Invivo and invitro evaluation of antitumor effects of iron oxide and folate core shell-iron oxide nanoparticles / Avaliação in vivo e in vitro dos efeitos antitumorais de nanopartículas de óxido de ferro e óxido de ferro com núcleo de folato

Abstract Nanoparticles are considered viable options in the treatment of cancer. This study was conducted to investigate the effect of magnetite nanoparticles (MNPs) and magnetite folate core shell (MFCS) on leukemic and hepatocarcinoma cell cultures as well as their effect on the animal model of acute myelocytic leukemia (AML). Through current study nanoparticles were synthesized, characterized by various techniques, and their properties were studied to confirm their nanostructure. Invivo study, nanoparticles were evaluated to inspect their cytotoxic activity against SNU-182 (human hepatocellular carcinoma), K562 (human leukemia), and THLE2 (human normal epithelial liver) cells via MTT test. Apoptotic signaling proteins Bcl-2 and Caspase-3 expression were inspected through RT-PCR method. A cytotoxic effect of MNPs and MFCS was detected in previous cell cultures. Moreover, the apoptosis was identified through significant up-regulation of caspase-3, with Bcl-2 down-regulation. Invitro study, AML was induced in rats by N-methyl-N-nitrosourea followed by oral treatment with MNPS and MFCS. Biochemical indices such as aspartate and alanine amino transferases, and lactate dehydrogenase activities, uric acid, complete blood count, and Beta -2-microglubulin were assessed in serum. Immunophenotyping for CD34 and CD38 detection was performed. Liver, kidney, and bone marrow were microscopically examined. Bcl-2 promoter methylation, and mRNA levels were examined. Although, both MNPs and MFCS depict amelioration in biochemical parameters, MFCS alleviated them toward normal control. Anticancer activity of MNPs and MFCS was approved especially for AML. Whenever, administration of MFCS was more effective than MNPs. The present work is one of few studies used MFCS as anticancer agent.

Resumo Nanopartículas são consideradas opções viáveis ​​no tratamento do câncer. Este estudo foi conduzido para investigar o efeito de nanopartículas de magnetita (MNPs) e núcleo de folato de magnetita (MFCS) em culturas de células leucêmicas e de hepatocarcinoma, bem como seu efeito no modelo animal de leucemia mielocítica aguda (LMA). Através do atual estudo, nanopartículas foram sintetizadas, caracterizadas por várias técnicas, e suas propriedades foram estudadas para confirmar sua nanoestrutura. No estudo in vivo, as nanopartículas foram avaliadas para inspecionar sua atividade citotóxica contra células SNU-182 (carcinoma hepatocelular humano), K562 (leucemia humana) e THLE2 (fígado epitelial humano normal) por meio do teste MTT. A expressão das proteínas sinalizadoras apoptóticas Bcl-2 e Caspase-3 foram inspecionadas através do método RT-PCR. Um efeito citotóxico de MNPs e MFCS foi detectado em culturas de células anteriores. Além disso, a apoptose foi identificada por meio de regulação positiva significativa da Caspase-3, com regulação negativa de Bcl-2. No estudo in vitro, a AML foi induzida em ratos por N-metil-N-nitrosoureia seguida por tratamento oral com MNPS e MFCS. Índices bioquímicos como aspartato e alanina aminotransferases e atividades de lactato desidrogenase, ácido úrico, hemograma completo e Beta-2-microglubulina foram avaliados no soro. A imunofenotipagem para detecção de CD34 e CD38 foi realizada. Fígado, rim e medula óssea foram examinados microscopicamente. A metilação do promotor Bcl-2 e os níveis de mRNA foram examinados. Embora tanto os MNPs quanto os MFCS representem uma melhora nos parâmetros bioquímicos, o MFCS os aliviou em direção ao controle normal. A atividade anticâncer de MNPs e MFCS foi aprovada especialmente para AML. Sempre, a administração de MFCS foi mais eficaz do que MNPs. O presente trabalho é um dos poucos estudos que utilizou o MFCS como agente anticâncer.

