Magnetic iron oxide nanoparticles as potential carriers for doxorubicin targeted drug delivery; Spectroscopic investigation of doxorubicin, nanoparticles and doxorubicin-nanoparticle interactions

Doksorubicyna jest wysoce skutecznym lekiem przeciwnowotworowym należącym do grupy antracyklin. Pomimo wysokiej skuteczności, doksorubicyna wykazuje szereg cech ograniczających jej szerokie stosowanie m.in. brak możliwości wchłaniania leku z przewodu pokarmowego czy powstawanie rozmaitych skutków ubocznych, w tym zagrażających życiu chorób serca. Badania kliniczne wskazały na wprost proporcjonalną zależność prawdopodobieństwa powstawania chorób serca od przyjętej dawki doksorubicyny. Jednym ze sposobów zwiększenia skuteczności terapii przeciwnowotworowej jest zastosowanie celowanego transportu leków, dzięki któremu lek (doksorubicyna) mógłby być kierowany bezpośrednio w miejsce chorobotwórcze zmniejszając przy tym narażenie innych organów na niepotrzebne skutki uboczne. Wśród różnych metod stosowanych w celowanym transporcie leków, zastosowanie magnetycznych nośników leków (takich jak magnetyczne nanocząstki tlenków żelaza) wydaje się być bardzo obiecujące. Magnetyczne nośniki są w stanie transportować większą ilość leku do tkanek poddanych działaniu zewnętrznego pola magnetycznego. Celem mojej pracy doktorskiej są studia nad magnetycznymi nanocząstkami tlenków żelaza jako nośnikami doksorubicyny. W mojej pracy skoncentrowałem się na zagadnieniach utrudniających stosowanie magnetycznych nanocząstek tlenków żelaza jako nośnika doksorubicyny, które mogą być zrozumiane z perspektywy fizykochemicznych właściwości badanych związków. Moja rozprawa doktorska została podzielona na dwie części. Pierwsza z nich – część literaturowa, przedstawia aktualny stan wiedzy dotyczący nanocząstek i doksorubicyny przedstawioną w oparciu o dostępną literaturę naukową. Druga część przedstawia rezultaty mojej pracy, opublikowane w czasopismach naukowych. Część ta została podzielona na trzy rozdziały: pierwszy- poświęcony właściwościom spektroskopowym i fotoreaktywnością doksorubicyny, drugi- dotyczący oddziaływań antracyklin z jonami żelaza (III), oraz trzeci- przedstawiający syntezę magnetycznych nanocząstek tlenków żelaza, oddziaływanie z doksorubicyną oraz metodę pozwalającą na ilościowe wyznaczenie stężenia doksorubicyny obecnej na powierzchni nanocząstek. Rozdział przedstawiający właściwości spektroskopowe i fotoreaktywność doksorubicyny jest istotny, ponieważ pokazuje ograniczenia w zastosowaniu metod spektroskopowych dla ilościowego oznaczenia antracyklin. Doksorubicyna pod wpływem światła ultrafioletowego ulega redukcji do odpowiadającej jej formy dihydrochinonu, która nie fluoryzuje w zakresie emisyjnym doksorubicyny. Związek ten ulega jednak ponownemu utlenieniu do doksorubicyny reagując z tlenem rozpuszczonym w roztworze. W wyniku tej reakcji następuje regeneracja cząsteczki doksorubicyny oraz utworzenie dodatkowej cząsteczki nadtlenku wodoru. Nadtlenek wodoru jest również znany jako substancja powodująca uszkodzenia tkanki mięśnia sercowego, dlatego istotne jest odpowiednie przechowywanie roztworów doksorubicyny w naczyniach pochłaniających promieniowanie z zakresu nadfioletu. W tym rozdziale przedstawiłem również mechanizm nieodwracalnej fotodegradacji doksorubicyny. Proces ten jest dwuetapowy. Końcowym produktem tego procesu jest kwas 3-metoksysalicylowy. Produkt pośredni nie jest wystarczająco stabilny, abym mógł go odpowiednio scharakteryzować. Dwuetapowość tego procesu jest jednak dobrze widoczna na podstawie analizy profilów kinetycznych reakcji fotodegradacji. Rozdział ten dostarcza istotnych informacji dotyczących kontroli zakresu i intensywności światła służącego do oznaczenia doksorubicyny. W kolejnym rozdziale, który poświęcony jest oddziaływaniom antracyklin z jonami żelaza(III) przedstawiłem wyniki opisujące wpływ poszczególnym podstawników na trwałość powstających kompleksów. W literaturze naukowej przedstawiono teorię