Targeted Plasma Membrane Livraison d'un Hydrophobe Cargo encapsulé dans un cristal liquide Nanoparticules Transporteur
Summary
Un cristal liquide nanoparticule (LCNP) nanocarrier est exploitée en tant que véhicule pour la libération contrôlée d'une cargaison hydrophobe à la membrane plasmique de cellules vivantes.
Abstract
La libération contrôlée d'agents de médicament / d'imagerie vers les cellules est critique pour le développement de thérapies et pour l'étude des processus de signalisation cellulaire. Récemment, des nanoparticules (NP) ont montré prometteur dans le développement de ces systèmes de livraison. Ici, un NP (LCNP), système de délivrance à base de cristaux liquides a été utilisé pour la distribution contrôlée d'un colorant insoluble dans l'eau, le 3,3'-perchlorate dioctadecyloxacarbocyanine (DIO), à l'intérieur du noyau NP dans la région hydrophobe d'un plasma bicouche membranaire. Lors de la synthèse des PN, le colorant est efficacement incorporé dans le coeur de LCNP hydrophobe, tel que confirmé par analyse spectroscopique multiples. Conjugaison d'un dérivé du cholestérol pégylé à la surface NP (DiO LCNP-PEG-Chol) a permis la liaison du PN chargées de colorant sur la membrane plasmatique dans des cellules HEK 293T / 17 cellules. Résolue en temps laser microscopie confocale et Förster transfert d'énergie par résonance (FRET) imagerie a confirmé le passageive efflux de DiO du noyau LCNP et son insertion dans la bicouche de la membrane plasmique. Enfin, la livraison de DiO comme LCNP-PEG-Chol atténué la cytotoxicité de DiO; la forme NP de DiO présentait ~ 30-40% moins de toxicité par rapport à DiO libre délivré de solution en vrac. Cette approche démontre l'utilité de la plate-forme LCNP comme modalité efficace pour la prestation spécifique à membrane et la modulation des cargaisons moléculaires hydrophobes.
Introduction
Depuis l'avènement de l'interfaçage nanomatériaux (matériaux ≤100 nm dans au moins une dimension) avec des cellules vivantes, un objectif constant a été de tirer parti des propriétés de taille dépendant uniques des nanoparticules (NPs) pour diverses applications. Ces applications comprennent l' étiquetage cellulaire et tissulaire / imagerie (in vitro et in vivo), la détection en temps réel, et la livraison contrôlée de médicaments et d' autres cargaisons 1. Des exemples de ces propriétés NP pertinents comprennent l'émission dépendant de la taille des nanocristaux semi-conducteurs (quantum dots, QD); les propriétés photothermiques de nanoparticules d'or; la grande capacité de chargement du coeur aqueux des liposomes; et la conductivité balistique des allotropes de carbone, tels que les nanotubes de carbone à paroi unique et graphène.
Plus récemment, un intérêt significatif a été soulevée dans l'utilisation des IP pour la modulation contrôlée de médicaments et d'autres cargaisons, tels que le contraste / imagerie d'ungents. Ici, la raison d'être est d'améliorer de manière significative / optimiser la solubilité dans l'ensemble, la dose administrée, le temps de circulation, et la clairance éventuelle de la cargaison de drogue en le remettant en formulation NP. Ceci est venu à être connu comme la délivrance de médicaments NP-médiée (NMDD), et il y a actuellement sept formulations de médicaments NP approuvés par la FDA pour une utilisation dans la clinique pour traiter divers cancers et des centaines d'autres à divers stades d'essais cliniques. En substance, l'objectif est de «faire plus avec moins;" qui est, d'utiliser le NP comme un échafaudage pour offrir plus de médicament avec moins administrations de dosage en tirant parti de la grande surface: volume (par exemple, des particules dures, telles que QDs et oxydes métalliques) de NPs ou de leur grand volume intérieur pour le chargement grandes charges utiles de marchandises (par exemple, des liposomes ou micelles). Le but ici est de réduire la nécessité de multiples schémas posologiques systématiquement livrés en même temps la promotion de la stabilité aqueuse et la circulation améliorée, en particulier pourcargaisons de médicaments hydrophobes difficiles qui, bien que très efficace, peu solubles dans les milieux aqueux.
