Design and Evaluation of Enzyme-Powered Nanobots for Crossing Biological Barriers and Treating Cancer

Abstract

[eng] The field of nanomedicine has garnered increasing clinical interest over the past few decades, leading to the approval of numerous products, particularly in oncology. This is due to their ability to encapsulate and deliver drugs directly to target sites, reducing required dosages and side effects while protecting the drugs from degradation. However, nanoparticle-based drug delivery systems have not significantly surpassed traditional treatments in terms of bioavailability, with only 0.0014% of injected doses being taken up by cancer cells, even with active targeting strategies. This inefficiency can be attributed to the various physical and biological barriers that nanoparticles must overcome, such as the extracellular matrix or the mucus barrier, which impede effective drug delivery. Therefore, this thesis aims to develop enzyme-powered nanobots as carriers of therapeutic agents capable of overcoming these barriers to enhance cancer treatment efficacy. In the first project, we established a bladder cancer murine model and administered urease-powered nanobots propelled with urea. These nanobots were able to penetrate the extracellular matrix and exhibit enhanced tumor accumulation compared to passive conditions. Moreover, treatment with a single administration of nanobots carrying radioiodine as a therapeutic agent resulted in a remarkable reduction in tumor size. The mucus barrier also poses a significant obstacle to efficient treatment delivery. In our second project, we developed catalase-powered nanobots capable of penetrating it. These nanobots are powered by H2O2, which serves not only as fuel but also as a mucolytic agent. Using an in vitro mucus-secreting model, we demonstrated a 60% reduction in mucus integrity after treatment with H2O2-propelled nanobots. Similar results were observed in ex vivo mouse colons, where intestinal mucus content decreased by 65% post-treatment. Barrier-crossing studies showed that only actively moving nanobots could significantly overcome the mucus layer. Building on this knowledge, our third project focused on pseudomyxoma peritonei, a mucinous carcinoma characterized by cancer cells growing embedded in mucus. To improve the delivery of the standard-of-care drug, we loaded it into the nanobots and used them as an all-in-one self-propelled mucolytic drug delivery system. We treated pseudomyxoma peritonei tumors ex vivo and confirmed that the drug alone cannot overcome the thick mucus to reach the cancer cells. However, treatment efficacy was significantly enhanced in terms of reduced tumor cell viability when using drug-loaded nanobots powered by H2O2, as the degradation of mucus combined with the movement of the nanobots facilitates drug delivery. Overall, this thesis highlights the potential of enzyme-powered nanobots as a versatile platform for cancer treatment. The advancements presented herein could lead to more effective therapeutic strategies, addressing significant barriers in current treatments and ultimately improving patient outcomes in oncology.

[spa] La nanomedicina ha despertado un creciente interés clínico en las últimas décadas, lo que ha llevado a la aprobación de numerosos productos, particularmente en oncología. Esto se debe a su capacidad para encapsular, proteger, y liberar fármacos de manera selectiva, reduciendo las dosis necesarias y los efectos secundarios. Sin embargo, los sistemas de transporte de fármacos basados en nanopartículas no han superado a los tratamientos tradicionales en términos de biodisponibilidad, con solo el 0,0014% de la dosis inyectada siendo internalizada por las células cancerosas, incluso cuando las nanopartículas son dirigidas específicamente al tejido diana. Esta ineficiencia se puede atribuir a las diversas barreras físicas y biológicas que las nanopartículas deben superar, como la matriz extracelular o la barrera de moco, que impiden que los fármacos lleguen a las células cancerígenas. Por tanto, el objetivo de esta tesis es desarrollar nanobots enzimáticos como transportadores de agentes terapéuticos capaces de superar estas barreras para mejorar la eficacia de los tratamientos contra el cáncer. En el primer proyecto, establecimos un modelo murino de cáncer de vejiga y administramos nanobots propulsados con urea. Estos nanobots penetraron la matriz extracelular y mostraron una mejor acumulación tumoral en comparación con las condiciones pasivas. Además, el tratamiento con una única administración de nanobots marcados con yodo radiactivo resultó en una notable reducción del tamaño del tumor. El moco también representa un obstáculo para la entrega eficiente del fármaco. En nuestro segundo proyecto, desarrollamos nanobots de catalasa capaces de penetrar esta barrera. Estos nanobots son propulsados por H2O2, que sirve no solo como combustible sino también como agente mucolítico. Utilizando un modelo in vitro de secreción mucosa, demostramos una reducción del 60% en la integridad del moco después del tratamiento con nanobots propulsados por H2O2. Resultados similares se observaron en colones de ratón ex vivo, donde el contenido de moco intestinal disminuyó en un 65% después del tratamiento. Al estudiar la capacidad de cruzar la barrera del moco, demostramos que los nanobots solo la pueden superar cuando combinan su capacidad mucolítica y motora. Aprovechando este conocimiento, nuestro tercer proyecto se centró en el pseudomixoma peritoneal, un carcinoma mucinoso caracterizado por células cancerosas que crecen envueltas en moco. Para mejorar la eficiencia del fármaco usado en la práctica clínica, lo cargamos en los nanobots y los usamos como sistemas de transporte de fármacos autopropulsado y con capacidades mucolíticas. Tratamos tumores de pseudomixoma peritoneal ex vivo y confirmamos que el fármaco por sí solo no puede superar el moco y llegar a las células cancerosas. Sin embargo, la eficacia del tratamiento se mejoró en términos de reducción de la viabilidad de las células tumorales al usar nanobots propulsados por H2O2 y cargados con el fármaco, debido a que la degradación del moco combinado con el movimiento de los nanobots facilita la entrega del fármaco. Con todo, esta tesis destaca el potencial de los nanobots enzimáticos como una plataforma versátil para el tratamiento del cáncer. Los avances presentados aquí podrían conducir a estrategias terapéuticas más efectivas, abordando barreras significativas en los tratamientos actuales y, en última instancia, mejorando los resultados de los pacientes oncológicos.

