Η Πακλιταξέλη αποτελεί ένα από τα πιο ευρέως διαδεδομένα χημειοθεραπευτικά φάρμακα και ενδείκνυται κυρίως σε καρκίνο του πνεύμονα, του μαστού, των ωοθηκών, καθώς και σε σάρκωμα Kaposi ασθενών με AIDS. Ωστόσο, η χρήση της συνδέεται με αρκετές παρενέργειες, γεγονός που επέβαλε την τροποποίησή της σε Συστήματα Ελεγχόμενης Χορήγησης (DDS). Τα συγκεκριμένα συστήματα επιτρέπουν την εκλεκτική μεταφορά του φαρμάκου στον καρκινικό ιστό με μηχανισμούς παθητικής ή ενεργητικής στόχευσης, καθώς και τον έλεγχο του φαρμακοκινητικού προφίλ. Ιδιαίτερα ελπιδοφόρα φαίνεται να είναι η ενσωμάτωση της PTX σε πολυμερικές νανοκάψουλες. Η δομή πυρήνα - κελύφους των νανοκαψακίων καλύπτει τη χορήγηση μίας μεγάλης ποικιλίας ενεργών συστατικών, με το ενδιαφέρον να εστιάζεται σε αντινεοπλασματικά, αντιφλεγμονώδη, αντιικά και ανοσοκατασταλτικά. Η εισαγωγή των φαρμάκων στα νανοκαψάκια μπορεί να οδηγεί σε αύξηση της αποτελεσματικότητας και σταθερότητας των δραστικών ουσιών, καλύτερη in vivo συμπεριφορά και υψηλότερη ενδοκυτταρική πρόσληψη. Ορισμένες μελέτες προτείνουν την εγκαψακίωση νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου (SPIONs) σε συστήματα χορήγησης φαρμάκων, τα οποία έχουν αποδειχθεί πολύτιμα εργαλεία τόσο στον τομέα της διάγνωσης (μαγνητική τομογραφία πυρηνικού συντονισμού), όσο και της θεραπείας. Με εφαρμογή εξωτερικού εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου καθίσταται εφικτή η συσσώρευση των μαγνητικών νανοφορέων στον ιστό - στόχο (μαγνητική στόχευση), ενώ η θεραπεία επέρχεται μέσω επαγωγής μαγνητικής υπερθερμίας. Η εν λόγω μεταπτυχιακή διατριβή πραγματεύεται την εγκαψακίωση της ΡΤΧ και των SPIONs σε πολυμερικές νανοκάψουλες, παρασκευασμένες από το συμπολυμερές πολυ(γαλακτικού οξέος) – πολυ(αιθυλενογλυκόλης) (PLA-PEG). Το PLA αποτελεί ένα βιοαποικοδομήσιμο πολυμερές, το οποίο δημιουργεί έναν πυρήνα, ικανό να εγκαψακιώσει και να προστατέψει υδρόφοβες ουσίες. Από την άλλη μεριά, το PEG είναι ένα υδρόφιλο, βιοσυμβατό πολυμερές, το οποίο προσδίδει στερεοχημική σταθεροποίηση στα συστήματα και παρατείνει το χρόνο κυκλοφορίας τους. Πιο συγκεκριμένα, παρασκευάστηκαν μαγνητικά νανοκαψάκια με συμπολυμερή PLA-PEG, διαφορετικού μοριακού βάρους, με τη μέθοδο της καθίζησης (nanoprecipitation). Οι μαγνητικοί νανοκρυσταλλίτες συντέθηκαν με την τεχνική της θερμικής αποικοδόμησης, ενώ ως πρόδρομη ένωση χρησιμοποιήθηκε ελαϊκός σίδηρος [Fe(Olate)3]. Διερευνήθηκαν διάφορες παράμετροι σχετικά με την σύνθεση (ποσότητα SPIONs, αναλογία πολυμερούς/ελαίου, ποσότητα φαρμάκου), έτσι ώστε να δημιουργηθούν βέλτιστοι νανοφορείς. Επιπλέον, εξετάστηκε η σταθερότητα των διασπορών τόσο στο χρόνο, όσο και στην παρουσία ηλεκτρολυτών (NaCl) με μέτρηση της υδροδυναμικής διαμέτρου και του επιφανειακού φορτίου, χρησιμοποιώντας την τεχνική της δυναμικής σκέδασης φωτός (DLS). Ακολούθησε μορφολογική εκτίμηση των νανοκαψακίων με τη βοήθεια ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διάδοσης (ΤΕΜ) και δομικός χαρακτηρισμός τους μέσω φασματοσκοπίας FTIR. Σε επόμενο στάδιο, μετρήθηκε το ποσοστό φόρτωσης της ΡΤΧ με χρήση υγρής χρωματογραφίας (HPLC) και πραγματοποιήθηκαν μελέτες αποδέσμευσης, παρουσία και μη εξωτερικού εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου, σε διάλυμα φωσφορικών (pH =7.4) στους 37 oC για 24 h. Τέλος, εξετάστηκε η κυτταροτοξικότητα των «φορτωμένων» (με ΡΤΧ) μαγνητικών νανοκαψακίων και συγκρίθηκε με εκείνη των «κενών» νανοφορέων, αλλά και του φαρμάκου. Ο έλεγχος αυτός πραγματοποιήθηκε με χρώση καρκινικών κυττάρων (σειρά Α549) από ιωδιούχο προπίδιο (ΡΙ) και μέτρηση του φθορισμού των νεκρών κυττάρων από κυτταρομετρία ροής. Τα αποτελέσματα ήταν ιδιαιτέρως ικανοποιητικά, καθώς οι νανοφορείς παρουσιάζουν σταθερότητα στο