Desenvolvimento e caracterização de modelo 3D de carcinoma epidermoide oral para aplicação em terapia fotodinâmica utilizando-se nanocápsulas de fenil-tio-ftalocianina de zinco

Abstract

Modelos 2D de cultura celular são amplamente utilizados em estudos in vitro. No entanto, esses modelos não são capazes de mimetizar o ambiente tumoral, o que pode resultar em respostas falso-positivas. Para superar essa limitação, modelos 3D têm sido desenvolvidos na tentativa de reproduzir a complexidade das células neoplásicas e do microambiente tumoral. A Terapia Fotodinâmica (TFD) é uma estratégia terapêutica promissora, especialmente em lesões pré-malignas da cabeça e pescoço, bem como na cavidade oral. As ftalocianinas ligadas ao zinco (ZnPcs) são fotossensibilizadores (FS) eficazes, mas sua aplicação é limitada pela baixa solubilidade em solventes orgânicos. Nesse contexto, sistemas de liberação como as nanocápsulas podem melhorar a eficácia desses fotossensibilizadores. Desta forma, este estudo visou desenvolver e caracterizar um modelo 3D de carcinoma epidermoide oral para aplicação em TFD utilizando nanocápsulas de fenil-tio-ftalocianina de zinco (NC/ZnS4Pc). As nanocápsulas foram obtidas pelo método de deposição interfacial do polímero pré-formado e caracterizadas fotofísica e físico-quimicamente. Além disso, foi realizada a quantificação do FS e o estudo de liberação in vitro. Modelos 2D e 3D foram utilizados para avaliar a biocompatibilidade, internalização e eficácia terapêutica de NC/ZnS4Pc associada à TFD. Os resultados mostraram que as nanocápsulas apresentaram distribuição homogênea de tamanho, NC/ZnS4Pc tendo um Tamanho de partícula de 323,5 ± 7,7 nm e Potencial Zeta de -24,5 ± 5,29 mV. A taxa de encapsulação de ZnS4Pc foi de 88,40 ± 0,43%, e a liberação in vitro mostrou um perfil sustentado de 33% ao final de 24 horas. A TFD com NC/ZnS4Pc foi eficaz em reduzir a viabilidade celular das linhagens H357 e HSC-3, com uma taxa de apoptose significativa observada após o tratamento em H357. Além disso, a TFD em associação com NC/ZnS4Pc foi eficaz na indução de morte celular em esferoides tumorais de HSC-3. Modelos de engenharia tecidual da mucosa oral foram desenvolvidos com fibroblastos e epitélio composto por células FNB6, H357 ou FaDu para modelar tecidos normais e cancerígenos. A internalização de NC/ZnS4Pc foi observada principalmente após 24 horas nos modelos de câncer oral. O tratamento com TFD no modelo H357-MCOE resultou em uma redução significativa na viabilidade celular (5,32%) após 24 horas de tratamento com luz (50 J/cm²). Os resultados deste estudo demonstram que as nanocápsulas de ZnS4Pc apresentam grande potencial para aplicações terapêuticas, com destaque para sua eficácia no tratamento de câncer oral, em modelos 2D, 3D e de engenharia tecidual, reforçando sua viabilidade para estudos futuros em TFD.

Monolayer cell culture models are widely used in in vitro studies. However, they are not able to adequately mimic the tumor microenvironment, which may result in false-positive responses. To overcome this limitation, 3D models have been developed to reproduce the complexity of neoplastic cells and the tumor microenvironment. Photodynamic Therapy (PDT) is a promising therapeutic strategy, particularly in premalignant lesions of the head and neck, as well as in the oral cavity. Zinc phthalocyanines (ZnPcs) are effective photosensitizers, but their application is limited by their low solubility in organic solvents. In this context, delivery systems such as nanocapsules can enhance the effectiveness of these photosensitizers. This study aimed to develop and characterize a 3D model of oral squamous cell carcinoma for PDT application using zinc phenyl-thio-phthalocyanine nanocapsules (NC/ZnS4Pc). Nanocapsules were obtained by the interfacial deposition method and characterized physicochemically and photophysically. Additionally, the photosensitizer quantification and in vitro release study were performed. Both 2D and 3D models were used to assess the biocompatibility, internalization, and therapeutic efficacy of NC/ZnS4Pc associated with PDT. The results showed that the nanocapsules exhibited a homogeneous size distribution, a Particle size of 323.5 ± 7.7 nm and a Zeta potential of -24.5 ± 5.29 mV for NC/ZnS4Pc. The ZnS4Pc encapsulation efficiency was 88.40 ± 0.43%, and the in vitro release showed a sustained profile with 33% release after 24 hours. PDT with NC/ZnS4Pc effectively reduced cell viability in the H357 and HSC-3 cell lines, with a significant apoptosis rate observed after treatment. Furthermore, multicellular tumor spheroids (MCTS) demonstrated NC/ZnS4Pc toxicity without light, and PDT was effective in inducing cell death in HSC-3 spheroids. Oral mucosa tissue engineering models were developed with fibroblasts and an epithelium composed of FNB6, H357, or FaDu cells to model normal and cancerous tissues. The internalization of NC/ZnS4Pc was observed mainly after 24 hours in oral cancer models. PDT treatment in the H357-TEOCM model resulted in a significant reduction in cell viability (5.32%) after 24 hours of light exposure (50 J/cm²). The results of this study demonstrate that ZnS4Pc nanocapsules have great potential for therapeutic applications, especially in oral cancer treatment, in 2D, 3D, and tissue engineering models, reinforcing their feasibility for future studies in PDT.