Invivo and invitro evaluation of antitumor effects of iron oxide and folate core shell-iron oxide nanoparticles

Abstract Nanoparticles are considered viable options in the treatment of cancer. This study was conducted to investigate the effect of magnetite nanoparticles (MNPs) and magnetite folate core shell (MFCS) on leukemic and hepatocarcinoma cell cultures as well as their effect on the animal model of acute myelocytic leukemia (AML). Through current study nanoparticles were synthesized, characterized by various techniques, and their properties were studied to confirm their nanostructure. Invivo study, nanoparticles were evaluated to inspect their cytotoxic activity against SNU-182 (human hepatocellular carcinoma), K562 (human leukemia), and THLE2 (human normal epithelial liver) cells via MTT test. Apoptotic signaling proteins Bcl-2 and Caspase-3 expression were inspected through RT-PCR method. A cytotoxic effect of MNPs and MFCS was detected in previous cell cultures. Moreover, the apoptosis was identified through significant up-regulation of caspase-3, with Bcl-2 down-regulation. Invitro study, AML was induced in rats by N-methyl-N-nitrosourea followed by oral treatment with MNPS and MFCS. Biochemical indices such as aspartate and alanine amino transferases, and lactate dehydrogenase activities, uric acid, complete blood count, and Beta -2-microglubulin were assessed in serum. Immunophenotyping for CD34 and CD38 detection was performed. Liver, kidney, and bone marrow were microscopically examined. Bcl-2 promoter methylation, and mRNA levels were examined. Although, both MNPs and MFCS depict amelioration in biochemical parameters, MFCS alleviated them toward normal control. Anticancer activity of MNPs and MFCS was approved especially for AML. Whenever, administration of MFCS was more effective than MNPs. The present work is one of few studies used MFCS as anticancer agent.

Resumo Nanopartículas são consideradas opções viáveis no tratamento do câncer. Este estudo foi conduzido para investigar o efeito de nanopartículas de magnetita (MNPs) e núcleo de folato de magnetita (MFCS) em culturas de células leucêmicas e de hepatocarcinoma, bem como seu efeito no modelo animal de leucemia mielocítica aguda (LMA). Através do atual estudo, nanopartículas foram sintetizadas, caracterizadas por várias técnicas, e suas propriedades foram estudadas para confirmar sua nanoestrutura. No estudo in vivo, as nanopartículas foram avaliadas para inspecionar sua atividade citotóxica contra células SNU-182 (carcinoma hepatocelular humano), K562 (leucemia humana) e THLE2 (fígado epitelial humano normal) por meio do teste MTT. A expressão das proteínas sinalizadoras apoptóticas Bcl-2 e Caspase-3 foram inspecionadas através do método RT-PCR. Um efeito citotóxico de MNPs e MFCS foi detectado em culturas de células anteriores. Além disso, a apoptose foi identificada por meio de regulação positiva significativa da Caspase-3, com regulação negativa de Bcl-2. No estudo in vitro, a AML foi induzida em ratos por N-metil-N-nitrosoureia seguida por tratamento oral com MNPS e MFCS. Índices bioquímicos como aspartato e alanina aminotransferases e atividades de lactato desidrogenase, ácido úrico, hemograma completo e Beta-2-microglubulina foram avaliados no soro. A imunofenotipagem para detecção de CD34 e CD38 foi realizada. Fígado, rim e medula óssea foram examinados microscopicamente. A metilação do promotor Bcl-2 e os níveis de mRNA foram examinados. Embora tanto os MNPs quanto os MFCS representem uma melhora nos parâmetros bioquímicos, o MFCS os aliviou em direção ao controle normal. A atividade anticâncer de MNPs e MFCS foi aprovada especialmente para AML. Sempre, a administração de MFCS foi mais eficaz do que MNPs. O presente trabalho é um dos poucos estudos que utilizou o MFCS como agente anticâncer.

