Development of Lignin-based Nanoparticles for Cancer Therapy

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6093-5
Title: Development of Lignin-based Nanoparticles for Cancer Therapy
Author: Figueiredo, Patrícia
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy, Division of Pharmaceutical Chemistry and Technology
Doctoral Programme in Drug Research
Date: 2020-07-24
Belongs to series: URN:ISSN:2342-3161
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6093-5
http://hdl.handle.net/10138/317018
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Lignin is part of the lignocellulosic biomass and represents the second most abundant biopolymer after cellulose. However, only about 2% of the annually isolated lignin is used for low-value applications, mainly due to its complex structure. The fabrication of lignin nanoparticles offers a structural and morphological control of the lignin polymer, which enables lignin to be used for high-value products in biomedical applications like drug delivery and tissue engineering. Therefore, the main aim of this thesis was to exploit the potential of the under-investigated lignin-based nanoparticles as vehicles to deliver different therapeutic compounds for improved cancer therapy. Although multiple treatment options are available to treat cancer diseases, they still represent illnesses with very high incidence and mortality worldwide. Nanotechnology has opened doors to improve the limitations of current therapeutic modalities, such as chemotherapy or administration of immunomodulatory agents, by improving the solubility, stability and circulating half-life of the therapeutics, and by minimizing the systemic side effects. Firstly, different lignin-based nanoparticles were prepared and characterized, and their cytocompatibility investigated towards several cell lines. The ability of lignin nanoparticles to load different chemotherapeutic compounds was assessed, and drug release profiles were evaluated in two different buffers (pH 5.5 and 7.4). Secondly, after a carboxylation reaction of the original lignin polymer, the carboxylated lignin nanoparticles were surface modified with a polymer/peptide, as a proof-of-concept of the nanoparticles’ functionalization. The release profile of a poorly-water soluble cytotoxic compound (benzazulene) from the lignin nanoparticles was evaluated, and the in vitro antiproliferative effect investigated against several cell lines. Next, lignin polymers with different degrees of carboxylation were prepared in order to investigate the long-term stability of the resulting lignin nanoparticles at physiological conditions. After finding the optimal conditions in terms of stability, the lignin nanoparticles were further functionalized with a cell-penetrating peptide, and the cellular interactions of the resulting nanosystem were evaluated and compared with internalizing arginine-glycine-aspartic acid peptide-functionalized lignin nanoparticles, using two- and three-dimensional cell culture models. Finally, the lignin nanoparticles were loaded with resiquimod, an agonist of the toll-like receptors 7 and 8 that can induce the re-education of M2 to M1-like macrophages, and further functionalized with a peptide that targets the mannose receptor expressed by the M2 macrophages. Afterwards, the homing ability of these nanoparticles was investigated in vivo, using an orthotopic 4T1 triple-negative breast cancer model. The therapeutic effect of these nanosystems was studied in combination with a chemotherapeutic compound (vinblastine), and the immunological profile of the cells isolated from the tumors was compared. Overall, this thesis provides new insights on the use of lignin polymer as a novel starting material to develop lignin-based nanocarriers, in particular for cancer therapeutics.Ligniini on osa lignoselluloosapitoista biomassaa ja se on myös maailman toiseksi yleisin biopolymeeriä selluloosan jälkeen. Kuitenkin vain noin 2% vuosittain eristetystä ligniinistä käytetään vähäarvoisiin sovelluksiin, pääasiassa sen monimutkaisen rakenteen vuoksi. Ligniinin käyttö nanohiukkasten raaka-aineena mahdollistaa ligniinipolymeerin rakenteellisen- ja morfologisen hallinnan, mikä edelleen mahdollistaa ligniinin käytön arvokkaammissa biolääketieteellisissä sovelluksissa, kuten esimerkiksi lääkkeiden annostelussa ja kudosteknologiassa. Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli tarkastella vähän tutkittujen ligniinipohjaisten nanohiukkasten potentiaalia toimia kuljetushiukkasina erilaisille terapeuttisille yhdisteille syövän hoidon parantamiseksi. Vaikka syöpäsairauksien hoitamiseksi on saatavana useita hoitomuotoja, ne kuuluvat silti sairauksiin, joiden esiintyvyys ja aiheuttama kuolleisuus ovat maailmanlaajuisesti erittäin korkeat. Nanoteknologian avulla on onnistuttu parantamaan nykyisiä terapeuttisia menetelmiä, joihin kuuluu kemoterapeuttisten tai immunomoduloivien aineiden annostelu, parannukset lääkkeiden liukoisuuteen-, stabiilisuuteen- ja puoliintumisaikaan verenkierrossa, sekä vähentämällä systeemisiä sivuvaikutuksia. Ensinnäkin, työssä valmistettiin ja karakterisoitiin erilaisia ligniinipohjaisia nanohiukkasia ja tutkittiin niiden yhteensopivuutta useiden solulinjojen kanssa. Työssä myös arvioitiin ligniini-nanohiukkasten kykyä kuljettaa erilaisia kemoterapeuttisia lääkeaineita sekä mitattiin näiden aineiden vapautumisprofiileja kahdessa eri puskuriliuoksessa (pH 5,5 ja 7,4). Seuraavaksi osoitettiin onnistuneesti ligniini-nanohiukkasten funktionalisaation toteuttamiskelpoisuus: ligniinipolymeerin karboksylaatioreaktion jälkeen ligniini-nanohiukkasten pintaan kiinnitettiin polymeerejä ja peptidejä. Huonosti vesiliukoisen sytotoksisen yhdisteen (bentsatsuleeni) vapautumisprofiili ligniini- nanohiukkasista mitattiin ja proliferatiivista vaikutusta tutkittiin in vitro useita solulinjoja vastaan. Edelleen tutkittiin miten erilaiset ligniinipolymeerin karboksylaatioasteet vaikuttavat ligniini-nanohiukkasten pitkäaikaiseen stabiilisuuteen fysiologisissa olosuhteissa. Kun stabiilisuuden kannalta optimaaliset olosuhteet oli selvitetty, ligniini-nanohiukkaset funktionalisoitiin solukalvon läpäisyn mahdollistavalla peptidillä. Näiden nanohiukkasten soluvuorovaikutuksia arvioitiin ja verrattiin arginiini-glysiini-asparagiinihappo-peptidillä funktionalisoitujen ligniini-nanohiukkasten solunläpäisyyn käyttämällä kaksi- ja kolmiulotteisia soluviljelmämalleja. Lopuksi ligniini-nanohiukkaset funktionalisoitiin peptidillä, joka mahdollistaa M2-makrofageihin kiinnittymisen, ja kuormattiin resikimodilla, joka on Toll-like-reseptorien 7 ja 8 agonisti ja kykenee käynnistämään M2-tyyppisten makrofagien uudelleenkoulutuksen M1-tyyppisiksi makrofageiksi. Näiden nanohiukkasten kohteeseenhakeutumiskykyä tutkittiin in vivo käyttämällä ortotooppista 4T1-kolmoisnegatiivista rintasyöpämallia. Näiden nanosysteemien terapeuttista vaikutusta tutkittiin yhdessä kemoterapeuttisen yhdisteen (vinblastiini) kanssa ja kasvaimista eristettyjen solujen immunologista profiilia verrattiin. Kaiken kaikkiaan tämä opinnäytetyö tarjoaa uutta tietoa ligniinipolymeerin käytöstä raaka-aineena ligniinipohjaisten nanokantajien kehittämisessä erityisesti syöpähoitoon.
Subject: pharmaceutical Technology
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
E-thesis_Patrícia Figueiredo.pdf 3.498Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record