o wpływie kompleksów antracyklina-żelazo(III) na występowaniem skutków ubocznych. Problem ten jest zatem ważny zarówno z punktu widzenia tradycyjnej terapii, ponieważ jony żelaza są rozpowszechnione w ludzkim organizmie, jak również z punktu widzenia zastosowania nanocząstek żelaza jako nośników doksorubicyny, ponieważ każdy tlenek metalu występuje w roztworze w równowadze z jonami metalu. W tym rozdziale scharakteryzowałem wpływ podstawnika metoksylowego, grupy hydroksylowej oraz podstawnika cukrowego – daunosaminy na zdolność tworzenia kompleksów z jonami żelaza(III). Prace te pozwoliły na pełniejsze zrozumienie mechanizmu tworzenia kompleksów antracyklin z jonami Fe3+ oraz pozwoliły na zaprojektowanie pokrycia dla magnetyczynych nanocząstek tlenków żelaza, które znacząco poważnie ogranicza zdolność tworzenia kompleksu doksorubicyna-żelazo(III). Ostateczny cel mojej pracy został przedstawiony w trzecim rozdziale. Opisałem w nim wykorzystaną metodę syntezy magnetycznych nanocząstek tlenków żelaza oraz ich pokrycie cytrynianami, które wykazują zdecydowanie wyższe powinnowactwo do jonów Fe3+, niż cząsteczki antracykliny. Otrzymane nanocząstki utworzyły stabilny koloid w środowisku wodnym. Cytryniany obecne na powierzchni nanocząstek elektrostatycznie ograniczały zdolność nanocząstek do samoagregacji oraz uniemożliwiały wytworzenie toksycznych kompleksów doksorubicyna-Fe3+. Zaproponowana przeze mnie metoda pokrycia zapewniła dużą efektywność w procesie adsorpcji doksorubicyny na powierzchni nanocząstek w porównaniu z metodami zaproponowanymi przez inne zespoły badawcze. W rozdziale tym istotnym elementem jest również omówienie nowej metody, którą wykorzystałem dla oznaczenia doksorubicyny zaadsorbowanej do powierzchni nanocząstek. Jest to metoda, która pozwala uniknąć kłopotów związanych z obecnością nanocząstek w badanej próbce. Nanocząstki, ze względu na swój rozmiar, efektywnie rozpraszają światło w zakresie wykorzystywanym w spektroskopii fluorescencyjnej i absorpcyjnej. W mojej metodzie pomiar polega na zastosowaniu układu trójfazowego zawierającego: nanocząstki, wodę oraz octan etylu. Octan etylu nie miesza się z wodą. Doksorubicyna wykazuje niewielką rozpuszczalność w octanie etylu, lecz jej kwantowa wydajność fluorescencji jest w tym rozpuszczalniku znacznie wyższa niż w roztworze wodnym, co jest gwarantem wysokiej czułości stosowanej metody. Nanocząstki pokryte cytrynianami nie przedostają się do fazy organicznej. Doksorubicyna obecna w układzie woda/octan etylu występuje w równowadze, dzięki czemu możliwy jest pomiar jej fluorescencji w fazie organicznej. Po wprowadzenie nanocząstek tlenków żelaza pokrytych cytrynianami do fazy wodnej znaczna część doksorubicyny ulega adsorpcji do powierzchni nanocząstek. Zmniejsza się tym samym stężenie doksorubicyny w fazie wodnej oraz w fazie organicznej, ponieważ równowaga musi być zachowana. Poprzez porównanie intensywności fluorescencji przed i po wprowadzeniu nanocząstek możliwe jest dokładne określenie ilości przyłączonej doksorubicyny do powierzchni magnetycznych nanocząstek. Dzieki temu, że pomiar odbywa się w fazie organicznej nie obserwujemy żadnych efektów optycznych związanych z obecnością nanocząstek w badanej próbce. Podstawą mojej rozprawy doktorskiej jest cykl pięciu oryginalnych artykułów naukowych mojego współautorstwa, opublikowanych w uznanych czasopismach o zasięgu międzynarodowym: Journal of Physical Chemistry A (impact factor 2012: 2.771), Journal of Physical Chemistry B (dwie publikacje, impact factor 2012: 3.607), Journal of Physical Chemistry C (impact factor 2012: 4.814) i RSC Advances (partial impact factor 2012: 2.562) oraz jedna praca przeglądowa opublikowana w Bioelectrochemistry (impact factor 2012: 3.947). Prezentowane badania zaowocowały również dwoma wystąpieniami ustnymi na 43rd IUPAC World Chemistry Congress w San Juan, Puerto Rico, oraz 7th World Congress in Oxidation Catalysis w Saint Louis, USA oraz trzema prezentacjami w formie plakatu: 2nd Conference Innovation in Drug Delivery in Aix-en-Provence, Francja oraz 1st Warsaw-Cambridge Young Scientists Meeting w Warszawie, Polska (dwa plakaty). Przedstawiona praca doktorska włącza się w nurt badań, których celem jest zrozumienie oddziaływań i reaktywności doksorubicyny oraz wnosi wkład do pełniejszego poznania nanocząstek tlenków żelaza jako potencjalnego nośnika leków.

