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Antifungal Containing Functionalized Nanoparticles: A Therapeutic Solution for Intracellular Infections
Antifúngicos encapsulados en nanopartículas funcionalizadas: una solución terapéutica contra infecciones intracelulares
Autor
Mejía de los Ríos, Susana Pamela
Institución
Resumen
RESUMEN: Las enfermedades infecciosas intracelulares son un problema importante de salud pública, constituyendo una de las principales causas de muerte en todo el mundo y algunas de ellas pudiendo alcanzar el estatus de pandemia, como es el caso del coronavirus (COVID-19). Este tipo de infecciones se caracterizan por la alteración de algunas funciones de defensa de las células del huésped, afectando sus estrategias de combate y permitiendo que los microorganismos sobrevivan a nivel intracelular. Gracias a estas estrategias todos los virus (p. ej., Coronavirus – COVID19–, Influenza) ciertas bacterias (p. ej. Mycobacterium tuberculosis, Streptococcus pneumoniae y Mycosplasma pnumoniae), algunos protozoos (p. ej., Toxoplasma gondii) y unos pocos hongos (como los hongos dimórficos Histoplasma capsulatum y Paracoccidioides brasiliensis) pueden sobrevivir dentro de las células de primera línea de defensa como son los macrófagos y las células dendríticas. Estos microorganismos infecciosos, al alojarse dentro de la célula, evitan su reconocimiento y eliminación por el sistema inmune. El tratamiento actual de las enfermedades infecciosas causadas por microorganismos intracelulares representa un desafío terapéutico, debido a los patógenos resistentes a los fármacos, la incapacidad de los fármacos de lograr niveles intracelulares adecuados, la baja especificidad de los tratamientos disponibles y la interacción entre medicamentos durante las coinfecciones. El tamaño global del mercado de las terapias para enfermedades infecciosas se valoró en $ 46.8 billones de dólares en 2018 y se estima que alcance los $ 64.5 billones en 2023. Por tales razones, se hace imperativo el desarrollo de tratamientos más apropiados para hacer frente a terapias inespecíficas e ineficientes. La encapsulación de fármacos en nanopartículas funcionalizadas (NPs) es una alternativa valiosa para alcanzar el objetivo terapéutico específico con dosis más bajas. Además, las NPs mejoran la solubilidad del fármaco, evitan interacciones no deseadas y la degradación del fármaco antes de alcanzar el blanco terapéutico. El objetivo principal de este trabajo fue desarrollar una nueva estrategia terapéutica para combatir las infecciones intracelulares basada en la encapsulación de un agente terapéutico en NPs poliméricas funcionalizadas con ligandos con alta especificidad hacia los macrófagos, principal célula blanco de los microorganismos intracelulares. Se utilizó el antifúngico itraconazol (ITZ), como modelo de fármacos hidrofóbicos. Este medicamento se prescribe comúnmente a pacientes con infecciones fúngicas serias como la histoplasmosis, una micosis que ha sido reportada en todos los continentes, con una alta incidencia en América. Se trata de una afección sistémica que puede afectar tanto individuos inmunosuprimidos como inmunocompetentes, aunque las manifestaciones clínicas son mucho más severas en los primeros, como los infectados con el VIH. El tratamiento con ITZ representa un reto debido a sus múltiples limitaciones como la dificultad para alcanzar concentraciones adecuadas a nivel intracelular y las interacciones medicamentosas, lo que hace que se requieran dosis repetidas durante largos períodos y se ocasionen efectos adversos como hepatotoxicidad. En este trabajo se encapsuló con éxito ITZ en NPs basadas en dos tipos de PLGA, alcanzando nanotransportadores estables y moderadamente polidispersos con tamaño adecuado (200 nm) y capacidad de carga (CC) (6,6 %) y eficiencia de encapsulación (EE) (80 %) óptimos al reducir el pH y al modular el tipo y la concentración de una mezcla de tensoactivos. Las NPs se autoensamblaron por el método de nanoemulsión de alta energía y se caracterizaron por espectroscopía infrarroja transformada de Fourier (FT-IR) y calorimetría diferencial de barrido (DSC), para estudiar las interacciones entre ITZ-PLGA. La formulación mostró liberación inmediata inicial de ITZ, seguida de una fase de liberación prolongada que se ajustaba a un modelo cinético de difusión Fickiana y una alta estabilidad a 4 °C y 37 °C. El ITZ encapsulado eliminó eficientemente a H. capsulatum, con una IC50 similar con respecto al ITZ libre. Adicionalmente los nanosistemas se funcionalizaron con el anticuerpo F4/80 por adsorción física y acoplamiento covalente. El acoplamiento covalente fue más eficiente que el método de adsorción, pero el enmascaramiento de la corona proteica