Modificación del proceso de reducción expansiva para la síntesis de nanopartículas de hierro / Changing the reductive expansion process to synthesize iron nanoparticles / Modificação do processo de redução expansiva para a síntese de nanopartículas de ferro

La metodología de expansión reductiva ha sido exitosa en la síntesis de nanopartículas metálicas. Sin embargo, no hay reportes en la literatura respecto al uso de métodos de expansión para la producción de nanopartículas oxidadas. Se propuso una modificación en la aplicación de corriente de atmósfera oxidante durante el proceso de expansión reductiva. Mezclas de diferentes relaciones en peso de sales nitrogenadas de hierro y urea (agente expansor), fueron sometidas a choque térmico en un horno donde la sublimación súbita de la urea y las sales nitrogenadas, generaron una dispersión fina de material que entró en contacto con gases reductores. Durante esta sublimación se propició la formación de nanopartículas metálicas de hierro subsecuentemente oxidadas por la atmósfera oxidante reinante. Caracterización por medio de difracción de rayos X permitió concluir que el tipo de fase cristalina de las nanopartículas formadas es dependiente de la composición de los reactantes; por el contrario, la distribución de tamaño de partícula, área superficial y absorción de aceite no se ve fuertemente influenciados por dicha composición.

The reductive expansion method has been used successfully in the synthesis of metal nanoparticles. However, there are no reports regarding the use of expansion methods to produce oxidized nanoparticles. Here, we propose an adjustment to the current oxidizing atmosphere application during reductive expansion. Mixtures of different weight ratios of iron nitrogen salts and urea (blowing agent) were subjected to thermal shock in an oven; the sudden sublimation of the urea and nitrogen salts originated a fine dispersion of material that came into contact with reducing gases. During this sublimation, metallic iron nanoparticles were produced and subsequently oxidized by the prevailing oxidizing atmosphere. Through characterization using X-ray diffraction, we determined that the crystalline phase of the formed nanoparticles depends on the composition of the reactants. In contrast, particle size distribution, surface area and oil absorption are not strongly influenced by this composition.

A metodologia da expansão redutiva tem sido exitosa na síntese de nanopartículas metálicas. No entanto, não tem sido reportado na literatura respeito ao uso de métodos de expansão para a produção de nanopartículas oxidadas. Foi proposta uma modificação na aplicação da corrente de atmosfera oxidante durante o processo de expansão redutora. Mistura de diferentes relações em peso de sais nitrogenados de ferro e ureia (agente expansor), foram submetidas a choque térmico num forno onde a sublimação súbita da ureia e os sais nitrogenadas, geraram uma dispersão fina de material que entrou em contacto com gases redutores. Durante esta sublimação proporcionou-se a formação de nanopartículas metálicas de ferro subsequentemente oxidadas pela atmosfera oxidante reinante. Caracterização por meio de difração de raios-X permitiu concluir que o tipo de fase cristalina das nanoparticulas formadas é dependente da composição dos reagentes; pelo contrario, a distribuição do tamanho da partícula, área superficial e absorção de óleo não se vêm fortemente influenciados por dita composição.

Dendritic surface functionalization of nanomaterials: controlling properties and functions for biomedical applications

A wide variety of nanomaterials have demonstrated promise in medical applications such as drug delivery and imaging. In these applications, the surface chemistry of the materials is critical as it plays an important role in determining the toxicity and biodistribution behavior of the material. We review here the functionalization of nanomaterials with dendrons as an efficient method to alter the surface chemistry of the materials, introducing new properties and functions. Described here is the functionalization of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIO) with dendritic guanidines to enhance their transport into cells for magnetic resonance imaging applications. The introduction of dendrons bearing peripheral hydroxyls, amines, guanidines, carbohydrates and Gd(III) chelates to polymer vesicles (polymersomes) is also described. These dendritic moieties allow for modulation of toxicity, cell uptake, protein binding, and contrast agent efficiency, while at the same time allowing the stabilities of the polymersomes to be maintained. Thus, this approach holds promise for the development of a wide range of multifunctional materials for pharmaceutical applications.

