Ο καρκίνος, αποτελεί στις μέρες μας μία από τις πιο συνήθεις ασθένειες καθότι προσβάλει ένα μεγάλο μέρος του παγκόσμιου πληθυσμού, ανεξαρτήτου ηλικίας και γι αυτό το λόγο, η θεραπεία του αποτελεί μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της επιστημονικής κοινότητας. Η χορήγηση διαφόρων φαρμάκων έως τώρα, για την αντιμετώπισή του, έχει σαν αποτέλεσμα την προσβολή τόσο των καρκινικών, όσο και των υγειών κυττάρων. Κατά συνέπεια, προκαλούνται ποικίλες παρενέργειες στον ανθρώπινο οργανισμό, ορισμένες πολύ σοβαρές που δεν επιτρέπουν την χορήγηση θεραπευτικών δόσεων. Η νανοτεχνολογία μπαίνει δυναμικά στη μάχη κατά του καρκίνου. Ο σχεδιασμός και η χρήση συστημάτων με μέγεθος στην νανοκλίμακα, προσφέρει νέους τρόπους για τον εντοπισμό, τη διάγνωση και τη θεραπεία του καρκίνου από τα πρώτα κιόλας στάδια και με ελάχιστες παρενέργειες. Τα νανοσωματίδια μακράς κυκλοφορίας (stealth nanoparticles) παρέχουν ένα νέο τρόπο χορήγησης των αντικαρκινικών φαρμάκων, λειτουργώντας ως φορείς που εξαγγειώνονται στην περιοχή του όγκου, επιτρέποντας με αυτόν τον τρόπο την εκλεκτική διάθεση του φαρμάκου που περιέχουν στα καρκινικά κύτταρα. Τα σωματίδια αυτά, έχουν την ικανότητα να τροποποιούνται κατάλληλα, ώστε να είναι βιοσυμβατά και να μπορούν να προσκολλούνται στα καρκινικά κύτταρα ή στο μικροπεριβάλλον τους, λειτουργώντας έτσι σαν φορείς στη στοχευμένη χορήγηση αντικαρκινικών φαρμάκων, μειώνοντας την τοξικότητα στους φυσιολογικούς ιστούς. Οι νανοφορείς που έχουν μελετηθεί μέχρι σήμερα, εμφανίζουν σημαντικά προβλήματα, όπως δομική αστάθεια, δομική ετερογένεια και ελλειπή έλεγχο μεγέθους και σχήματος. Κατά συνέπεια, υπάρχει μία συνεχής ανάγκη ανάπτυξης νέων νανοφορέων ή βελτιστοποίηση των ήδη μελετημένων, προκειμένου να μπορούν να αξιοποιηθούν στην κλινική πράξη. Τα φουλλερένια (C60), έχουν κινήσει το ενδιαφέρον των επιστημόνων σε πολλούς τομείς της έρευνας, συμπεριλαμβανομένου της θεραπείας κατά του καρκίνου. Η βιολογική τους σταθερότητα, το μικρό μέγεθος και η ικανότητα πρόσδεσης σε αυτά διαφόρων παραγόντων, όπως πολυμερή, βιοδραστικές ουσίες και μονάδες στόχευσης τα κατέστησε ικανά να λειτουργούν σαν νανοφορείς στη στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων. Το μόνο τους μειονέκτημα είναι η μειωμένη διαλυτότητά τους στο νερό, το οποίο μπορεί να αντιμετωπιστεί με την πρόσδεση σε αυτά υδρόφιλων πολυμερών, όπως είναι η πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG). Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της σύνθεσης ενός συζεύγματος πεγκυλιωμένου μορίου φουλλερενίου (C60) με το αντικαρκινικό φάρμακο δοξορουμπικίνη, καθώς και η in vitro αξιολόγηση του τελικού προϊόντος. Στόχος είναι η αύξηση της αποτελεσματικότητας και η μείωση της τοξικότητας του φαρμάκου, μέσω στοχευμένης μεταφοράς στον καρκινικό όγκο. Ένα πεγκυλιωμένο σύζευγμα φουλλερενίου (C60) με δύο μόρια δοξορουμπικίνης (DOX2-C60-PEG, ένωση 4), συντέθηκε επιτυχώς και χαρακτηρίστηκε πλήρως μέσω 1H-NMR, 13C-NMR, IR, UV και TGA. Η δραστικότητα του τελικού προϊόντος, καθώς και ενός ήδη συντεθέντος συζεύγματος με ένα μόριο φαρμάκου DOX-C60-PEG (ένωση 2b), αλλά και του ενδιαμέσου συζεύγματος C60-PEG (ένωση 7) και της υδροχλωρικής δοξορουμπικίνης (DOX•HCl), ενάντια στον καρκίνο ελέγχθηκε in vitro σε καρκινικές σειρές κυττάρων μαστού MCF-7. Τα συζεύγματα DOX2-C60-PEG (4) και DOX-C60-PEG (2b) εμφάνισαν ικανοποιητική δράση αναστολής του πολλαπλασιασμού των κυττάρων, συγκρίσιμη με αυτήν του ελεύθερου φαρμάκου, ύστερα από σχετικά μακρό χρόνο επώασης. Μελέτη εντοπισμού της DOX χρησιμοποιώντας μικροσκοπία φθορισμού έδειξε