[cat] La nanomedicina ha despertat un creixent interès clínic en les darreres dècades, fet que permès l'aprovació de nombrosos productes, especialment en oncologia. Això es deu a la seva capacitat per encapsular, protegir i alliberar fàrmacs de manera selectiva, reduint les dosis necessàries i els efectes secundaris. Tanmateix, els sistemes de transport de fàrmacs basats en nanopartícules no han superat els tractaments tradicionals en termes de biodisponibilitat, amb només el 0,0014% de la dosi injectada sent internalitzada per les cèl·lules canceroses, fins i tot quan les nanopartícules són dirigides específicament al teixit diana. Aquesta ineficiència es pot atribuir a les diverses barreres físiques i biològiques que les nanopartícules han de superar, com la matriu extracel·lular o la barrera de moc, que impedeixen que els fàrmacs arribin a les cèl·lules tumorals. Per tant, l’objectiu d’aquesta tesi és desenvolupar nanobots enzimàtics com a transportadors d'agents terapèutics capaços de superar aquestes barreres per tal de millorar l'eficàcia dels tractaments contra el càncer. En el primer projecte, vam establir un model murí de càncer de bufeta i vam administrar nanobots propulsats amb urea. Aquests nanobots van poder penetrar la matriu extracel·lular i mostrar una millor acumulació tumoral en comparació amb les condicions passives. A més, el tractament amb una única administració de nanobots marcats amb iode radioactiu va resultar en una notable reducció de la mida del tumor. El moc també representa un obstacle per a l'entrega eficient del fàrmac. En el nostre segon projecte, vam desenvolupar nanobots de catalasa capaços de superar aquesta barrera. Aquests nanobots són propulsats per H2O2, que serveix no només com a combustible sinó també com a agent mucolític. Utilitzant un model in vitro de secreció mucosa, vam demostrar una reducció del 60% en la integritat del moc després del tractament amb nanobots propulsats per H2O2. Resultats similars es van observar en còlons de ratolí ex vivo, on el contingut de moc intestinal va disminuir en un 65% després del tractament. En estudiar la capacitat de travessar la barrera del moc, vam demostrar que els nanobots només la poden superar quan combinen la seva capacitat mucolítica i motora. Aprofitant aquest coneixement, el nostre tercer projecte es va centrar en el pseudomixoma peritoneal, un carcinoma mucinós caracteritzat per cèl·lules canceroses que creixen envoltades de moc. Per millorar l'eficiència del fàrmac utilitzat en la pràctica clínica, el vam carregar en els nanobots i els vam utilitzar com a sistemes de transport de fàrmacs autopropulsat i amb capacitats mucolítiques. Vam tractar tumors de pseudomixoma peritoneal ex vivo i vam confirmar que el fàrmac per si sol no pot creuar el moc i arribar a les cèl·lules canceroses. No obstant això, l'eficàcia del tractament es va millorar en termes de reducció de la viabilitat de les cèl·lules tumorals en utilitzar nanobots propulsats per H2O2 i carregats amb el fàrmac, atès que la degradació del moc combinada amb el moviment dels nanobots facilita l'entrega del fàrmac. En conjunt, aquesta tesi destaca el potencial dels nanobots enzimàtics com a plataforma versàtil per al tractament del càncer. Els avenços presentats aquí podrien conduir a estratègies terapèutiques més efectives, abordant barreres significatives en els tractaments actuals i, en última instància, millorant els resultats dels pacients oncològics.