Uma grande variedade de nanomateriais tem demonstrado aplicações médicas promissoras, tais como liberação de fármacos e em imagens. Nestas aplicações, a superfície química dos materiais é crítica, uma vez que exerce papel importante na determinação da toxicidade e comportamento de biodistribuição do material. Aqui, nós revisamos a funcionalização de nanomateriais, como dendrons, como método eficiente de alterar a superfície química destes compostos, introduzindo novas propriedades e funções. Descritos aqui estão nanopartículas superparamagnéticas de óxido de ferro (do inglês, SPIO), com guanidinas dendríticas para aumentar seu transporte para o interior das células, úteis em imagens de ressonância magnética. A introdução de dendrons contendo hidroxilas, aminas, guanidinas, carboidratos e quelatos de Gd(III) periféricos em vesículas poliméricas (polymersomes) também está descrita. Esses grupos dendríticos permitem a modulação de toxicidade, captura celular, ligação à proteína e eficiência como agente de contraste, enquanto que, ao mesmo tempo, permitem a manutenção da estabilidade das vesículas poliméricas. Assim, essa abordagem é promissora para o desenvolvimento de grande variedade de materiais multifuncionais para aplicações farmacêuticas.

Preparation and characterization of hydroxyapatite-coated iron oxide particles by spray-drying technique

Magnetic particles of iron oxide have been increasingly used in medical diagnosis by magnetic resonance imaging and in cancer therapies involving targeted drug delivery and magnetic hyperthermia. In this study we report the preparation and characterization of iron oxide particles coated with bioceramic hydroxyapatite by spray-drying. The iron oxide magnetic particles (IOMP) were coated with hydroxyapatite (HAp) by spray-drying using two IOMP/HAp ratios (0.7 and 3.2). The magnetic particles were characterized by way of scanning electronic microscopy, energy dispersive X-ray, X-ray diffraction, Fourier transformed infrared spectroscopy, flame atomic absorption spectrometry,vibrating sample magnetometry and particle size distribution (laser diffraction). The surface morphology of the coated samples is different from that of the iron oxide due to formation of hydroxyapatite coating. From an EDX analysis, it was verified that the surface of the coated magnetic particles is composed only of HAp, while the interior containsiron oxide and a few layers of HAp as expected. The results showed that spray-drying technique is an efficient and relatively inexpensive method for forming spherical particles with a core/shell structure.

As partículas de óxido de ferro têm sido extensivamente usadas em diagnósticos médicos como agente de contraste para imagem por ressonância magnética e na terapia do câncer, dentre estas, liberação de fármacos em sitos alvos e hipertermia magnética. Neste estudo nós reportamos a preparação e caracterização de partículas magnéticas de óxido de ferro revestidas com a biocerâmica hidroxiapatita. As partículas magnéticasde óxido de ferro (PMOF) foram revestidas com hidroxiapatita por spray-drying usando duas razões PMOF/HAp (0,7 e 3,2). As partículas magnéticas foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura, energia dispersiva de raios X, difração de raios X, espectroscopia de absorção no infra vermelho com transformada de Fourier, espectrometria de absorção atômica com atomização em chama, magnetometria de amostra vibrante e distribuição do tamanho de partícula (difração a laser). A morfologia da superfície das amostras revestidas é diferente das de óxido de ferro devido à formação do revestimento de hidroxiapatita. A partir da análise de energia dispersiva de raios X foi verificado que a superfície das partículas magnéticas é composta somente por hidroxiapatita, enquanto o interior contém óxido de ferro e uma pequena camada de hidroxiapatita, como esperado. Os resultados mostraram que atécnica de spray-drying é um método eficiente e relativamentede baixo custo para formação de partículas esféricas com estrutura núcleo/casca.