Ainsi, l'objectif du travail décrit ici était de déterminer la viabilité de l'utilisation d'un roman NP échafaudage pour la livraison spécifique et contrôlée de cargaisons hydrophobes à la lipophile bicouche de la membrane plasmique. La motivation pour le travail était la solubilité limitée inhérente et de la difficulté dans la fourniture de molécules hydrophobes à des cellules de milieux aqueux. Typiquement, la livraison de ces molécules hydrophobes nécessite l'utilisation de solvants organiques (par exemple, DMSO) ou des tensioactifs amphiphiles (par exemple, poloxamères), qui peuvent être toxiques et de compromis cellulaire et tissulaire viabilité 2, ou des supports de micelles, ce qui peut avoir limité le chargement interne capacités. Le transporteur NP choisi ici est un cristal liquide NP (LCNP) formulation nouvelle développée précédemment 3 et qui avait été montré précédemment pour atteindre un facteur 40 ~ l' amélioration de l'efficacité du médicament anticancéreux doxorubicine dans des cellules cultivées 4.
Dans le travail décrit ici, la cargaison représentant choisi était le potentiométrique colorant membranaire, 3,3'-dioctadecyloxacarbocyanine perchlorate (DIO). DiO est un colorant insoluble dans l'eau qui a été utilisée pour antérograde et rétrograde traçage dans les neurones vivants et fixes, les mesures du potentiel de membrane, et la membrane générale étiquetage 5, 6, 7, 8, 9. En raison de sa nature hydrophobe, DiO est typiquement ajouté directement aux monocouches cellulaires ou des tissus sous une forme cristalline 10, ou elle est incubée à des concentrations très élevées (~ 1-20 uM) après dilution à partir d' une solution de concentration d'actions 11, 12.
content "> Ici, l'approche est l'utilisation de la plate-forme LCNP, un NP multifonctionnel dont le noyau intérieur est totalement hydrophobe et dont la surface est simultanément hydrophile et prête à bioconjugaison, comme un véhicule de livraison pour DiO. DiO est incorporé dans le noyau LCNP lors de la synthèse , et la surface NP est alors fonctionnalisé avec une fraction de cholestérol pégylé pour promouvoir la liaison de la DiO-LCNP ensemble à la membrane plasmique membrane. Cette approche a abouti à un système de distribution qui partage la DiO dans la membrane du plasma avec une plus grande fidélité et la résidence de la membrane temps que la forme libre de DiO délivré de solution en vrac (DIO libre). en outre, ce procédé a montré que la fourniture de LCNP à médiation par la DIO module et entraîne le taux de séparation spécifique du colorant dans la lipophile bicouche de la membrane plasmique de manière substantielle. Ceci est réalisé tout en réduisant en même temps que la cytotoxicité du médicament libre par ~ 40% en délivrant comme une formulation LCNP. <p class = "jove_content"> Il est prévu que la méthodologie décrite ici sera une technique permettant puissant pour les chercheurs dont le travail implique ou exige la livraison cellulaire de cargaisons fortement hydrophobes qui sont peu solubles ou totalement insoluble en solution aqueuse.Protocol
Representative Results
Discussion
Un souci constant de NMDD est le ciblage contrôlé et la fourniture de formulations de médicaments à des cellules et des tissus, associée à une amélioration simultanée efficacité du médicament. Une classe spécifique de molécules de médicaments pour lesquels cela a posé un défi important est hydrophobes agents médicaments / d'imagerie qui ont peu ou pas de solubilité dans les milieux aqueux. Ce problème a tourmenté la transition des médicaments puissants à partir des systèmes de culture …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le Programme de financement de base de la LNR (Work Unit MA041-06-41-4943). ON est soutenu par une recherche postdoctorale Associateship Conseil national de recherches.