χρόνο (έλεγχος περιόδου ενός μηνός), αλλά και παρουσία ηλεκτρολυτών. Το ποσοστό φόρτωσης της ΡΤΧ υπολογίστηκε ~1.2 %, ενώ η απόδοση εγκαψακίωσης κυμαινόταν από 15 - 25 %. Επίσης, παρουσίασαν υψηλή απόδοση εγκαψακίωσης SPIONs (~65 %), εξαρτώμενη από την πολυμερική σύνθεση των νανοφορέων. Οι μελέτες απελευθέρωσης παρουσίασαν παρατεταμένη αποδέσμευση της πακλιταξέλης, η οποία αποκρίνεται σε παρουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Τέλος, τα «κενά» (χωρίς φάρμακο) μαγνητικά νανοκαψάκια δεν παρουσίασαν κυτταροτοξικότητα, σε αντίθεση με τα «φορτωμένα» με φάρμακο, τα οποία προκάλεσαν μεγαλύτερη τοξικότητα σε καρκινικά κύτταρα και από το ελεύθερο φάρμακο. Τα παραπάνω αποτελέσματα δικαιολογούν την περαιτέρω διερεύνηση της πιθανής χρησιμοποίησης των PLA-PEG μαγνητικών νανοκαψακίων ως φορείς στοχευμένης χορήγησης της Πακλιταξέλης. / Paclitaxel is one of the most widely used chemotherapeutic drugs and is particularly suitable to lung, breast, ovarian cancer and AIDS - related Kaposi sarcoma. However, its use is associated with several side effects, certain of them attributable to the formulation used clinically today, which imposed its formulation in Targetable Drug Delivery Systems (TDDS). These systems allow selective delivery of drug in the tumor tissue by passive or active targeting mechanisms and control of the pharmacokinetic profile. Particularly promising appears to be the encapsulation of PTX in polymeric nanocapsules. The core - shell structure of the nanocapsules covers the delivery of a wide variety of active ingredients, with interest focused on anti-neoplastic, anti-inflammatory, antiviral and immunosuppressive. The nanoencapsulation of drugs can increase the efficiency and the stability of active substances, while allowing better in vivo behavior and higher intracellular uptake. Some studies suggest the encapsulation of iron oxide nanoparticles (SPIONs) in such systems, which have been proven valuable tools in both diagnosis (through nuclear magnetic resonance imaging) and therapy. The application of an external alternating magnetic field permits the accumulation of magnetic nanocarrier in target-tissue (magnetic targeting), while the treatment occurs by inducing magnetic hyperthermia. This thesis discusses the encapsulation of PTX and SPIONs in polymeric nanocapsules, prepared from biocompatible poly (lactic acid) - poly (ethylene glycol) (PLA-PEG) copolymers. The PLA is a biodegradable polymer, which generates a core capable to encapsulate and protect hydrophobic substances. On the other hand, the PEG is a hydrophilic, biocompatible polymer, which gives steric stabilization systems and prolong their circulation time after intravenous administration. Specifically, magnetic nanocapsules were synthesized with varying molecular weight of copolymers PLA-PEG through the nanoprecipitation method, while the magnetic nanoparticles were composed through thermal decomposition and oleate iron [Fe (Olate) 3] was used as a precursor. The optimum parameters were determined, conferring to the nanocapsules high stability. In addition, they were characterized with regard to their size and zeta potential at different salt concentrations (up to 2M NaCl) using dynamic light scattering (DLS). Then, the morphological characteristics of nanocapsules were evaluated by transmission electron microscopy (TEM) and their structural characterization by spectroscopy FTIR. In the next step, the Paclitaxel loading was determined with liquid chromatography (HPLC) and release studies were conducted in phosphate buffer (pH = 7.4) at 37 oC for 24 h, including triggered drug-release by application of AC magnetic field. Finally, the