O DESAFIO
A terapia de captura de neutrões (NCT) é uma forma altamente precisa de radioterapia, que explora a capacidade de alguns isótopos específicos gerarem partículas de elevada energia (LET) eficientes na irradicação de células cancerígenas. A recente instalação de aceleradores de última geração em ambiente hospitalar, potencializou a NCT como uma opção apelativa no tratamento de cancros altamente agressivos (ex. cérebro, pele e cabeça). No entanto, os fármacos atuais são ainda bastante limitados no seu desempenho, incluindo baixa estabilidade química, toxicidade sistêmica, baixa seletividade e persistência intracelular durante a irradiação de neutrões, causando efeitos secundários graves.
O NOSSO OBJETIVO
CarboNCT apresenta uma abordagem completamente inovadora para o desenvolvimento de agentes nanoterapeuticos multifuncionais mais eficientes para NCT. Para o efeito, será explorado o novo conceito de nanocápsulas de carbono (CNCs), capazes de acomodar elevadas concentrações de nuclídeos ativos 6Li, 157/155Gd e 10B na sua cavidade interna. Neste sentido, serão exploradas pela primeira vez nanocapsulas baseadas em “carbon nanohorns” (CNHs) e pontos quânticos de carbono (CNDs). A implementação de modelos computacionais atómicos ajustados aos dados experimentais permitirá atingir otimizar DENSIDADE DE ESPÉCIES ATIVAS DE NCT NA CAVIDADE INTERNA das CNCs. É importante salientar que as espécies de NCT estarão localizadas na cavidade interna das CNCs, EVITANDO TOXICIDADE E DEGRADAÇÃO. A superfície das CNCs será modificada através da fabricação microfluídica de revestimento de hidrogel biotivo, carregado com o fármaco clinicamente aprovado indocianina verde-doxorrubicina (DOX). O controle das características físico-químicas do revestimento de hidrogel através do sistema microfluídico, permitirá modular comportamento fisiológico das CNCs tal como providenciar a libertaçao controlada do agente de quimioterapia (dox). adicionalmente, a superfície das CNCs será conjugada com ligandos específicos que reconhecem receptores expressos nas células cancerígenas de forma a incrementar a internalização celular e a acumulação e difusão tumoral.
Os CNCs MULTIFUNCIONAIS desenvolvidos funcionarão como um nanoplataformas específicas capazes de fornecer seletivamente uma combinação terapêutica (nct /quimio), possibilitando simultaneamente a sua monitorização por bioimagem de alta resolução. As CNCs apresentam fluorescência intrínseca (CNDs e indocianina-DOX ), possibilitando assim a monitorização em tempo real da biodistribuição semiquantitativa por análise confocal.(Santos et al. 2020) Por forma a melhor compreender a interação da terapia à base de CNCs multifuncionais e o microambiente complexo do tecido tumoral, serão realizados estudos usando modelos multicelulares de tumores da cabeça produzidos por bioimpressão 3D. Estes modelos preditivos de tumor 3D in-vitro, possibilitarão a deteção e monitorização in-situ da terapia multimodal baseada em CNCs de forma mais realista. Esta informação será crítica para a triagem do diagnóstico terapêutico e a otimização da dosagem de irradiação de neutrões (tempo/fluência), por forma a implementar tratamentos pré-clínicos altamente eficientes de NCT.
AS NOSSAS COMPETENCIAS COMPLEMENTARES PARA ATINGIR O OBJETIVO
CarboNCT é uma proposta de investigação científica multidisciplinar desenvolvida por um consórcio de três unidades de investigação com competências complementares capazes de criar sinergias que capitalizem e otimizem os recursos existentes no sentido de atingir os principais objetivos do projeto:
1) TEMA-UA, síntese e caracterização de novas CNCs preenchidas com agentes ativos de NCT.
2) CICECO-UA, modulação computacional aplicada para otimização da síntese química das CNCs e funcionalização superficial com hidrogel bioativo.
3) iCBR-UC e UA-TEM, Avaliação de biocompatibilidade e desenvolvimento de modelos terapêuticos preditivos através tumores multicelulares obtidos por bioimpressão 3D.
