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Tesis doctoral inédita cotutelada por la Universidade de Aveiro y la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Química Orgánica. Fecha de lectura: 08-09-2017, Esta tesis tiene embargado el acceso al texto completo hasta el 08-03-2019, O cancro é um dos maiores problemas de saúde para os humanos. Até agora, não há terapia eficiente para a maioria dos cancros. A terapia fotodinâmica (PDT) tem surgido como um método alternativo aos tratamentos convencionais de cancro, nomeadamente a quimioterapia, radioterapia e cirurgia. A PDT combina três componentes: uma droga fotoativa (fotossensibilizador, PS), luz e oxigênio. Os efeitos secundários observados em quimioterapia ou radioterapia são minimizados na PDT. No entanto, como em todos os protocolos clínicos, a PDT apresenta também limitações, nomeadamente a utilização de um PS aplicável a diferentes tumores. Recentemente, as nanopartículas têm sido exploradas como veículos do PS a administrar em PDT. Em particular, as nanopartículas de sílica (SNPs) têm merecido uma especial atenção devido à sua biocompatibilidade, elevada área de superfície específica, quase monodispersidade e superfícies hidrofílicas com possibilidade de funcionalização química. Um aspeto crucial para um bem sucedido tratamento do cancro prende-se com a adequada modificação superficial vdas SNPs tendo o tumor como alvo. Como tal, esta dissertação descreve a síntese e caracterização de novos híbridos do tipo fotossensibilizador-nanopartículas de sílica para libertação controlada de oxigénio singleto (1O2) na PDT aplicada ao cancro. O trabalho é dividido em três capítulos que descrevem nanoformulações para PDT em que o PS é de terceira geração. Na primeira parte, descreve-se a preparação de porfirinas de S-glicosídeo (Pors) e sua encapsulação em SNPs. A secção seguinte descreve a ligação dessas Pors à superfície de nanopartículas de sílica mesoporosa (MSNPs). Finalmente, descreve-se o encapsulamento de fosfonato ftalocianina (Pc) em sílica e também nanopartículas com Pc ligada covalentemente, utilizando uma adaptação do método de microemulsão inversa. Estes novos nanomateriais apresentam características morfológicas relativamente uniformes, nomeadamente em termos de tamanho e forma. Estes sistemas apresentam capacidade para produzir 1O2 após exposição à luz e foram utilizados em estudos in vitro envolvendo duas linhas de células epiteliais de cancro da bexiga humana, HT-1376 e UM-UC-3. Os resultados demonstram que as SNPs podem ser usados com sucesso como novos PSs em PDT de cancro da bexiga, En los últimos años, el cáncer es uno de los principales problemas de salud para el ser humano. Hasta ahora no se ha desarrollado una terapia eficiente para la mayoría de los tipos de cáncer. Un método alternativo a las opciones convencionales de tratamiento del cáncer, como la quimioterapia, la radioterapia y la cirugía, podría ser la terapia fotodinámica (PDT), que combina tres componentes: un medicamento (fotosensibilizador o sustancia fotosensibilizadora, PS), un tipo particular de luz y oxígeno. En PDT los efectos secundarios de la quimioterapia o radioterapia se minimizan. Sin embargo, como es habitual en los protocolos clínicos de este campo, PDT todavía tiene algunos problemas por resolver. Una de las dificultades en PDT es encontrar un PS específico para los diferentes tumores. Recientemente, las nanopartículas están siendo exploradas como vehículos para la administración de PS en PDT. Concretamente, las nanopartículas de sílice (SNPs) están atrayendo una gran atención en PDT debido a su biocompatibilidad, elevada área superficial, obtención controlada en cuanto a tamaño, poro y forma, superficie hidrófila y capacidad para la funcionalización superficial. La posibilidad de modificar la superficie del PS para dirigirse al tumor puede ser la clave del éxito en el tratamiento del cáncer. En base a esto, esta disertación describe la síntesis y caracterización de nuevos materiales híbridos basados en fotosensibilizadores immobilizados en nanopartículas de sílice para la liberación controlada de oxígeno singlete (1O2) en PDT para tratamiento de cáncer. El trabajo se divide en tres capítulos en los que se presentan nuevas nanoformulaciones como PS de tercera generación para PDT. En la primera parte, derivados S-glicósidos de porfirinas (Pors) fueron preparados y encapsulados en SNPs mediante el método de Stöber. En la siguiente parte, estas Pors fueron fijadas a la superficie de nanopartículas mesoporosas de sílice (MSNPs). Finalmente, ftalocianinas (Pc) funcionalizadas con grupos fosfonato fueron encapsuladas o fijadas covalentemente a NPs mediante ligeras modificaciones del método de microemulsión inversa. Estos nuevos nanomateriales