cytotoxicity of drug-loaded (with PTX) magnetic nanocapsules was tested and compared to that of blank (without drug) nanocarriers and free drug. For these studies the cancer cell line A549 was used and after their incubation with the nanocapsules or the free drug, the dead cells were stained by propidium iodide (PI) and measured by flow cytometry. The obtained results were particularly satisfactory, as nanocarriers show stability over time (up to one month) and at high salt concentrations, much higher than the physiologic one. The loading of PTX was measured to be 1.2%, for a theoretical loading of 1.9 %, and the yield of encapsulation ranged from 15-25%. The nanocapsules also showed high encapsulation efficiency for SPIONs (~ 65%), depending on the polymeric composition of nanocarriers. Drug release studies showed that the nanocapsules exhibited controlled release properties. Furthermore, the release appeared to respond to the presence of external magnetic field. Finally, the «blank» magnetic nanocapsules did not exhibit cytotoxicity, whereas the «loaded» nanocarriers caused higher toxicity than the free drug. These results justify further investigation of the PLA-PEG magnetic nanocapsules as drug delivery systems of Paclitaxel.

Η Πακλιταξέλη (PTX) αποτελεί ένα ευρέως διαδεδομένο αντινεοπλασματικό φάρμακο και ενδείκνυται σε μεταστατικό καρκίνο του μαστού, καρκίνο ωοθηκών, μη μικροκυτταρικό καρκίνο του πνεύμονα και σε σάρκωμα Kaposi ασθενών με AIDS. Παρ’ όλα αυτά, η σημαντική τοξικότητα που εμφανίζει (μυελοκαταστολή, νευροτοξικότητα, αντιδράσεις υπερευαισθησίας), υπογραμμίζει την αναγκαιότητα για μορφοποίησή της σε Συστήματα Ελεγχόμενης Χορήγησης Φαρμάκων (DDS), με σκοπό τη μείωση των ανεπιθύμητων ενεργειών και την αύξηση της βιοδιαθεσιμότητας του φαρμάκου. Τα πολυμερικά μικκύλια έχουν μελετεθεί εκτενώς τα τελευταία χρόνια ως Συστήματα Ελεγχόμενης Χορήγησης Φαρμάκων. Η ενσωμάτωση υπερπαραμαγνητικών νανοκρυσταλλιτών οξειδίου του σιδήρου (SPIONs) στον πυρήνα των PTX-μικκυλίων, παρέχει τη δυνατότητα μαγνητικής στόχευσης του φαρμάκου στην επιθυμητή περιοχή δράσης, καθώς και τη θεραπεία του καρκίνου μέσω επαγωγής μαγνητικής υπερθερμίας, με την εφαρμογή εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. Επιπλεόν, η χρήση των SPIONs ως σκιαγραφικά μέσα (Τ2-contrast enhancement) στη μαγνητική τομογραφία πυρηνικού συντονισμού (MRI), εξασφαλίζει το πλεονέκτημα ταυτόχρονης διάγνωσης και θεραπείας (Theranostics), αποκαλύπτοντας την πολυλειτουργικότητα των συστημάτων αυτών. Οι συγκεκριμένοι νανοφορείς, έχοντας μικρό μέγεθος (100-200nm), θεωρούνται κατάλληλοι για να αποφύγουν την οψωνινοποίηση απο τις λιποπρωτεϊνες του αίματος, την επίθεση απο τα φαγοκύτταρα του Δικτυοενδοθηλιακού συστήματος (RES) καθώς και την ταχεία νεφρική κάθαρση, με αποτέλεσμα την παρατεταμένη κυκλοφορία τους στο αίμα (stealth systems) και την εκλεκτική πρόσληψη τους απο τους συμπαγείς καρκινικούς όγκους, μέσω του φαινομένου της ενισχυμένης διαπερατότητας και κατακράτησης (EPR effect). Οι ιδιότητες αυτές, καθιστούν τα συγκεκριμένα συστήματα πολύτιμα εργαλεία στον τομέα της νανοϊατρικής. Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή πραγματεύεται τη σύνθεση υδρόφοβων SPIONs μέσω της τεχνικής της θερμικής αποικοδόμησης. Μελετήθηκαν οι συνθετικές παράμετροι (πρόδρομη ένωση, ποσότητα ελαϊκού οξέος, θερμοκρασία και διάρκεια αντίδρασης, ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας κ.α) που επηρεάζουν το μέγεθος, το σχήμα και τη διασπορά του μεγέθους των σχηματιζομένων νανοκρυσταλλιτών (5-13nm, σ: 10-20%), καθώς διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη μαγνητική συμπεριφορά των υβριδικών νανονοφορέων. