El cáncer de mama es la segunda causa más común de metástasis cerebrales, siendo el cáncer de mama HER2 positivo y el triple negativo (CMTN) los subtipos con mayor incidencia. Las metástasis cerebrales conllevan un mal pronóstico (la supervivencia de los pacientes con CMTN que desarrollan metástasis cerebrales oscila entre tres y cuatro meses) y deterioro neurológico. El tratamiento de las metástasis cerebrales de cáncer de mama se basa en terapias locales, ya que la barrera hematoencefálica impide la acumulación de terapias administradas sistémicamente en el cerebro. En este contexto, nosotros hemos desarrollado nuevos conjugados polipéptido-fármaco dirigidos a cerebro, biodegradables y biocompatibles, para el tratamiento de metástasis cerebrales administrados de forma intravenosa, centrándonos en CMTN. Siguiendo un enfoque de diseño racional, primero desarrollamos un conjugado de combinación polipéptido-fármacos con carga de fármacos y químicas de enlace optimizadas para el tratamiento de CMTN metastásico. Empleamos ácido poliglutámico en forma de estrella (St-PGA) como vehículo y sintetizamos conjugados simples y de combinación basados en St-PGA utilizando varias proporciones de fármacos y enlaces sensibles a pH. La caracterización del conjugado y la evaluación biológica obtenidas mediante técnicas de caracterización fisicoquímicas de última generación y modelos in vitro e in vivo bien establecidos permitieron la identificación de la proporción de fármacos y químicas de enlace óptimas para obtener un conjugado de combinación con propiedades antitumorales y antimetastásicas. Para mejorar aún más la eficacia del tratamiento, desarrollamos una estrategia para la síntesis de conjugados de combinación mediante el autoensamblaje de St-PGA en agua y la estabilización de las estructuras resultantes mediante enlaces reversibles sensibles a estímulos. Durante la síntesis de los componentes de esta estrategia, descubrimos la influencia de los restos hidrófobos en el autoensamblaje y el co-ensamblaje de los conjugados de St-PGA; este comportamiento alterado finalmente obstaculizó el desarrollo de una estrategia de estabilización eficiente. Por lo tanto, desarrollamos un conjugado de combinación dirigido al cerebro usando St-PGA como vehículo y la proporción óptima de fármacos y química de enlace previamente identificadas como el paso final en el desarrollo de un nuevo tratamiento de metástasis cerebral de CMTN. Desarrollamos un protocolo eficiente y reproducible para la conjugación de Angiopep-2 a St-PGA en medio acuoso para proporcionar direccionamiento al cerebro. El conjugado dirigido se acumuló en el cerebro de ratones sanos, proporcionando una acumulación 1,4 veces superior al conjugado no dirigido. Las químicas ortogonales empleadas para la conjugación de los fármacos y Angiopep-2 permitieron la síntesis de un conjugado de combinación St-PGA-Angiopep-2 y la evaluación de su actividad antimetastásica en un modelo de ratón de metástasis cerebral de CMTN, que proporcionó resultados terapéuticos prometedores. En general, esta tesis proporciona evidencia para apoyar el uso de St-PGA como vehículo polimérico, especialmente para el desarrollo de terapias diseñadas racionalmente para tratar las metástasis cerebrales asociadas al cáncer de mama.

Breast cancer represents the second most common cause of brain metastasis, with HER2-positive and triple negative breast cancer (TNBC) displaying the highest incidence. Brain metastases entail a poor prognosis (survival of TNBC patients who develop brain metastasis ranges from three to four months) and neurological impairment. Clinical management of breast cancer brain metastasis relies on local approaches as the blood-brain barrier/blood-tumor barrier hinders the accumulation of systemically administered therapies to therapeutic concentrations in the brain. In this context, we developed novel biodegradable and biocompatible targeted polypeptide-drug conjugates for the treatment of brain metastasis via intravenous administration, with a focus on TNBC. Following a rational design approach, we first developed a polypeptide-drug combination conjugate with optimized drug loading and linking chemistries as a metastatic TNBC treatment. We employed star-shaped poly-L-glutamic acid (St-PGA) as a polymeric carrier and synthesized St-PGA-based single and combination conjugates using various drug ratios and linkers. Conjugate characterization and biological evaluation using state-of-the-art physico-chemical characterization techniques and well-established in vitro and in vivo models allowed the identification of optimal drug ratios and linking chemistries to obtain a combination conjugate with robust anti-tumor and anti-metastatic activity. To further improve treatment efficacy, we developed a bottom-up strategy for the synthesis of St-PGA-based combination conjugates by exploiting carrier self-assembly in water and reversible stimuli-responsive bonds for nanosystem stabilization. During the synthesis of building blocks for this strategy, we discovered the influence of hydrophobic moieties in the self- and co-assembly of St-PGA conjugates; this altered behavior ultimately hampered the development of an efficient redox responsive stabilization strategy. Therefore, we developed a brain-targeted combination conjugate using St-PGA as a polymeric carrier and the previously identified optimal drug ratio and linking chemistry as the final step in the development of a novel TNBC brain metastasis treatment. We developed an efficient and reproducible protocol for Angiopep-2 conjugation to St-PGA in aqueous media to provide brain targeting. The targeted conjugate accumulated in the brain of healthy mice, supplying a 1.4-fold accumulation compared with the untargeted counterpart. The orthogonal chemistries employed for drug and Angiopep-2 conjugation allowed the synthesis of a St-PGA-Angiopep-2 combination conjugate and the evaluation of anti-metastatic activity in a relevant TNBC brain metastasis mouse model, which provided promising therapeutic outcomes. Overall, this thesis provides evidence to support the use of St-PGA as a polymeric carrier, especially for the development of rationally-designed therapies to treat breast cancer-associated brain metastasis.