Gene delivery for the treatment of prostate cancer

Prostate cancer is one of the most common cancers diagnosed in men. Whilst treatments for early-stage disease are largely effective, current therapies for metastatic prostate cancer, particularly for bone metastasis, offer only a few months increased lifespan at best. Hence new treatments are urgently required. Small interfering RNA (siRNA) has been investigated for the treatment of prostate cancer where it can ‘silence’ specific cancer-related genes. However the clinical application of siRNA-based gene therapy is limited due to the absence of an optimised gene delivery vector. The optimisation of such gene delivery vectors is routinely undertaken in vitro using 2D cell culture on plastic dishes which does not accurately simulate the in vivo bone cancer metastasis microenvironment. The goal of this thesis was to assess the potential of two different targeted delivery vectors (gold or modified β-cyclodextrin derivatives) to facilitate siRNA receptor-mediated uptake into prostate cancer cells. Furthermore, this project aimed to develop a more physiologically relevant 3D in vitro cell culture model, to mimic prostate cancer bone metastasis, which is suitable for evaluating the delivery of nanoparticulate gene therapeutics. In the first instance, cationic derivatives of gold and β-cyclodextrin were synthesized to complex anionic siRNA. The delivery vectors were targeted to prostate cancer cells using the anisamide ligand which has high affinity for the sigma receptor that is overexpressed by prostate cancer cells. The gold nanoparticle demonstrated high levels of uptake into prostate cancer PC3 cells and efficient gene silencing when transfection was performed in serum-free media. However, due to the absence of a poly(ethylene glycol) (PEG) stabilising group, the formulation was unsuitable for use in serum-containing conditions. Conversely, the modified β-cyclodextrin formulation demonstrated enhanced stability in the presence of serum due to the inclusion of a PEG chain onto which the anisamide ligand was conjugated. However, the maximum level of gene silencing efficacy from three different prostate cancer cell lines (DU145, VCaP and PC3 cells) was 30 %, suggesting that further optimisation of the formulation would be required prior to application in vivo. In order to develop a more physiologically-relevant in vitro model of prostate cancer bone metastasis, prostate cancer cells (PC3 and LNCaP cells) were cultured in 3D on collagenbased scaffolds engineered to mimic the bone microenvironment. While the model was suitable for assessing nanoparticle-mediated gene knockdown, prostate cancer cells demonstrated a phenotype with lower invasive potential when grown on the scaffolds relative to standard 2D cell culture. Hence, prostate cancer cells (PC3 and LNCaP cells) were subsequently co-cultured with bone osteoblast cells (hFOB 1.19 cells) to enhance the physiological relevance of the model. Co-cultures secreted elevated levels of the MMP9 enzyme, a marker of prostate cancer metastasis, relative to prostate cancer cell monocultures (2D and 3D) indicating enhanced physiological relevance of the model. Furthermore, the coculture model proved suitable for investigating nanoparticle-mediated gene silencing. In conclusion, the work outlined in this thesis identified two different sigma receptor-targeted gene delivery vectors with potential for the treatment of prostate cancer. In addition, a more physiologically relevant model of prostate cancer bone metastasis was developed with the capacity to help optimise gene delivery vectors for the treatment of prostate cancer.

Development of Advanced Capillary Electrophoresis Techniques with UV and Mass Spectrometry Detection for Forensic, Pharmaceutical and Environmental Applications

Capillary electrophoresis (CE) is a modern analytical technique, which is electrokinetic separation generated by high voltage and taken place inside the small capillaries. In this dissertation, several advanced capillary electrophoresis methods are presented using different approaches of CE and UV and mass spectrometry are utilized as the detection methods. Capillary electrochromatography (CEC), as one of the CE modes, is a recent developed technique which is a hybrid of capillary electrophoresis and high performance liquid chromatography (HPLC). Capillary electrochromatography exhibits advantages of both techniques. In Chapter 2, monolithic capillary column are fabricated using in situ photoinitiation polymerization method. The column was then applied for the separation of six antidepressant compounds. Meanwhile, a simple chiral separation method is developed and presented in Chapter 3. Beta cycodextrin was utilized to achieve the goal of chiral separation. Not only twelve cathinone analytes were separated, but also isomers of several analytes were enantiomerically separated. To better understand the molecular information on the analytes, the TOF-MS system was coupled with the CE. A sheath liquid and a partial filling technique (PFT) were employed to reduce the contamination of MS ionization source. Accurate molecular information was obtained. It is necessary to propose, develop, and optimize new techniques that are suitable for trace-level analysis of samples in forensic, pharmaceutical, and environmental applications. Capillary electrophoresis (CE) was selected for this task, as it requires lower amounts of samples, it simplifies sample preparation, and it has the flexibility to perform separations of neutral and charged molecules as well as enantiomers. Overall, the study demonstrates the versatility of capillary electrophoresis methods in forensic, pharmaceutical, and environmental applications.