fue similar en ambos métodos. Los ensayos in vitro mostraron que las NPs funcionalizadas con F4/80 aumentaron la captación de NPs por los macrófagos J774, de forma específica en comparación con células musculares y de ovario, las cuales no presentaron captación de las NPs. Por otro lado, se demostró un mejor efecto antifúngico de las NPs funcionalizadas con J774 al reducir la cantidad de ITZ para controlar H. capsulatum en co-cultivo con macrófagosperitoneales y sin ningún efecto citotóxico sobre los macrófagos después de 24 h. La encapsulación del ITZ moduló la expresión génica de citoquinas anti-inflamatorias y proinflamatorias (IL-1β, IFN-γ, IL-6 e IL-10) en macrófagos. Además, el recubrimiento de anticuerpos anti-F4/80 mejoró la respuesta antifúngica natural y adecuada en las células, ejerciendo un efecto sinérgico que impidió el crecimiento del hongo a nivel intracelular. Posteriormente, se evaluó el efecto del ITZ encapsulado en las NPs de PLGA sin funcionalizar en un modelo in vivo de histoplasmosis. Los resultados mostraron que la encapsulación de ITZ en NPs de PLGA administradas por vía intraperitoneal mejoró el efecto antifúngico con respeto al tratamiento convencional (Sporanox), reduciendo significativamente la UFC tras las primeras dosis, evitando la desimanación de la infección. La biodistribución en el grupo de ratones tratados con ITZ encapsulado mostró una mayor concentración de ITZ en el hígado, el bazo y los pulmones en comparación con el tratamiento convencional. Adicionalmente, el tratamiento presentó un efecto inmunomodulador sobre la producción de citoquinas proinflamatorias y antiinflimatorias, lo cual se confirmó por histopatología. En general, los resultados sugieren un efecto sinérgico del fármaco encapsulado y el efecto inmunomodulador contribuyendo al control de infecciones, evitando su diseminación. Finalmente, para mejorar la biodistribución de los nanosistemas se encapsuló el itraconazol en NPs PEGiladas y/o funcionalizadas con alta especificidad por los macrófagos y se evaluó la absorción de proteínas en su superficie y la formación de la denominada corona de proteína (CP). La formación de la CP en las NPs impactó en su absorción celular y efecto antifúngico. La evaluación de la concentración mínima inhibitoria (CMI) y de las unidades formadoras de colonias (UFC) demostraron que el ITZ encapsulado en NPs PEGiladas mejoró el efecto antifúngico en comparación con las NP sin PEGilación. La mejora antifúngica puede estar relacionada con el "efecto de furtividad del PEG debido a la reducción de la adsorción de proteínas inespecíficas, lo que permite una mayor liberación del fármaco. Las NP funcionalizadas con anticuerpos anti-F4/80 y anti-MARCO, o manosa sin PEG y tratadas con CP se captaron en mayor proporción, pero, en presencia de PEG, redujeron significativamente la endocitosis, dominando el efecto sigiloso de PEG. ABSTRACT: Intracellular infectious diseases are a major public health problem, constituting one of the main causes of death worldwide. Some of these infections can reach pandemic status, as is the case of coronavirus (COVID-19). These infections are characterized by the alteration of some host cell defense functions, affecting their combat strategies and allowing microorganisms to survive at the intracellular level. Thanks to these strategies, all viruses (e.g., Coronavirus –COVID19–, Influenza), certain bacteria (e.g., Mycobacterium tuberculosis, Streptococcus pneumoniae, and Mycosplasma pneumoniae), some protozoa (e.g., Toxoplasma gondii), and some few fungi (such as the dimorphic fungi Histoplasma capsulatum and Paracoccidioides brasiliensis) can survive within the cells responsible for the first line of defense such as macrophages and dendritic cells. These infectious microorganisms, staying inside the cell, are not recognized and eliminated by the immune system. The current treatment of infectious diseases caused by intracellular microorganisms represents a therapeutic challenge due to drug-resistant pathogens, the inability of drugs to achieve adequate intracellular levels, the low specificity of available treatments and the interaction among drugs during coinfections. The global market of infectious disease therapies was valued at $46.8 billion in 2018 and is estimated to reach $64.5 billion in 2023. For such reasons, developing more precise treatments to address these diseases becomes imperative. Encapsulating drugs into functionalized nanoparticles (NPs) is a valuable alternative to achieving the specific therapeutic target with lower doses. In addition, NPs improve drug solubility and avoid unwanted interactions and drug degradation before reaching the therapeutic target. The main objective of this work is to