tienen una distribución de tamaños uniforme y son regulares en tamaño y forma. Además, todos ellos son capaces de producir 1O2 después de la irradiación con luz. Tras su completa caracterización, se realizaron estudios in vitro con dos líneas de células epiteliales de cáncer de vejiga humana, HT-1376 y UM-UC-3. Los resultados mostraron que estos nuevos sistemas basados en nanopartículas podrían ser utilizados con éxito como nuevos PSs en PDT de cáncer de vejiga, que es el cuarto cáncer más comúnmente diagnosticado con alta tasa de recurrencia, Cancer is one of the biggest health problem for humans. Until now, there is no efficient therapy for most cancers. An alternative method to conventional cancer treatments, including chemotherapy, radiotherapy and surgery, could be photodynamic therapy (PDT), which combines three components: a photoactive drug (photosensitizer, PS), a particular type of light and oxygen. In PDT, the severe side effects of chemotherapy or radiotherapy are minimized. However, as all clinical protocols, PDT still has some problems to solve. One of the difficulties in PDT is to find an ideal PS for the different tumors. Recently, nanoparticle-based delivery systems have been explored as efficient vehicles to deliver PSs in PDT. In particular, silica nanoparticles (SNPs) are attracting great attention in PDT due to their biocompatibility, large surface area, controllable size formation, hydrophilic surface and ability for surface functionalization. The possibility for tumor targeting through surface modification is a key to successful cancer treatment. As such, this dissertation describes the synthesis and characterization of novel photosensitizer-silica nanoparticle hybrids for controlled singlet oxygen (1O2) release in cancer PDT. The work is divided into three chapters in which novel nanoformulations are presented as third generation PSs for PDT. In the first part, S-glycoside porphyrins (Pors) were prepared and encapsulated into SNPs by Stöber method. In the next part, the same Pors were grafted on the surface of sphereshaped and rod-shaped mesoporous silica nanoparticles (MSNPs). Finally, NPs encapsulating phosphonate phthalocyanine (Pc) or covalently appended with Pc were prepared after slight modification of the reverse microemulsion method. These new nanomaterials show relatively homogeneous morphological characteristics, such as size and shape. The new nanocarriers are able to produce 1O2 after light irradiation and have been employed for in vitro studies with two human bladder cancer epithelial cell lines, HT-1376 and UM-UC-3. The results showed that the new nanoparticle-based systems could be successfully used as novel PSs in PDT of bladder cancer which is the fourth most commonly diagnosed cancer with the high rate of recurrence.

Doutoramento em Nanociências e Nanotecnologia O objetivo principal desta dissertação foi o desenho, síntese e funcionalização de novos agentes para bio imagem baseados em nanopartículas. Devido à sua biocompatibilidade e facilidade de funcionalização da superfície, as nanopartículas têm sido amplamente utilizadas em aplicações biológicas. Aqui, apresentamos a aplicação de dois conjuntos de nanopartículas, nanopartículas de sílica (Si) e ouro (Au) como agentes de bio imagem em microscopia confocal de fluorescência e de raman, respetivamente. Nanopartículas fluorescentes do tipo “core-shell” foram preparadas através da metodologia de microemulsão inversa (intervalo de tamanhos 20 – 40 nm), com compostos à base de lantanídeos (Ln) (Ln = Europio III (EuIII) e Terbio III (TbIII) no interior (core) e Si como camada protetora. A funcionalização superficial das nanopartículas de Si foi conseguida através da química de silanos. Os Ln foram coordenados com compostos orgânicos como o ácido picolínico (picOH) ou com polioxometalatos (POM). A coordenação com o picOH trouxe ligeiras modificações no perfil fluorescente do metal, permitindo aos complexos Ln/picOH a sua excitação a comprimentos de onda de energia mais baixos. Este fenómeno é atribuído ao efeito de antena causado pelo ligando. Foram também realizados dois tipos diferentes de funcionalização, visando um especifico alvo. Cargas positivas foram usadas para direcionar para microorganismos (Candida albicans) e hidratos de carbono para células cancerígenas. As nanopartículas de Si fluorescentes com cargas positivas foram internalizadas pela C. albicans a sua distribuição visualizada através d e microscopia confocal de fluorescência. Foi possível observar a distribuição dessas nanopartículas no citoplasma celular sem internalização no núcleo. Em analogia, moléculas de hidrato de carbono (glucose e galactose) foram agrafadas à superfície de nanopartículas de Au de diferentes tamanhos (15, 30, 40 e 60 nm) e