Sinergia fototerápica a partir de nanobastões de ouro conjugados com azul de toluidina: uma comparação entre modelos bacterianos e tumoral

Abstract

Devido ao aumento da resistência aos tratamentos convencionais, novas estratégias são necessárias para enfrentar infecções bacterianas e neoplasias, as quais destacam-se a terapia fotodinâmica (TFD) e terapia fototérmica (TFT). A combinação entre elas mostra-se promissora, potencializando a indução da morte celular por meio da indução de calor e estresse oxidativo simultâneos. Neste contexto, o presente projeto foi dividido em duas etapas. Primeiramente, foi avaliado a eficiência de um novo sistema de TFT baseado em nanoestruturas plasmônicas, especificamente nanobastões de ouro (AuSHINRs), para a inativação bacteriana. Na segunda etapa, as AuSHINRs foram conjugadas com azul de toluidina-O (TBO), produzindo uma molécula complexa (AuSHINRs@TBO) capaz de alcançar o efeito sinérgico entre TFT e TFD, desta vez aplicada para a inativação de células tumorais. Em ambos os casos, a eficiência das terapias não depende da internalização celular das partículas, mas sim da sua incorporação na membrana plasmática. Esta estrutura é principal barreira atribuidora de resistência de células malignas e o foco principal de estudo deste projeto. Os mecanismos de interação e os efeitos fotoinduzidos em nível molecular foram investigados em membranas celulares bioinspiradas, utilizando filmes de Langmuir e Langmuir-Schaefer de extrato lipídico e fosfolipídios puros. As análises de espectroscopias no infravermelho (FTIR e PM-IRRAS) revelaram que a incorporação das partículas em cada sistema é resultado de interações eletrostáticas atrativas com grupos lipídicos carregados negativamente, resultando na expansão das isotermas π-A. Após a irradiação, as monocamadas lipídicas apresentaram diferentes comportamentos em relação à área de superfície, dependendo do grau de incorporação das partículas nos filmes. Além disso, foram investigados tais mecanismos em sistemas in vitro mais complexos, utilizando a Escherichia coli como modelo bacteriano e Caco-2 como modelo de célula neoplásica. Em ambos os casos, foram avaliados os efeitos citotóxicos e fotoinduzidos, como uma redução substancial da viabilidade de E. coli expostas a AuSHINRs irradiadas, e aumento da morte celular em Caco-2, destacada pelo efeito sinérgico das AuSHINRs@TBO.

Due to the increasing resistance to conventional treatments, new strategies are needed to address bacterial infections and neoplasms, among which photodynamic therapy (PDT) and photothermal therapy (PTT) stand out. The combination of these therapies shows promise, enhancing cell death induction through simultaneous heat and oxidative stress. In this context, this project was divided into two stages. Firstly, the efficiency of a novel PTT system based on plasmonic nanostructures, specifically gold nanorods (AuSHINRs), for bacterial inactivation was evaluated. In the second stage, AuSHINRs were conjugated with toluidine blue-O (TBO), producing a complex molecule (AuSHINRs@TBO) capable of achieving synergistic effects between PTT and PDT, this time applied for the inactivation of tumor cells. In both cases, the therapy efficiency does not depend on cellular internalization of the particles, but rather on their incorporation into the plasma membrane. This structure is the main barrier attributing resistance to malignant cells and the primary focus of study in this project. The interaction mechanisms and photoinduced effects at the molecular level were investigated in bioinspired cell membranes using Langmuir and Langmuir-Schaefer films of lipid extract and pure phospholipids. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and polarization modulation-infrared reflection absorption spectroscopy (PM-IRRAS) analyses revealed that the particle incorporation in each system results from attractive electrostatic interactions with negatively charged lipid groups, resulting in expansion of the π-A isotherms. After irradiation, the lipid monolayers showed different behaviors regarding surface area, depending on the degree of particle incorporation into the films. Furthermore, these mechanisms were investigated in more complex in vitro systems using Escherichia coli as a bacterial model and Caco-2 as a neoplastic cell model. In both cases, cytotoxic and photoinduced effects were evaluated, such as substantial reduction in viability of E. coli exposed to irradiated AuSHINRs, and increased cell death in Caco-2, which is highlighted by the synergistic effect of AuSHINRs@TBO.