develop a new therapeutic strategy to combat intracellular infections based on the encapsulation of therapeutic agents in polymeric NPs functionalized with ligands with high specificity towards macrophages, the main target cell of intracellular microorganisms. The nanoencapsulated drug in this study is the antifungal Itraconazole (ITZ), as a model of hydrophobic drugs. This drug is commonly prescribed to patients with serious fungal infections such as histoplasmosis, a mycosis reported on all continents, with a high incidence in America. It is a systemic condition that can affect both immunosuppressed and immunocompetent individuals, although the clinical manifestations are much more severe in the former, such as those infected with HIV. However, treatment with ITZ represents a challenge due to its many limitations, such as the difficulty in achieving adequate concentrations at the intracellular level and drug interactions, which require repeated doses over a long time and cause adverse effects such as hepatotoxicity. In this work, ITZ was successfully encapsulated in core-shell type NPs based on two types of PLGA, achieving stable and moderately polydisperse nanocarriers with adequate size (200 nm) and optimal DLC (6.6%) and EE (80%) by lowering the pH and modulating the type and concentration of a mixture of surfactants. The NPs were self-assembled by the high-energy nanoemulsion method and characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and differential scanning calorimetry (DSC), demonstrating ITZ-PLGA interactions. The formulation showed an initial immediate ITZ release, followed by a sustained release phase that fits a Fickian diffusion kinetic model and high stability at 4°C and 37°C. The encapsulated ITZ efficiently eliminated H. capsulatum, with a similar IC50 to the free ITZ. Additionally, the nanosystem was functionalized with the F4/80 antibody by physical adsorption and covalent coupling. The covalent coupling was more efficient tan the adsorption, but the protein corona masking was similar in both methods. In vitro assays showed that F4/80-functionalized NPs increased NP uptake by J774 macrophages, specifically concerning muscle and ovary cells, which did not show uptake of the NPs. On the other hand, a better antifungal effect of J774-functionalized NPs was demonstrated by reducing the amount of ITZ to control H. capsulatum in co-culture with peritoneal macrophages and without any cytotoxic effect on macrophages after 24 h. In addition, ITZ encapsulation modulated gene expression of anti-inflammatory and pro-inflammatory cytokines (IL-1, IFN-Y, IL-6, and IL-10) in macrophages. In addition, the anti-F4/80 antibody coating improved the natural and adequate antifungal response in the cells, exerting a synergistic effect that prevented the growth of the fungus at the intracellular level. Finally, the effect of encapsulated ITZ on PLGA NPs without functionalization was evaluated to establish the importance or not of functionalization in an in vivo model of Histoplasmosis. The results showed that the encapsulation of ITZ in PLGA core-shell NPs administered intraperitoneally improved the effect of conventional treatment (Sporanox), significantly reducing the CFU after the first doses. In addition, the biodistribution in the mice treated with encapsulated ITZ showed a higher concentration of ITZ in the liver, spleen and lungs compared to conventional treatment. Finally, the treatment had an immunomodulatory effect on the pro-inflammatory and anti-inflammatory cytokines, which was confirmed by histopathology. In general, the results suggest a synergistic effect of the encapsulated drug and the immunomodulatory effect, contributing to the control of infections, preventing their dissemination. Finally, to improve the biodistribution of the nanosystems, ITZ was encapsulated in PEGylated and/or functionalized NPs with high specificity for macrophages and the absorption of proteins on their surface and the formation of the so-called protein crown (CP) were evaluated. Cellular uptake and antifungal activity of NPs were affected by CP formation. In comparison with NPs without PEGylation, encapsulated ITZ in PEGylated NPs improved the antifungal effect compared to encapsulated ITZ in NPs without PEGylation. The antifungal enhancement may be related to the "stealth effect of PEG due to reduced adsorption of non-specific proteins, allowing for greater drug release. NPs functionalized with anti-F4/80 and anti-MARCO antibodies, or Mannose without PEG and treated with CP were taken up in a higher proportion, but, in the presence of PEG, they significantly reduced endocytosis, dominating the stealth effect of PEG.
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