoresponsive biodegradable copolymers via reversible addition–fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization and their use in self-assembling process to form UCST-type NPs. By changing the length and the composition of the macromonomers it was possible to control the value of the UCST, producing nanocarriers capable of drug release in desired hyperthermic conditions only. We validated the NPs as drug delivery platforms for ovarian cancer treatment, a representative critical scenario characterized by cell thermotolerance up to 43°C: Paclitaxel-loaded NPs were administered to a cancer cell line (SKOV3) resistant to 43°C hyperthermia and an in vitro evaluation of the cell metabolic activity was performed, demonstrating the potential of the developed nanocarrier as hyperthermia-mediated intracellular drug release system. Furthermore, superparamagnetic iron oxide nanoclusters, produced via thermal decomposition, were encapsulated in the validated NPs formulation via Flash Nanoprecipitation (FNP), in order to provide an alternative method to generate hyperthermia conditions, based on the activation of an external magnetic field, instead of the conventional heating process (which is more dissipative in a potential application). The resulting hybrid nanosystem performed a controlled drug release of PTX, under magnetic hyperthermia, suggesting the potential of an alternative new nanoplatform for therapeutic aims.

I polimeri termoresponsivi rappresentano una classe di materiali promettente per la formulazione di nanovettori innovativi in nanomedicina. In particolare, la sintesi di nanoparticelle polimeriche (NPs) con temperatura critica superiore di solubilità (UCST) regolabile è interessante per la somministrazione controllata di farmaci nelle termoterapie tumorali. La chemioterapia intraperitoneale ipertermica (HIPEC) è un trattamento promettente per i pazienti con metastasi peritoneali di cancro ovarico. Tuttavia, sebbene l’ipertermia dovrebbe migliorare l’assorbimento dei farmaci antitumorali aumentando al tempo stesso la suscettibilità delle cellule tumorali, la somministrazione controllata di chemioterapici in modo preciso minimizza i benefici e può promuovere effetti collaterali. Inoltre, ulteriori inconvenienti si verificano quando l'effetto sinergico dell'ipertermia e degli agenti antineoplastici viene drasticamente ridotto a causa dell'attivazione della termotolleranza cellulare, cioè della capacità delle cellule tumorali di proteggersi dalle alte temperature. In questo caso i benefici terapeutici sono ancora più limitati. In questo lavoro, proponiamo la sintesi di copolimeri biodegradabili termoreattivi zwitterionici tramite polimerizzazione reversibile di addizione-frammentazione tramite trasferimento di catena (RAFT) e il loro utilizzo nel processo di autoassemblaggio per formare NPs che presentano UCST. Modificando la lunghezza e la composizione dei macromonomeri è stato possibile controllare il valore dell'UCST, producendo nanovettori capaci di rilasciare il farmaco solo nelle condizioni ipertermiche desiderate. Abbiamo convalidato le NP come piattaforme di somministrazione di farmaci per il trattamento del cancro ovarico, uno scenario critico rappresentativo caratterizzato da termotolleranza cellulare fino a 43°C: le NPs caricate con Paclitaxel sono state somministrate a una linea cellulare tumorale (SKOV3) resistente all'ipertermia a 43°C ed è stata eseguita una valutazione in vitro dell'attività metabolica cellulare, dimostrando il potenziale del nanovettore sviluppato come sistema di rilascio intracellulare di farmaci mediato dall'ipertermia. Inoltre, dei nanocluster di ossido di ferro superparamagnetici, prodotti tramite decomposizione termica, sono stati incapsulati nella formulazione validata di NPs tramite nanoprecipitazione rapida (FNP), al fine di fornire un metodo alternativo per generare condizioni di ipertermia, basato sull'attivazione di un campo magnetico esterno, invece di utilizzare il processo di riscaldamento convenzionale (che è più dissipativo in una potenziale applicazione). Il nanosistema ibrido risultante ha eseguito un rilascio controllato del farmaco di PTX, sotto ipertermia magnetica, suggerendo il potenziale di una nuova nanopiattaforma alternativa per scopi terapeutici.