CHEMICAL CHARACTERIZATION AND BIOLOGICAL ACTIVITY OF CERIUM AND IRON-CERIUM OXIDE NANOPARTICLES IN BREAST CANCER CELLS

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Details
  • Presentation type: DR - Doctoral Student
  • Track: Drugs and/or Natural Products Therapy
  • Keywords: cerium oxide nanoparticles; iron-cerium oxide nanoparticles; Breast cancer; Triple Negative Breast Cancer;
  • 1 Instituto Militar de Engenharia
  • 2 Programa de Hemato-Oncologia / INSTITUTO NACIONAL DE CANCER / Instituto Nacional de Câncer

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Abstract

INTRODUCTION AND OBJECTIVES: Breast cancer has the highest rate of cancer mortality among women worldwide, mainly due to late diagnosis and treatment failure. Triple negative breast cancer exhibits even greater resistance to chemotherapy and poor clinical outcomes. To obtain better results for this subgroup, it is necessary to optimize the cytotoxic effects of chemotherapeutics bypassing mechanisms of chemoresistance. In this context, cerium oxide (CeO2-x) and iron-cerium oxide (FexCe1-xO2-β) nanoparticles have been investigated for their cytotoxic and antitumor activity. The main characteristic of CeO2-x is the ability to form vacancies which allow them to interact with free radicals, such as reactive oxygen species (ROS), important in inducing cell death. By adding iron to the structure, FexCe1-xO2-β nanoparticle obtains an advantage of improving formation of more vacancies and interactions ROS. However, little in known on their antineoplastic effects on breast cancer cells. The objective of this study is to synthesize, characterize and evaluate CeO2-x and FexCe1-xO2-β as direct agents for inducing cytotoxicity in triple negative breast cancer cells. MATERIAL AND METHODS: Here, we performed two types of chemical synthesis – coprecipitation and colloidal stability – and characterized the nanoparticles via scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and dynamic light scattering (DLS). Solubility tests for coprecipitation synthesis were performed in different solvents: H2O, NaCl, NH4OH, DMSO, PBS, Morfoline and Piperidine. MTT and clonogenic assays for MDA-MB-231 triple-negative cell line were used to assess nanoparticle-induce cytotoxicity. RESULTS AND CONCLUSION: For coprecipitation synthesis, we obtained a dry powder in different colours – yellow for CeO2-x and brown for FexCe1-xO2-β. For colloidal stability, we obtained a transparent stable nanoparticle suspension. Our results from SEM and XRD (for coprecipitation synthesis) and SEM and DLS (for colloidal stability) showed spherical shape for nanoparticles. The solubility tests failed to form a stable suspension, except for low concentrations of nanoparticles diluted in NaCl. In this setting, MTT assay showed a decrease in cell viability in MDA-MB-231 cells both treated with CeO2-x and FexCe1-xO2-β separately, the latter showing greater cytotoxicity. For clonogenic assay, treatment with CeO2-x showed no difference in cell viability while FexCe1-xO2-β showed a 20% decrease in colony formation. Although replicates are necessary, these data might suggest that the addition of iron to the nanostructure may confer greater cytotoxic activity for this cell model. Ongoing experiments will assess cytotoxicity in triple negative breast cancer models using colloidal stability synthesis of CeO2-x and FexCe1-xO2-β and further explore particular cell death mechanisms, such as iron induced ferroptosis.

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Author

Mariane Brandão da Silva Assis

Olá drª Giselle, tudo bem? Como está?!

Obrigada! Depois da minha dissertação eu mudei um pouco o caminho para a minha tese!rs

Nesse trabalho tanto para o MTT quanto para o ensaio clonogênico fizemos, até o momento, apenas o N=1, para um tipo de síntese (por precipitação) e em uma única concentração. O clonogênico foi feito em 14 dias e portanto não consigo ter uma comparação de viabilidade celular com o MTT.

A questão da dependência tempo-concentração será investigada. Como só obtivemos o N=1 não consigo ter uma conclusão quanto a essa questão ainda. A única observação é que o tratamento com as nanopartículas tende a diminuir a viabilidade da linhagem, e as nanopartículas que são dopadas com o ferro, tem esse efeito aumentado. Os resultados preliminares apresentam que o ferro está tendo uma influência positiva na diminuição de viabilidade dessa linhagem.