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε σύνθεση υβριδικών νανοφορέων με εγκλωβισμό των SPIONs σε πολυμερικά μικκύλια. Η παρασκευή των υπερπαραμαγνητικών μικκυλίων επιτελέστηκε με την τεχνικη solvent diffusion and evaporation (nanoprecipitation), με χρήση του αμφίφιλου συμπολυμερούς πολυ(γαλακτικό οξύ)-πολυ(αιθυλενογλυκόλη) (PLA-PEG). Στον υδρόφοβο πυρήνα των μικκυλίων (PLA) δεσμεύονται υδρόφοβες ενώσεις (PTX, SPIONs), ενώ το υδρόφιλο κέλυφος (PEG) προσδίδει κολλοειδή σταθερότητα σε υδατικά μέσα (δομή πυρήνα-κελύφους). Διερευνήθηκαν διάφορες συνθετικές παράμετροι (μοριακό βάρος συμπολυμερούς, ποσότητα SPIONs, ρυθμός προσθήκης οργανικής φάσης κ.α) και προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες για την παρασκευή υπερπαραμαγνητικών μικκυλίων μεγέθους <200nm, με αξιοσημείωτη κολλοειδή σταθερότητα (μέχρι και έξι μήνες), σε συνθήκες παρόμοιες με αυτές του ανθρώπινου πλάσματος (pH: 7.4, ιοντική ισχύς: 0.15Μ). Στο επόμενο στάδιο της παρούσας εργασίας, μελετήθηκαν οι παράγοντες που επηρεάζουν τη φόρτωση-ενκαψυλίωση της PTX και των SPIONs στα πολυμερικά μικκύλια (ποσότητα PTX, ποσότητα και μέγεθος SPIONs, μοριακό βάρος PLA-PEG, ρυθμός προσθήκης οργανικής φάσης κ.α), σε φυσιολογικές συνθήκες (pH:7.4, ιοντική ισχύς: 0.15Μ). Αναπτύχθηκε πρωτόκολλο μέσω του οποίου έγινε κατορθωτός ο διαχωρισμός των μαγνητικών νανοφορέων απο τους μη μαγνητικούς, καθώς και ο υπολογισμός της φόρτωσης-ενκαψυλίωσης PTX και SPIONs ξεχωριστά, τόσο στους μαγνητικούς και μη μαγνητικούς νανοφορείς, όσο και στο μέιγμα αυτών. Οι συγκεκριμένοι νανοφορείς χαρακτηρίζονται απο εξαιρετικά υψηλή απόδοση ενκαψυλίωσης φαρμάκου (93 %wt.) και φόρτωση φαρμάκου που ανέρχεται στο 4.8 %wt. Oι αμιγώς μαγνητικοί νανοφορείς επιδεικνύουν υψηλή απόδοση ενκαψυλίωσης νανοκρυσταλλιτών (70 %wt.), ενώ η φόρτωση σε φάρμακο και SPIONs ανέρχεται σε 5.2 και 20 %wt. αντίστοιχα. Σε αμφότερες τις περιπτώσεις οι νανοφορείς, μεγέθους (υδροδυναμική διάμετρος) 170nm, χαρακτηρίζονται απο ικανοποιητική μαγνητική συμπεριφορά. Εξετάστηκε η επίδραση του μεγέθους των νανοκρυσταλλιτών στη μαγνητική συμπεριφορά των νανοφορέων. Οι αμιγώς μαγνητικοί νανοφορείς με μεγαλύτερο μέγεθος SPIONs παρουσιάζουν καλύτερη μαγνητική συμπεριφορά. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν μελέτες αποδέσμευσης του φαρμάκου σε PBS (0.14Μ, pH:7.4) στους 37oC και διερευνήθηκε η επίδραση της εφαρμογής εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου στην αποδέσμευση της PTX απο τους μαγνητικούς νανοφορείς (Triggered Drug Release). Σε κάθε περίπτωση, παρατηρήθηκε ελεγχόμενη αποδέσμευση του φαρμάκου για 24 ώρες, σε συνθήκες που προσομοιάζουν με αυτές του πλάσματος. Ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των νανοφορέων πραγματοποιήθηκε με HPLC, DLS, TGA, TEM και μαγνητοφόρηση. / Paclitaxel (PTX) is one of the most successful anticancer drugs against a broad range of solid tumors, such as metastatic breast cancer, ovarian cancer, non-small-cell lung cancer and AIDS-related Kaposi sarcoma. However, the serious systematic side effects of PTX (myelosuppression, neurotoxicity, hypersensitivity) underline the need for formulation of PTX in Drug Delivery Systems (DDS), in order to reduce the side effects and increase the bioavailability of the drug. Among DDS, polymeric micelles have drawn much attention due to their great flexibility in tuning drug solubility, micelle size, targeted drug delivery and stability. Incorporation of Superparamagnetic Iron Oxide Nanocrystals (SPIONs) inside the core of drug-loaded polymeric micelles, imparts to the final Drug Delivery System the prospect of physical (magnetic) targeting, intrinsic therapeutic function (hyperthermia-based cancer therapy under alternating