Processos Oxidativos Avançados para Remediação de Águas Contaminadas por Pesticidas

Este trabalho teve como objectivo inicial o estudo de processos oxidativos avançados de forma a remediar e tratar águas contaminadas por pesticidas. No entanto, ao longo do trabalho experimental, constatou-se que os produtos resultantes da degradação de pesticidas são muitas vezes mais tóxicos do que os compostos que lhes deram origem e que, por isso, degradar um composto nem sempre é o melhor para o ambiente. Assim, neste trabalho, procurou-se estudar o processo de degradação com o objectivo de minimizar o impacto ambiental dos pesticidas na água e no ambiente em geral. A parte experimental deste trabalho foi dividida em duas etapas, sendo que, em ambas, a voltametria de onda quadrada e a espectrofotometria de UV/Vis foram os métodos de análise utilizados, para acompanhar o processo de fotodegradação. Na primeira etapa estudou-se a relação entre a estrutura química dos pesticidas MCPA, MCPP, 2.4-D e Dicloroprop e a sua fotodegradação. Soluções aquosas dos pesticidas enunciados foram submetidas a irradiação UV/vis, com incrementos variáveis de tempo de irradiação. Os resultados obtidos, nesta etapa, permitiram constatar diferenças na percentagem de degradação dos diferentes pesticidas. Dos pesticidas estudados verificou-se uma maior fotodegradação para o MCPA e MCPP seguido do Dicloroprop e finalmente o 2.4-D que se degradou menos. Os dados obtidos sugerem que a fotodegradação destes pesticidas está intimamente ligada com a estrutura das moléculas. A presença de um maior número de grupos cloro ligados ao anel aromático nos pesticidas 2,4-D e Dicloroprop faz com que estes sejam mais estáveis e por isso se degradam menos que o MCPA e o MCPP. Por outro lado, o facto de o 2,4-D apresentar um potencial de oxidação mais elevado do que o Dicloroprop, faz com que este seja mais difícil de degradar, o que justifica a diferença entre os dois. Desta forma, foi possível concluir que a estrutura dos pesticidas condiciona o processo de degradação, como esperado. Na segunda etapa, estudou-se a estabilização dos pesticidas MCPA e MCPP após encapsulação, com 2-hidroxipropil-β-ciclodextrina (HP-β-CD), em água desionizada e em água do rio. Para tal, submeteram-se as soluções aquosas dos pesticidas com e sem ciclodextrina, a irradiação UV/vis, também com incrementos variáveis de tempo. No caso do MCPA verificou-se que, tanto para água desionizada como para água do rio, que este herbicida encapsulado se degrada bastante menos do que o MCPA livre. O encapsulamento permitiu reduzir quase para metade a taxa de fotodegradação. Assim, confirmou-se que a HP-β-CD permite estabilizar este pesticida, tornando-o mais resistente à fotodegradação. Desta forma, originam-se menos produtos de degradação, os quais podem ser mais tóxicos, e reduz-se de o impacto ambiental deste herbicida. Verificou-se também que o MCPA livre se degrada mais em água do rio do que em água desionizada, provavelmente devido à matéria orgânica presente nesta água, que promove o processo de degradação. No que respeita ao MCPP também se constatou que este herbicida se degrada menos encapsulado do que livre, em água desionizada e em água do rio. Neste caso, conseguiu-se reduzir pouco a taxa de fotodegradação, mas, ainda assim se verifica uma estabilização deste pesticida através do encapsulamento. No entanto, tornou-se mais evidente a estabilização do MCPP após encapsulação em água do rio, já que apresenta uma taxa de fotodegradação menor. Este facto demonstra que a HP-β-CD permite estabilizar também este pesticida, tornando-o mais resistente à fotodegradação, e reduzindo seu impacto ambiental.

Redução do Impacto Ambiental de Poluentes Orgânicos Persistentes

Nos dias de hoje a contaminação dos solos e águas subterrâneas com pesticidas através da agricultura tornou-se um problema. Problema este, considerado ainda maior nas áreas onde o abastecimento de água potável é quase totalmente à base de água subterrânea, causando deste modo risco para a saúde humana devido à exposição directa de possíveis resíduos de pesticidas na água potável. É certo que a persistência dos pesticidas no solo é importante para obter um bom controlo sob as ervas daninhas durante a sua época de crescimento, contudo o uso desses pesticidas contamina não só o solo como as águas superficiais. As questões acerca do uso de pesticidas na actualidade continuarão a persistir, uma vez que existem muitos factores e características inerentes a este processo que necessitam de ser abordadas e mais importante que isso estudadas, como por exemplo a sua degradação e toxicidade. Neste trabalho efectuou-se o encapsulamento de pesticidas em moléculas de β – ciclodextrina (β-CD). O que se pretende com este encapsulamento, é aumentar a hidrofilicidade do pesticida de forma a garantir que este persista o tempo suficiente permitindo um bom controlo das ervas daninhas, tendo sempre em conta as preocupações inerentes ao uso dos pesticidas, como por exemplo a dificuldade de biodegradação. O estudo centrou-se em torno de dois dos pesticidas mais utilizados em Portugal: MCPA e Bentazona. Estes herbicidas foram encapsulados individualmente na β-CD formando assim complexos, mais solúveis e eventualmente mais estáveis quimicamente garantindo uma redução dos efeitos dos pesticidas no meio ambiente. Este estudo foi dividido essencialmente em duas partes: a síntese e caracterização dos complexos pesticida-β-CD e posteriormente a avaliação da estabilidade química em solução aquosa e da solubilidade dos complexos formados. A utilização de diversas técnicas analíticas nomeadamente DSC, FTIR, Espectrofotometria de UV, HPLC e Electroquímica permitiram concluir que o pesticida MCPA encapsula pela acção da β-CD aquando do complexo formado em solução etanólica e numa proporção estequiométrica MCPA:β-CD de 1:2 respectivamente. Obteve-se para as várias soluções estudadas, todas elas com concentrações diferentes de β-CD, uma constante de estabilidade de 102,4. No caso da Bentazona, os resultados preliminares obtidos indiciam claramente a formação de um complexo com a β-CD para o complexo formado em solução etanólica.