Nosso objetivo é fazer mais N’s e analisar diferentes concentrações. Porém, com esse tipo síntese, encontramos muitos problemas de precipitação ao tentar variar as concentrações. Então, como mostra o trabalho, conseguimos sintetizar as nanopartículas em uma suspensão estável (sem precipitação) e em variadas concentrações.

Estamos nesse ponto do trabalho. Agora os próximos passos serão fazer novos MTTs, ensaios clonogênicos, medição de ROS intracelular com o intuito de termos essas perguntas respondidas. Possivelmente iremos verificar se essas nanopartículas estão induzindo apoptose nas células e (se tivermos tempo e conseguirmos comprar os reagentes), ferroptose. Tudo nos indica que o ferro está sendo o ponto crucial de estudo nessa linhagem.

Os poucos artigos que apresentam alguns testes dessa classe de nanopartículas (no caso só as de cério, as dopadas com ferro são inéditas) não apresentam muita rigorosidade quanto a formar suspensões estáveis das nanopartículas para testes celulares in vitro. (Ainda não temos nenhum teste in vivo relatado até o momento). Então, respondendo a última pergunta, essa foi uma das razões por termos gastado tanto tempo numa segunda síntese pensando na rigorosidade dos resultados in vitro e claro, possivelmente, ensaios in vivo onde não teríamos, a princípio, problemas de essas nanopartículas.

Obrigada pelas perguntas! Att Mariane Brandão 

Author

Mariane Brandão da Silva Assis

Boa tarde! Obrigada!
Eu sou química, adentrando na área de oncologia. Dentro da minha visão mais química inicialmente meu primeiro ensaio in vivo seria com a síntese por estabilidade coloidal, por já termos ums suspensão estável (sem precipitação) com diferentes concentrações. A partir daí seria verificar se haveria algum nível de toxicidade das nanopartículas para o modelo de animal em estudo, determinando uma quantidade/concentrações mínimas para que as nanopartículas não apresentassem toxicidade. Em seguida seria avaliar os efeitos efetivos no tumor.

Obrigada pela pergunta! Att. Mariane Brandão

SANDRA KONIG

Obrigada pela resposta Mariane!

Peço desculpas, percebo que nem me apresentei. Sou Sandra Konig do ICB da UFRJ e estava avaliando o seu trabalho.

Aproveitando a sua resposta, faço novas perguntas:

- in vivo, teria como vc visualizar o evental acúmulo das nanoparticulas nas massas tumorais (ou em visceras do animal)? Nao seria essa uma observação importante in vivo (saber onde acumulam)?

- vc acha que as nanoparticulas poderiam ter mesmo eficâcia em outros modelos de cancer (tumores nao-solidos por exemplo?)?

Obrigada!

 

Author

Mariane Brandão da Silva Assis

Obrigada pelo seu tempo em avaliar meu trabalho!

Quanto ao acúmulo das nanopartículas (NPs): Alguns artigos presentes na literatura apresentam resultados contraditórios, in vitro, com NPs do mesmo grupo que as minhas. Uns apresentam que as NPs se acumulam em torno da célula tumoral (formando um tipo de proteção) e outros demonstram que elas de fato entram na célula e parecem atuar em diferentes vias para induzir a morte (o que tem sido visto por enquanto, por apoptose). Estou comentando esse ponto pq, de fato, seria muito interessante fazer essa análise de acúmulo in vivo. Eu não saberia ainda te responder como eu faria essa análise, mas é um ponto bem importante para entender como as NPs estariam agindo sobre esse tumor.

Quanto a eficácia das NPs em outros modelos de câncer, acredito que elas poderiam ter eficácia também, uma vez aque as nossas NPs sintetizadas tem como principal característica o efeito redox (aumentando ou diminuindo a concentração de ROS intracelular. Há alguns estudos na literatura que apresentam as NPs ora como oxidantes ora como antioxidates.). Mas independente da característica que ela apresente, pelos poucos estudos que estão presentes na literatura,  elas apresentam uma regulação nas de vias de morte celular, principalmente na apoptose. E como o câncer tem a característica de possuir uma alta concentração de ROS intracelular (peço desculpas caso algum modelo de tumor não se encaixe nessa característica, como eu disse estou adentrando nesse meio ainda) acredito que elas poderiam ser eficientes em outros modelos também (sólidos ou não-sólidos). 

As nossas NPs ainda têm muitos caminhos a serem investigados mas, dentre o que temos testado e visto na literatura, acredito que possamos ter resultados promissores.

Obrigada pelas perguntas, já me surgiram ótimas ideias do que testar mais a frente! Obrigada!