ότι το φάρμακο στην περίπτωση των συζευγμάτων εντοπίζεται πολύ πιο αργά στο πυρήνα του κυττάρου, όπου και μπορεί να εξασκήσει φαρμακολογική του δράση, σε σύγκριση με την ελεύθερη DΟΧ. Αυτό σε συνδυασμό με την αργή απελευθέρωση του φαρμάκου από τα συζεύγματα, όπως έδειξαν πειράματα αποδέσμευσης σε προϊόν λύσης των MCF-7 καρκινικών κυττάρων, ερμηνεύει την συγκριτικά αργή εμφάνιση δράσης στην περίπτωση των συζευγμάτων. Συμπερασματικά στην εργασία συντέθηκαν επιτυχώς φουλλερενικά συζεύγματα δοξορουμπικίνης τα οποία είχαν ικανοποιητική αντικαρκινική δραστικότητα έναντι καρκινικών κυττάρων ανθρώπινης καρκινικής σειράς. τα αποτελέσματα δικαιολογούν περαιτέρω μελέτες εφαρμογής του φουλλερενίου ως νανοφορέα για την χορήγηση τόσο δοξορουμπικίνης, όσο και άλλων φαρμάκων κατά του καρκίνου. / Until now, the administration of various drugs for its cure, affect both cancer and normal cells. Thus, many serious side effects are caused on the human body, which do not permit the administration of therapeutic doses of potent anticancer drugs. Nanotechnology has entered dynamically”in the battle” against cancer. The design and the use of multifunctional nanoparticulte systems, provides new ways to detect, diagnose and treat cancer in the earliest stages and with minimal side effects. They can extravagate at tumor site, allowing direct drug access selectively to cancer cells. These particles have the capacity to be suitably modified in order to be biocompatible and can be attached to tumor cells or their microenvironment, acting as carriers in targeted delivery of anticancer drugs, reducing toxicity to normal tissues. Drug nanocarriers explored to date, suffer from inherent limitations, including instability, structural heterogeneity and poor control over size and shape. Therefore, there is a continuing need to produce new or optimized, already studied nanocarriers, in order to render possible the use of such advanced nanomedicines in the clinic. Fullerenes (C60), have attracted considerable interest in many fields of research, including the treatment of cancer. Because of their biological stability, their small size, and their ability to be suitably modified, attaching on them biological modifiers and drugs, they can be used as nanocarriers in targeted drug delivery. The main drawback of these carbon particles with regard to their biomedical applications, is their poor solubility to water. We can overcome this problem by attaching on fullerene particles hydrophilic polymers, such as polyethylene glycol (PEG). In the present work, the results of the synthesis and the in vitro biological evaluation of a pegylated fullerene conjugate with the potent anticancer drug Doxorubicin are represented. The main goal is to increase efficacy and reduce toxicity of doxorubicin, through targeted delivery to tumors, by conjugating the drug to pegylated fullerenes. A pegylated fullerene-doxorubicin conjugate with two molecules of drug per fullerene particle (DOX2-C60-PEG, compound 4) has successfully been synthesized and was fully characterized by 1H-NMR, 13C-NMR, IR, UV and TGA. The anticancer activity of conjugates DOX2-C60-PEG (4), DOX-C60-PEG (compound 2b, with one DOX molecule per fullerene particle), and conjugate C60-PEG (control compound 7) and doxorubicin hydrochloride ((DOX•HCl), was evaluated in MCF-7 cancer cells lines. The fullerene-doxorubicin conjugates (2b, 4) exhibited satisfactory anticancer activity (inhibiting cancer cells proliferation), which became comparable to the activity of free drug at relatively long