external magnetic field), T2-based contrast enhancement in magnetic resonance imaging (MRI) and remotely triggered drug release. These core-shell polymeric micelles having small size (100-200nm), are considered appropriate for avoiding both opsonization, macrophages attack by ReticuloEndothelial System (RES) and rapid renal clearance, thus allowing micelles to be taken up preferably by solid tumors through Enhanced Permeability and Retention (EPR) effect. Therefore, such nanoassemblies encode high potential in nanomedicine, due to their dual nature (Therapeutic+Diagnostic = Theranostics). In particular, we have studied the synthesis of organophilic SPIONs through thermal decomposition. The synthetic parameters (precursor, precursor:oleic acid ratio, reaction temperature and duration, heat rate, etc.) affecting the size, shape and size distribution of the nanocrystals have also been examined thoroughly, since they play a key-role concerning the magnetic behavior of the final hybrid. Nanosized SPIONs with narrow size distribution were synthesized (5-13nm, σ: 10-20%). The preparation of poly(lactic acid)-block-poly(ethyleneglycol) (PLA-PEG) micelles encapsulating hydrophobic SPIONs, by varying the molecular weight of the polymers, the amount of SPIONs and the addition rate during micelle assembly, has also been investigated. The core-shell superparamagnetic micelles were prepared through solvent diffusion and evaporation technique (nanoprecipitation). PTX and SPIONs are being incorporated into the micelle’s hydrophobic core (PLA) through hydrophobic interactions, whereas the hydrophilic shell (PEG) stabilizes the micelles in aqueous dispersions, optimizing their colloidal stability and providing prolonged circulating time. The optimum parameters were determined, conferring to the micelles (Hydrodynamic Diameter < 200nm) high colloidal stability (up to six months) at biorelevant conditions (pH:7.4, ionic strenght: 0.15M). The next phase of the present master thesis focused on studying the factors (amount of PTX and SPIONs, molecular weight of PLA-PEG, addition rate, etc.) affecting the Loading of PTX and SPIONs into the polymeric micelles and how they can be fine-tuned towards high drug loading, while retaining their size at a scale where long circulation would not be precluded. Through protocol establishment, we have managed to separate the magnetic and non magnetic micelles, and to determine individually the loading of PTX and SPIONs for magnetic, non magnetic micelles, as well as for the mixture of them. The micelles’ mixture exhibits very high Drug Encapsulation Efficiency (93 %wt.) and 4.8 %wt. Drug Loading (D.L). Magnetic nanocarriers display high Magnetic Encapsulation Efficiency (70 %wt.), with D.L and Magnetic Loading of 5.2 and 20 %wt. respectively, In both cases, micelles demonstrate adequate magnetic behavior and small sizes (hydrodynamic diameter: 170nm), under conditions which simulate with human plasma (pH:7.4, ionic strenght: 0.15M). The effect of SPIONs’ size on the magnetic behavior of hybrid colloids, was also examined. Magnetic nanocarriers encapsulating SPIONs of greater size exhibit better magnetic behavior. Finally, we have conducted Drug release studies in PBS (0.14M, pH:7.4) at 37oC. The effect of SPIONs presence on the release profile of PTX, including triggered drug-release by application of AC magnetic field, has also been investigated. PTX-magnetic micelles exhibit Controlled Drug release for 24 hours. Several techniques have been used for the characterization of such nanoassemblies, like: HPLC, DLS, TGA, TEM, XRD, Magnetophoresis and Triggered Drug release by application of AC magnetic field.