Neurofilaments and NFL-TBS.40-63 peptide penetrate oligodendrocytes through clathrin-dependent endocytosis to promote their growth and survival in vitro.

International audience

Caracterização físico-química de complexo de inclusão entre hidroximetilnitrofurazona e hidroxipropil-beta-ciclodextrina

Hydroxymethylnitrofurazone (NFOH) is a prodrug that is active against Trypanosoma cruzi. It however presents low solubility and high toxicity. Hydroxypropyl-beta-cyclodextrin (HP-beta-CD) can be used as a drug-delivery system for NFOH modifying its physico-chemical properties. The aim of this work is to characterize the inclusion complex between NFOH and HP-beta-CD. The rate of NFOH release decreases after complexation and thermodynamic parameters from the solubility isotherm studies revealed that a stable complex is formed (deltaGº= 1.7 kJ/mol). This study focuses on the physico-chemical characterization of a drug-delivery formulation that comes out as a potentially new therapeutic option for Chagas disease treatment.

Non-inclusion complexes between riboflavin and cyclodextrins

Objectives To investigate the molecular interaction between beta-cyclodextrin (beta CD) or hydroxypropyl-beta-cyclodextrin (HP beta CD) and riboflavin (RF), and to test the anticancer potential of these formulations. Methods The physicochemical characterization of the association between RF and CDs was performed by UV-vis absorption, fluorescence, differential scanning calorimetry and NMR techniques. Molecular dynamics simulation was used to shed light on the mechanism of interaction of RF and CDs. Additionally, in-vitro cell culture tests were performed to evaluate the cytotoxicity of the RFCD complexes against prostate cancer cells. Key findings Neither beta CD nor HP beta CD led to substantial changes in the physicochemical properties of RF (with the exception of solubility). Additionally, rotating frame Overhauser effect spectroscopy experiments detected no spatial correlations between hydrogens from the internal cavity of CDs and RF, while molecular dynamics simulations revealed out-of-ring RFCD interactions. Notwithstanding, both RF beta CD and RFHP beta CD complexes were cytotoxic to PC3 prostate cancer cells. Conclusions The interaction between RF and either beta CD or HP beta CD, at low concentrations, seems to be made through hydrogen bonding between the flavonoid and the external rim of both CDs. Regardless of the mechanism of complexation, our findings indicate that RFCD complexes significantly increase RF solubility and potentiate its antitumour effect.

Desenvolvimento e caraterização de hidrogéis físicos e químicos a partir de polissacarídeos naturais

Dissertação de Mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2016

Surface photochemistry of pesticides: an approach using diffuse reflectance and chromatography techniques

The photochemistry of pesticides triadimenol and triadimefon was studied on cellulose and beta-cyclodextrin (beta-CD) in controlled and natural conditions, using diffuse reflectance techniques and chromatographic analysis. The photochemistry of triadimenol occurs from the chlorophenoxyl moiety, while the photodegradation of triadimefon also involves the carbonyl group. The formation of 4-chlorophenoxyl radical is one of the major reaction pathways for both pesticides and leads to 4-chlorophenol. Triadimenol also undergoes photooxidation and dechlorination, leading to triadimefon and dechlorinated triadimenol, respectively. The other main reaction process of triadimefon involves alpha-cleavage from the carbonyl group, leading to decarbonylated compounds. Triadimenol undergoes photodegradation at 254 nm but was found to be stable at 313 nm, while triadimefon degradates in both conditions. Both pesticides undergo photochemical decomposition under solar radiation, being the initial degradation of rate per unit area of triadimefon 1 order of magnitude higher than the observed for triadimenol in both supports. The degradation rates of the pesticides were somewhat lower in beta-CD than on cellulose. Photoproduct distribution of triadimenol and triadimefon is similar for the different irradiation conditions, indicating an intramolecular energy transfer from the chlorophenoxyl moiety to the carbonyl group in the latter pesticide.