Exploring Iron Oxide Nanoparticles Coating and Stability for Magnetic Hyperthermia Applications

Abstract

Currently, cancer treatment research is a leading focus due to limitations in conventional treat- ments. In particular, malignant melanoma often demonstrates treatment resistance. In response, re- searchers have been investing in innovative approaches such as magnetic hyperthermia (MH). MH relies on locally increasing the temperatures to trigger death mechanisms in cancerous cells, employing superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) to convert electromagnetic energy into heat. However, challenges related to the SPIONs coating’s impact on their stability, the MH heating mechanism and the cell death mechanism, hinder MH from becoming a clinical standard. The primary aim of this work is to explore diverse SPIONs coatings, assessing their stability, cell interactions, and the induced cell death mechanism. This work presents a detailed characterization of SPIONs coated with three coating agents - oleic acid (OA), dimercaptosuccinic acid (DMSA), and (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES) and an evaluation of their stability across different conditions. Overall, OA- and DMSA-coated SPIONs exhib- ited similar behavior across various assays, including protein corona formation and hyperthermia tests. Over time, characteristics such as heating capacity decreased in the 3 types of SPIONs. APTES-coated SPIONs displayed higher protein corona formation. Interaction studies involving three cell lines (fibro- blasts, melanoma, and macrophages) revealed enhanced internalization of APTES-coated SPIONs, with melanoma cells exhibiting lower internalization compared to fibroblasts and macrophages. In hyper- thermia assays, only APTES-coated SPIONs achieved the therapeutic temperature range, reducing the melanoma cells viability. This work underlines the critical role of the nanoparticles surface modifications used and high- lights the multiplicity of factors that require consideration. However, additional research is essential for a better understanding of the cell death mechanism induced by MH and for its clinical translation.

Atualmente, o tratamento de cancro é um foco de investigação devido às limitações das metodo- logias convencionais. Em particular, o melanoma maligno demonstra frequentemente resistência aos tratamentos. A hipertermia magnética (HM) é uma terapia inovadora que se baseia na elevação de temperatura localizada para desencadear a morte de células tumorais, empregando nanopartículas superparamagné- ticas de óxido de ferro (SPIONs) para converter a energia electromagnética em calor. Contudo, desafios como a influência que o revestimento das SPIONs tem na sua estabilidade, o mecanismo de aquecimento da HM e, especialmente, o mecanismo de morte celular, atrasam a evolução da HM para a prática clínica. O principal objetivo deste trabalho consiste em explorar diferentes revestimentos de SPIONs, avaliando a sua estabilidade, interações celulares e o mecanismo de morte celular induzido. Este estudo apresenta uma caracterização detalhada de SPIONs revestidas por ácido oleico (AO), ácido dimercaptosuccínico (DMSA) e (3-aminopropil)trietoxissilano (APTES) e uma avaliação da sua estabilidade em diferentes condições. SPIONs revestidas com AO e DMSA apresentaram um compor- tamento semelhante em diversos ensaios, incluindo nos testes de adsorção proteica e nos de HM. SPIONs revestidas com APTES apresentaram maior formação de proteína corona. Ao longo do tempo, a capacidade de aquecimento dos três tipos de SPIONs diminuiu. Estudos de interação envolvendo fi- broblastos, melanoma e macrófagos revelaram uma maior internalização de SPIONs revestidas com APTES, com as células de melanoma a exibirem uma menor internalização. Nos ensaios de HM, so- mente as SPIONs revestidas por APTES atingiram o intervalo de temperatura terapêutico, reduzindo a viabilidade da linha celular de melanoma. Este trabalho sublinha o papel crítico do revestimento e destaca a multiplicidade de fatores que exigem consideração. No entanto, mais estudos são necessários para uma melhor compreensão dos mes- mos e para a translação clínica da HM.