estudadas como possíveis nanomarcadores usando microscopia confocal de Raman como técnica ótica. Numa primeira abordagem, foram realizados estudos preliminares sobre a capacidade destas nanopartículas para produzir aumento da dispersão de superfície (SERS) bem como a sua biocompatibilidade nas células 9Lluc de glioma de rato. Os resultados mostraram os alongamentos característicos dos hidratos de carbono, para todas as nanopartículas de Au funcionalizadas como sinais SERS e, nenhuma citotoxicidade celular. Observou-se uma preferência para as nanopartículas de Au com 40 e 60 nm funcionalizadas com galactose. Além disso, a microscopia eletrónica de transmissão mostrou distribuição das nanopartículas em todo o citoplasma, mais especificamente dentro de organelos vesiculares, sem acumulação no núcleo. As nanopartículas de Au 60 nm funcionalizadas com galactose e glucose foram então estudadas em células cancerígenas, em tecidos tumorais e tumores sólidos como nanomarcadores, através da microscopia confocal de Raman. Estas nanoparticulas mostraram-se adequadas para serem usadas como nanomarcadores, conseguindo superar a autofluorescência proveniente dos tecidos biológicos. Além disso, um estudo de profundidade mostrou que seu sinal de SERS pode ser coletado em tumores sólidos até 2 mm de profundidade. Esta dissertação mostrou que nanopartículas podem ser utilizadas como marcadores alternativos aos fluoróforos comuns utilizados hoje em dia, apresentando biocompatibilidade e especificidade. Em relação às técnicas óticas utilizadas, a microscopia confocal de Raman mostrou ser uma alternativa vantajosa às mais comuns The main goal of this dissertation was the design, synthesis and functionalization of new nanoparticles-based bio imaging agents. Due to their biocompatibility and ease surface functionalization, nanoparticles have been widely used in biological applications. Herein, we present the application of two sets of nanoparticles, silica (Si) and gold (Au) nanoparticles as bio imaging agents in confocal fluorescent and raman microscopy, respectively. Fluorescent core-shell Si nanoparticles were prepared through the reverse microemulsion methodology (size range 20 – 40 nm), with lanthanide (Ln)- based compounds [Ln = Europium III (EuIII) and Terbium III (TbIII)]) in the core and Si as protective shells. The surface functionalization of Si nanoparticles was achieved through silane chemistry. Ln were coordinated with organic compounds such as picolinic acid (picOH) or with polyoxometalates (POM). The coordination with the picOH brought slight modifications in the fluorescent profile of the metal ion, allowing for the Ln/picOH complexes their excitation at lower energy wavelengths. This phenomenon is attributed to the antenna effect caused by the ligand. Two different types of functionalization were also performed, aiming specific targeting. Positive charges were used to target microorganisms (Candida albicans) and carbohydrates to target cancer cells. Positive charged fluorescent Si nanoparticles were internalized by C. albicans and their distribution visualized through confocal fluorescent microscopy. It was possible to note the distribution of these nanoparticles at the cellular cytoplasm with no internalization in the nucleus. In analogy, carbohydrate moieties (glucose and galactose) were stapled in the surface of different sized Au nanoparticles (15, 30, 40 and 60 nm) and studied as possible nanoprobes using confocal Raman microscopy as optical technique. In a first approach, preliminary studies regarding to the ability of these nanoparticles produce surface enhanced resonance scattering (SERS) as well as their biocompatibility in rat 9Lluc glioma cells was studied. Results showed the characteristic carbohydrate stretches for the all the functionalized Au nanoparticles in solution as SERS signals, and no cellular cytotoxicity. Preference for the 40 and 60 nm Au nanoparticles functionalized with galactose was observed. Moreover, the transmission electron microscopy showed distribution by the nanoparticles throughout the cytoplasm more specifically within vesicular organelles, with no accumulation in the nucleus. The 60 nm galactose and glucose Au nanoparticles were then studied as nanoprobes in cancer cells, tumoral tissues and solid tumors. through confocal Raman microscopy. Theses nanoparticles showed to be suitable nanoprobes in these systems, being able to surpass the known autofluorescence coming from This dissertation showed that nanoparticles can be used as alternative probes to the common fluorophores nowadays used, presenting biocompatibility and specificity. Regarding to the optical techniques used, confocal Raman microscopy showed to be an advantageous alternative to the commonly used ones’.