Therapeutic deep eutectic systems as promising selective therapeutic agents in the anticancer battle

Abstract

In the pursuit of overcoming modern medicine most highly demanding challenges, we keep on seeking innovative therapeutics to unravel the complexity lying at the intersection of sci- ence, health, and sustainability. Considering cancer is the second leading cause of death world- wide, and colorectal cancer (CRC) is among the most incident and deadliest, while conventional therapeutics lack on selectiveness with consequent undesired side-effects. It was the main aim of this thesis to design a selective anti-CRC agent which could also be aligned with pharma- ceutical industry sustainable goals. Following eutectic systems spotlight from their remarkable physicochemical and biological properties, it was herein sought to push forward their reported promising cytotoxicity towards cancer cells, by unravelling eutectics specific interaction with CRC cells. For that, a library of therapeutic deep eutectic systems (THEDES) based on the com- bination of a terpene with an anti-inflammatory drug, was created embodying liquid formula- tions that could leverage both individual components inherent therapeutical traits. Subse- quently, an integrated approach was employed for evaluating THEDES effect on several indi- cators of potential therapeutic value towards CRC. In a first step, combining Me:Ibu (3:1), Thy:Ibu (3:1), POH:Ibu (3:1), POH:Ibu (8:1), Lim:Ibu (4:1) and Lim:Ibu (8:1), revealed promising anti-CRC effect since eutecticity promoted an increase in API bioavailability, control of ROS production, and cell dead induction via apoptosis. Secondly, THEDES specific interaction with CRC cellular endo and exometabolome, revealed alterations on their metabolite landscape with deleterious effect on essential metabolic pathways, as lipid and anaerobic glycolysis energy production pathways. Subsequently, from an in vivo systemic toxicity preliminary assessment considering a Zebrafish animal model, was observed non-relevant toxicity of these THEDES within their therapeutic window concentration range. Finally, a controlled drug delivery system based on liposomes (LPS) was developed foreseeing THEDES therapeutic further application. LPS with particle size within the range of 200 nm, monodispersed and with negative homoge- neous zeta potentials were obtained, revealing 27% of Me:Ibu (3:1) encapsulation efficiency. In summary, this work aimed to provide a better understanding on THEDES, combining Ibu with terpenes, specific anticancer activity, while deploying optimized methodologies for an overall better understanding of eutectics anticancer activity, attempting to push forward the estab- lishment of such systems as an alternative or complementary therapeutic agent towards CRC.

Tendo em conta os desafios mais exigentes da medicina moderna, é contínua a procura por soluções inovadoras na interseção entre ciência, saúde e sustentabilidade. O cancro é a se- gunda principal causa de morte mundialmente, onde o cancro colorretal (CCR) está entre os mais incidentes e mais letais. A falta de eficácia das estratégias terapêuticas convencionais, devido à sua baixa seletividade, resulta em efeitos colaterais indesejados. Assim, o principal objetivo desta tese foi desenvolver um agente terapêutico anti-CCR seletivo alinhado com os princípios de sustentabilidade na indústria farmacêutica. Acompanhando o destaque que os sistemas eutécticos têm recebido devido às suas propriedades físico-químicas e biológicas, neste trabalho procurou-se impulsionar a bioatividade promissora dos eutécticos, através da compreensão da interação específica destes sistemas com as células do CCR. Para tal, foi criada uma biblioteca de sistemas eutécticos terapêuticos (THEDES), baseados na combinação de um terpeno com um anti-inflamatório, materializando formulações líquidas que alavanquem as características terapêuticas inerentes destes componentes. Foi avaliado o efeito dos THEDES em vários indicadores representativos do seu potencial terapêutico perante o CCR. Num pri- meiro passo, a combinação de Me:Ibu (3:1), Thy:Ibu (3:1), POH:Ibu (3:1) e (8:1), Lim:Ibu (4:1) e (8:1), revelaram um efeito anti-CCR promissor, sendo que a euteticidade promoveu um au- mento na biodisponibilidade do ingrediente farmacêutico ativo, controlo da produção de es- pécies reativas de oxigénio, e indução de morte celular via apoptose. Em seguida, a interação específica dos THEDES com o endo e exometaboloma celular do CCR revelou alterações no seu cenário metabólico, com efeito deletério em vias metabólicas essenciais, como as vias de produção de energia via lipídica e glicólise anaeróbica. Subsequentemente, a partir de uma avaliação preliminar de toxicidade sistêmica in vivo, considerando um modelo animal de peixe-zebra, foi observada uma toxicidade não relevante destes THEDES na gama de concentrações testada. Finalmente, foi desenvolvido um sistema de libertação de medicamentos baseado em lipossomas onde foram obtidas nanopartículas com tamanhos compreendidos na faixa dos 200 nm, monodispersos, com potenciais zeta negativos e homogéneos, revelando 27% de efi- ciência de encapsulamento para o Me:Ibu (3:1). Resumidamente, este trabalho visou a imple- mentação e otimização de metodologias para melhor compreensão da atividade anticancerí- gena de sistemas eutécticos, nomeadamente THEDES baseados na combinação de terpenos com ibuprofeno, impulsionando o seu estabelecimento como um agente terapêutico alterna- tivo ou complementar para o CCR.