As equipas de investigação envolvidas no CarboNCT apresentam elevadas competências e experiência na área, evidenciadas pela coordenação de vários projetos Nacionais/Europeus e publicação de inúmeros artigos científicos e patentes, que é complementada por uma estreita colaboração do PI com o Laboratório de Energia Nuclear Aplicada (LENA), com elevados conhecimentos na aplicação clínica de NCT. O consórcio será, portanto, capaz de gerar conhecimento significativo para o desenvolvimento de novos agentes nanoterapêuticos de NCT para possível aplicação clínica.
THE CHALLENGE
Neutron capture therapy (NCT) is a highly precise form of radiotherapy, that exploits specific isotopes to produce high linear energy transfer (LET) particles that can cause cancer cell death. The recent installation of accelerator in hospitals enviorment, advanced NCT clinical practice for treating highly aggressive cancers, (Koivunoro et al. 2019) namely high-grade gliomas, primaries or cerebral metastases of melanoma, and head/neck cancers, where other conventional therapies were ineffective. However, current pharmaceuticals present substantial limitations for successful clinical translation including, low chemical stability, selectivity, and persistence intra-cellularly during neutron irradiation, causing severe side effects.
OUR GOAL
CarboNCT presents an innovative approach to designing more efficient multifunctional nanotherapeutic NCT agents by exploring 10B, 157/155Gd, 6Li active nuclides. For that purpose, we will explore the new concept of carbon nanocapsules (CNCs), able to accommodate high concentrations of active nuclides in their internal cavity. Here, carbon nanohorns (CNHs) and carbon nanodots (CNDs) will be investigated for the first time for the synthesis of CNCs Computer models will be applied to elucidate the strength and specificity of the interaction between the load and the different nanocarriers for improved filling yields. the high density of nct active species in the inner cavity of the nanocarrier will provide the possibility to implement a new disruptive NCT nanotherapy. Significantly, the NCT species will be located in the inner cavity of the CNCs avoiding toxicity and degradation.
The CNCs external surfaces will be coated with bioactive hydrogel loaded with clinically approved chemotherapeutic indocyanine green-doxorubicin (dox) by microfluidics-based fabrication. The precise control over the physicochemical features of the hydrogel
coating by the microfluidic system allows modulating the CNCs physiological behaviour as well as controlling drug release profile (DOX). Furthermore, biopolymer will be conjugated with ligands that recognize receptors that are highly expressed in cancer cells or the tumor microenvironment (TME), increasing CNCs cellular uptake, tumor targeting and diffusion. The multifunctional CNCs will operate as selectively delivering nanoagents for an effective chemo-neutron therapy combination monitored by high-resolution bioimaging, while avoiding systemic side effects typical of conventional cancer therapies. CNCs present intrinsic fluorescence (CNDs and tagged DOX), that can provide relevant information regarding the real-time monitorization of the biodistribution by confocal analysis, following the vision for the 21st century of personalized medicine. To better understand the interplay between the complex
TME and the delivery of the CNCs-based therapy, a head and neck tumor model will be mimicked by using 3D-bioprinted multicellular tumors. The predictive in-vitro 3D tumor models will allow the in-situ confocal bio-detection and monitorization of CNCs-based therapy to uncover the underlying transduction pathways involved in reducing malignant tumor progression. This information is critical for the therapeutic diagnosis screening and the optimization of the neutron irradiation dosage (time/fluency), to conduct highly efficient NCT pre-clinical tests.
OUR COMPLEMENTARY COMPETENCIES TO ACHIEVE THE GOAL
CarboNCT is a multidisciplinary scientific research proposal formed by a consortium of three research units with complementary expertise to create synergies that capitalize and optimize existing means and resources to reach the main specific goals of the project:
1) TEMA-UA, synthesis and characterization of novel CNCs filled with NCT active agents.
2) CICECO-UA, applied computer modelling to support the chemical synthesis, and controlled bioactive hydrogel coating of CNCs.
3) ICBR-UC and TEMA-UA, In vitro biocompatibility analysis of CNCs and the development of predictive models using bioprinted 3D multicellular head/neck tumor.
The research teams involved in CarboNCT have high competencies and experience in the field, evidenced by the coordination of several National/European projects and publication of numerous scientific articles and patents, that is complemented by a strict collaboration of the PI with the Laboratory for Applied Nuclear Energy (LENA), with high expertise in the medical application of NCT. Therefore, the consortium will be able to generate critical knowledge for the development of novel NCT nanomedicines towards clinical application.
