El viernes 06 de diciembre de 2024 se defendio la tesis: “Understanding plasmonic photothermal therapy for triple negative breast cancer: from nano-interaction studies to in vivo therapy optimization using biophotonics” de la alumna Alejandra Daniela Lopez Solís para obtener el grado de Maestra en Ciencias y Tecnologías Biomédicas, bajo la dirección del Dr. Rubén Ramos García y la codirección de las Dra. Teresita Spezzia Mazzocco y la Dra. Clara Vilches Caubet. Presentado en el Salón Chavira, a las 11:30, conto con el siguiente jurado de examen:

Dr. Jorge Castro Ramos, INAOE.
Dr. Julio César Ramírez San Juan, INAOE.
Dra. Anabel Socorro Sánchez Sánchez, INAOE.

Abstract:

This multidisciplinary thesis, conducted collaboratively at the Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) in Mexico and the Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) in Spain, explores plasmonic photothermal therapy (PPTT) for triple-negative breast cancer (TNBC). By integrating nanotechnology, photonics, and biomedicine, the study addresses key challenges in preclinical cancer research through two complementary approaches. Using the MDA-MB-231 cell line, a widely recognized TNBC model, in vitro studies focused on nano-biointeractions, while in vivo experiments examined the influence of extrinsic factors on therapeutic outcomes, ensuring a consistent and comprehensive evaluation of PPTT optimization.

The cellular interactions of gold nanospheres (GNSs) and polyethylene glycol-coated gold nanorods (GNR-PEG) were examined in vitro. For GNSs, uptake effects were analyzed after 24 hours of incubation, with optical tweezers revealing significant reductions in intracellular viscosity, indicating cytoplasmic modifications likely caused by heat exposure. For GNR-PEG, synthesized at ICFO, two-photon excitation microscopy demonstrated that uptake was both time- and dose-dependent, while confocal microscopy provided insights into their internalization effects. At non-cytotoxic concentrations (2 nM), 24-hour incubation resulted in lysosomal stress, with lysosome abundance initially peaking before declining, highlighting cellular capacity limitations. These findings elucidate distinct cellular responses to gold nanoparticles, advancing our understanding of their biological impacts in preclinical studies.

In vivo, diffuse reflectance spectroscopy and diffuse correlation spectroscopy were integrated with GNR-based PPTT to monitor tumor hemodynamics and explore treatment variability due to tumor heterogeneity in murine TNBC subcutaneous xenograft models. Tumor growth was tracked via ultrasound, while key optical parameters—including GNR concentration (C_GNR), total hemoglobin concentration (THC), oxygen saturation (StO₂), water fraction (C_H2O), and blood flow index (BFI)—were measured at three critical stages: baseline (pre-GNR injection), pre-therapy (24 hours post-injection), and post-laser irradiation. Mice treated with GNRs exhibited significantly reduced tumor volumes and improved survival rates compared to PBS-treated controls. Changes in oxygen saturation (ΔStO₂) emerged as a valuable biomarker for predicting therapeutic efficacy. Model predictions were further refined by incorporating changes in hemoglobin concentration (ΔTHC) or water fraction (ΔH₂O), with the combinations ΔStO₂ + ΔTHC and ΔStO₂ + ΔH₂O demonstrating high sensitivity and specificity in receiver operating characteristic (ROC) analyses.

This research combines advanced biophotonics with cancer nanomedicine, providing deeper insights into GNP interactions with cancer cells and identifying critical parameters to enhance PPTT efficacy. These findings contribute to optimizing personalized treatment protocols, ultimately improving patient outcomes.

Resumen de tesis:

Esta tesis multidisciplinaria, realizada de manera colaborativa en el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) en México y el Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) en España, investiga la terapia plasmónica fototérmica (TPFT) para el tratamiento del cáncer de mama triple negativo (CMTN). Integrando nanotecnología, fotónica y biomedicina, aborda desafíos clave en la investigación oncológica preclínica mediante dos enfoques complementarios. La línea celular MDA-MB-231, un modelo ampliamente reconocido para CMTN, se utilizó tanto en estudios in vitro, enfocados en las nano-bio interacciones, como en experimentos in vivo, que evaluaron el impacto de factores extrínsecos en los resultados terapéuticos. Este enfoque unificado garantiza consistencia y profundidad en el abordaje de las complejidades de la optimización de la PPTT.

En los estudios in vitro, se investigaron las interacciones celulares de nanósferas de oro (NEOs) y nanocilindros de oro recubiertos con polietilenglicol (NCO-PEG). Para las NEOs, se analizaron los efectos de la internalización después de 24 horas de incubación, utilizando pinzas ópticas que revelaron reducciones significativas en la viscosidad intracelular, lo que sugiere modificaciones citoplásmicas probablemente inducidas por exposición al calor. Para los NCO-PEG, sintetizadas en el ICFO, se determinó, mediante microscopía de excitación de dos fotones, que su internalización era dependiente del tiempo y de la dosis; mientras que la microscopía confocal de fluorescencia proporcionó detalles sobre los efectos de su internalización. Después de 24 horas de incubación a concentraciones no citotóxicas (2 nM), se identificó estrés lisosómico y limitaciones en su capacidad, con un aumento máximo en la abundancia de lisosomas antes de su posterior disminución. Estos hallazgos destacan las respuestas celulares distintas frente a las nanopartículas de oro, avanzando en nuestra comprensión de sus impactos biológicos en entornos preclínicos.

En los estudios in vivo, la espectroscopía de reflectancia difusa y la espectroscopía de correlación difusa se integraron con la TPFT basada en NCO para monitorear la hemodinámica tumoral e investigar la variabilidad del tratamiento debido a la heterogeneidad tumoral en modelos murinos de xenoinjertos subcutáneos de CMTN. El crecimiento tumoral se monitoreó mediante ultrasonido, mientras que parámetros ópticos clave, incluidos la concentración de NCO-PEG (C_NCO), la concentración total de hemoglobina (THC), la saturación de oxígeno (StO₂), la fracción de agua (C_H2O) y el índice de flujo sanguíneo (BFI), se midieron en tres etapas críticas: línea base (antes de la inyección de GNR), pre-terapia (24 horas después de la inyección) y post-irradiación láser. Los ratones tratados con NCO-PEG mostraron una reducción significativa en el volumen tumoral y mejores tasas de supervivencia en comparación con los controles tratados con PBS. Los cambios en la saturación de oxígeno (ΔStO₂) se identificaron como un biomarcador valioso para predecir la eficacia terapéutica. Las predicciones del modelo se mejoraron aún más al incorporar cambios en la concentración de hemoglobina (ΔTHC) o en la fracción de agua (ΔH₂O), con las combinaciones ΔStO₂ + ΔTHC y ΔStO₂ + H₂O demostrando alta sensibilidad y especificidad en análisis ROC.

Esta investigación integra técnicas biofotónicas avanzadas con la nanomedicina oncológica, proporcionando información clave sobre la interacción de las nanopartículas de oro con las células cancerosas e identificando parámetros críticos para mejorar la eficacia de la TPFT. Estos hallazgos contribuyen a optimizar protocolos de tratamiento personalizados, mejorando los resultados clínicos en el manejo del CMTN.