incubation times. In accordance with the relatively slow effect of DOX-C60-PEG conjugates on cells viability, DOX localization studies using fluorescence microscopy indicated that the drug is much more slowly localized in cell nucleus, where the drug can exert its pharmacological action, in the case of conjugates compared to free DOX. In conclusion pegylated fullerene-doxorubicin conjugates were successfully synthesized. These DOX-C60-PEG conjugates exhibited comparable, but with a delayed onset, to free DOX anticancer activity against human cancer cell lines. The results obtained justify further investigation of the potential of these conjugates as anticancer nanomedicines.

Η θεραπεία του καρκίνου αποτελεί στις μέρες μας μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της επιστημονικής κοινότητας παγκοσμίως. Τα συμβατικά φάρμακα που κυκλοφορούν εδώ και χρόνια προσβάλλουν τόσο τα καρκινικά όσο και τα υγιή κύτταρα. Το αποτέλεσμα είναι η πρόκληση σοβαρών παρενεργειών, οι οποίες δεν επιτρέπουν τη χορήγηση θεραπευτικών δόσεων. Η ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας έχει βοηθήσει κατά πολύ το επιστημονικό πεδίο όσον αφορά τη διάγνωση και τη θεραπεία του καρκίνου. Τα νανοσωματίδια παρέχουν ένα νέο τρόπο χορήγησης των αντικαρκινικών φαρμάκων, λειτουργώντας ως φορείς που εξαγγειώνονται στην περιοχή του όγκου, επιτρέποντας με αυτόν τον τρόπο άμεση πρόσβαση στα καρκινικά κύτταρα. Τα συγκεκριμένα σωματίδια μπορούν να τροποποιηθούν κατάλληλα, ώστε να αποκτήσουν τη δυνατότητα να δεσμευθούν στις μεμβράνες των καρκινικών κυττάρων, στο μικροπεριβάλλον τους ή σε κυτταροπλασματικούς ή πυρηνικούς υποδοχείς. Κατά συνέπεια, μεταφέρονται στοχευμένα υψηλές συγκεντρώσεις του φαρμάκου στα καρκινικά κύτταρα και μειώνεται η τοξικότητα στους φυσιολογικούς ιστούς. Η ανάπτυξη τροποποιημένων νανοφορέων για τη χορήγηση των αντικαρκινικών φαρμάκων μπορεί να περιορίσει τα προβλήματα που συνδέονται με τα συμβατικά συστήματα χορήγησης, όπως έλλειψη εκλεκτικότητας και τοξικότητα. Οι νανοφορείς που έχουν μελετηθεί μέχρι σήμερα, εμφανίζουν σημαντικά προβλήματα, όπως δομική αστάθεια, δομική ετερογένεια και ελλειπή έλεγχο μεγέθους και σχήματος. Υπάρχει, συνεπώς, μια αυξανόμενη ανάγκη για ανάπτυξη προηγμένων συστημάτων μεταφοράς αντικαρκινικών φαρμάκων, στα οποία το σχήμα, το μέγεθος και η ικανότητα φόρτωσης να μπορούν να ρυθμιστούν κατάλληλα, προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η αποτελεσματικότητα και να ελαχιστοποιηθεί η τοξικότητα των φαρμάκων. Τα φουλλερένια (C60) ανήκουν στην κατηγορία των νανοφορέων που μελετούνται εκτενώς για τη χορήγηση αντικαρκινικών παραγόντων. Η δυνατότητα των φουλλερενίων για την εκπλήρωση των παραπάνω προδιαγραφών έγκειται στη μεγάλη δυνατότητα τροποποίησης της βασικής τους δομής και την παρασκευή πληθώρας παραγώγων με επιθυμητές ιδιότητες. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτών των μορίων είναι η ελάχιστη διαλυτότητά τους στο νερό. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί με την πρόσδεση σε αυτά υδρόφιλων πολυμερών, όπως είναι η πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG). Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της σύνθεσης ενός συζεύγματος πεγκυλιωμένου μορίου φουλλερενίου (C60) με το αντικαρκινικό φάρμακο δοξορουμπικίνη, καθώς και η in vitro αξιολόγηση του τελικού προϊόντος. Στόχος είναι η αύξηση της αποτελεσματικότητας και η μείωση της τοξικότητας του φαρμάκου, μέσω στοχευμένης μεταφοράς στον καρκινικό όγκο. Ένα πεγκυλιωμένο σύζευγμα φουλλερενίου (C60) με δοξορουμπικίνη (FULL-PEG-DOX) συντέθηκε επιτυχώς σε έξι στάδια με συνολική απόδοση 25,7% και χαρακτηρίστηκε με 1H-NMR, IR και UV. Η δραστικότητα του τελικού προϊόντος, καθώς επίσης και δύο ενδιάμεσων προϊόντων (FULL-PEG και FULL-DOX) αλλά και του υδροχλωρικού άλατος της δοξορουμπικίνης ενάντια στον καρκίνο ελέγχθηκε in vitro σε καρκινικές σειρές κυττάρων MCF-7. Το τελικό προϊόν εμφάνισε ικανοποιητική αντικαρκινική δράση, κυρίως μέσω αναστολής του πολλαπλασιασμού των καρκινικών κυττάρων. Τα αποτελέσματα της μελέτης μπορούν να θεωρηθούν ιδιαίτερα ενθαρρυντικά και δικαιολογούν τη συνέχιση της ερευνητικής προσπάθειας για στοχευμένη χορήγηση δοξορουμπικίνης σε καρκινικά κύτταρα μέσω της πρόσδεσής της σε τροποποιημένα μόρια φουλλερενίου. / Cancer’s treatment is nowadays one of the most important challenges that the scientific community worldwide has to face. Conventional anticancer drugs, which are in the market many years, affect both cancer and normal cells. Hence, they cause serious side effects, which make the administration of therapeutic drug doses impossible. The development of nanotechnology has changed the scientific landscape in terms of cancer diagnosis and treatment. Nanoparticulate drug carriers provide a new mode of cancer drug delivery. They can extravasate at tumor site, allowing direct drug access to cancer cells. These particles allow exquisite modification for binding to cancer cell membranes, the microenvironment or to cytoplasmic or nuclear receptor sites. This results to the delivery of high drug concentrations to the targeted cancer cells with reduced toxicity to normal (healthy) tissue. The application of engineered nanocarriers for the delivery of anticancer drugs may alleviate the problems associated with conventional anticancer drug delivery systems, such as lack of selectivity and toxicity. Drug nanocarriers explored to date suffer from inherent limitations, including instability, structural heterogeneity and poor control over size and shape. There is an increasing need for advanced delivery agents for the anticancer drugs where shape, size, functionalization and loading capacity can be precisely tuned in order to maximize efficacy and minimize drug toxicity. Among the nanocarriers which are currently studied as drug delivery systems for anticancer agents are fullerenes (C60). The potential of fullerenes to address the above specifications lies in the immense scope for chemical derivatization to the basic structure. Except for their high toxicity to normal cells, the main drawback of these carbon molecules is their poor solubility to water. This problem can be overcome by attaching on fullerene particles hydrophilic polymers, such as polyethylene glycol (PEG). In the present work, the results of synthesis and in vitro biological evaluation of a pegylated fullerene conjugate with the potent anticancer drug Doxorubicin are represented. The main goal is to increase efficacy and reduce toxicity of doxorubicin, through targeted delivery to tumors, by conjugating the drug to pegylated fullerenes. A pegylated fullerene-doxorubicin conjugate has been successfully synthesized in 6 steps with a 25.7 % overall yield and was characterized by 1H-NMR, IR and UV. The final product, two intermediate products and doxorubicin hydrochloride were evaluated in vitro against MCF-7 cancer cells lines. The final product exhibited satisfactory anticancer activity mainly by inhibiting proliferation. The results of this study justify further investigation of the potential of pegylated fullerenes as targeted nanocarriers of doxorubicin.