The goal of this thesis was to investigate magnetic iron oxide nanoparticles as potential carriers for doxorubicin from a purely chemical point of view. It involved spectroscopic studies of doxorubicin. This part of the research was extremely important because it provided us with an understanding of the stability and reactivity of doxorubicin. This information allowed us to establish limits for accurate quantitative determination of this drug using spectrofluorometry. Secondly I investigated the interactions of doxorubicin and related anthracyclines with ferric ions. The latter are known to form complexes with anthracyclines and are believed to be involved in the generation of adverse effects during anticancer therapy. This problem is significant from the viewpoint of anthracycline therapy, as iron ions are distributed throughout human body, but it is also of extreme importance from the viewpoint of designing iron oxide based drug carriers because every metal oxide exists in solution in equilibrium with its metal ions. The goal of my thesis was to understand the role of different anthracycline substituents in the process of iron complexation. These studies allowed us to understand the nature of iron binding as well as the means of preventing this process from occurring. Our final goal was to synthesize magnetic iron oxide nanoparticles and to prepare a stable colloid in water, which could function as a doxorubicin carrier. This goal was achieved by means of covering nanoparticles with a citrate coating. Citrates adsorbed to the nanoparticle surface not only stabilized the nanoparticles electrostatically, preventing them from aggregating in water, but also preventing anthracyclines from complexation with solution phase ferric ions. Additionally, this type of coating allowed us to create a high loading content of doxorubicin. In this work I had to overcome many difficulties related to doxorubicin, nanoparticles or both. One challenge was devising a method that would allow us to determine concentration of doxorubicin attached to nanoparticles quantitatively. This was not a trivial task as nanospheres are known to scatter light as the function of their size. Additionally I had to limit the photoreactivity of doxorubicin in solution. For this reason I developed a novel method of doxorubicin determination called the ternary system method. It allowed us to quantify the amount of doxorubicin present on the nanoparticle surface. This approach enables us to determine the concentration of a drug attached to the carrier, which is extremely important from a clinical standpoint . This method also allowed us to determine the isotherm of doxorubicin’s adsorption and the Gibbs free energy of binding. This work has resulted in publishing five original articles in internationally renowned journals: Journal of Physical Chemistry A (impact factor 2012: 2.771), Journal of Physical Chemistry B (2 articles, impact factor 2012: 3.607), Journal of Physical Chemistry C (impact factor 2012: 4.814) and RSC Advances (partial impact factor 2012: 2.562). One review article has been published in Bioelectrochemistry (impact factor 2012: 3.947). Furthermore this work resulted in two oral presentations at the international conferences: 43rd IUPAC World Chemistry Congress in San Juan, Puerto Rico, and 7th World Congress in Oxidation Catalysis Saint. Louis, USA and in three poster presentation at: 2nd Conference Innovation in Drug Delivery in Aix-en-Provence, France and 1st Warsaw-Cambridge Young Scientists Meeting in Warsaw, Poland (2 poster presentations).