Materials
| 1-ethyl-3-(3-(dimethylamino)-propyl)carbodiimide hydrochloride (EDCA) | ThermoFisher | E2247 | |
| 3,3′-dioctadecyloxacarbocyanine perchlorate (DiO) | Sigma Aldrich | D4292-20MG | Hazardous/ make stock solution in DMSO |
| Cholesterol poly(ethylene glycol) amine hydrochloride | Nanocs, Inc. | PG2-AMCS-2k | |
| Countess automated cell counter | ThermoFisher | C10227 | |
| Dioctadecyl-3,3,3′,3′-tetramethylindocarbocyanine perchlorate (DiI) | Sigma Aldrich | 468495-100MG | Hazardous/ make stock solution in DMSO |
| Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) | ThermoFisher | 21063045 | Warm in 37°C before use |
| Dulbecco's Phosphate Buffered Saline (DPBS) | ThermoFisher | 14040182 | Warm in 37°C before use |
| Dynamic light scattering instrument | ZetaSizer NanoSeries (Malvern Instruments Ltd., Worcestershire, UK) | ||
| Fibronectin Bovine Protein, Plasma | ThermoFisher | 33010018 | Make stock solution 1mg/mL using DPBS. Use 20-30 µg/mL for coating MetTek dish, 2 h@ 37°C |
| Formaldehyde (16%, W/V) | ThermoFisher | 28906 | Hazardous, dilute to 4% using DPBS |
| Human embryonic kidney cells (HEK 293T/17) | American Type Culture Collection | ATCC® CRL-11268™ | |
| Live cell imaging solution (LCIS) | ThermoFisher | A14291DJ | Warm in 37°C before use |
| MatTek 14 mm # 1.0 coverglass insert cell culture dish | MatTek corporation | P35G-1.0-14-C | |
| Modified Eagle Medium (DMEM) containing 25 mM HEPES | ThermoFisher | 21063045 | Warm in 37°C before use |
| N-hydroxysulfosuccinimide sodium salt (NHSS) | ThermoFisher | 24510 | |
| Nikon A1si spectral confocal microscope | Nikon Instruments | ||
| Trypan Blue Stain (0.4%) | ThermoFisher | T10282 | mix as a 50% to the cell suspension before counting the cells |
| Zeta potential instrument | ZetaSizer NanoSeries (Malvern Instruments Ltd., Worcestershire, UK) | ||
| Ultrasonic Processor | Sonics and Materials Inc | GEX 600-5 | |
| Mini Cetntrifuge | Benchmark | Mini-fuge-04477 | |
| PD-10 Sephadex™ G-25 Medium | GE Healthcare | 17-0851-01 | |
| Bio-Rad ChemiDoc XRS Imaging System | Bio-RAD | 76S/07434 | |
| Trypsin-EDTA(0.25%), phenol red | ThermoFisher | 25200056 |
Riferimenti
- Nag, O. K., Field, L. D., Chen, Y., Sangtani, A., Breger, J. C., Delehanty, J. B. Controlled actuation of therapeutic nanoparticles: an update on recent progress. Ther. Deliv. 7 (5), 335-352 (2016).
- Galvao, J., Davis, B., Tilley, M., Normando, E., Duchen, M. R., Cordeiro, M. F. Unexpected low-dose toxicity of the universal solvent DMSO. FASEB J. 28 (3), 1317-1330 (2014).
- Spillmann, C. M., Naciri, J., Anderson, G. P., Chen, M. S., Ratna, B. R. Spectral tuning of organic nanocolloids by controlled molecular interactions. ACS Nano. 3 (10), 3214-3220 (2009).
- Spillmann, C. M., Naciri, J., Algar, W. R., Medintz, I. L., Delehanty, J. B. Multifunctional Liquid Crystal Nanoparticles for Intracellular Fluorescent Imaging and Drug Delivery. ACS Nano. 8 (7), 6986-6997 (2014).
- Timmers, M., Vermijlen, D., Vekemans, K., De Zanger, R., Wisse, E., Braet, F. Tracing DiO-labelled tumour cells in liver sections by confocal laser scanning microscopy. J. Microsc. 208 (Pt 1), 65-74 (2002).
- Mufson, E. J., Brady, D. R., Kordower, J. H. Tracing neuronal connections in postmortem human hippocampal complex with the carbocyanine dye DiI. Neurobiol Aging. 11 (6), 649-653 (1990).
- Köbbert, C., Apps, R., Bechmann, I., Lanciego, J. L., Mey, J., Thanos, S. Current concepts in neuroanatomical tracing. Prog. Neurobiol. 62 (4), 327-351 (2000).
- Honig, M. G., Hume, R. I. Dil and DiO: versatile fluorescent dyes for neuronal labelling and pathway tracing. Trends Neurosci. 12 (9), 333-341 (1989).
- Gan, W. B., Bishop, D. L., Turney, S. G., Lichtman, J. W. Vital imaging and ultrastructural analysis of individual axon terminals labeled by iontophoretic application of lipophilic dye. J. Neurosci. Methods. 93 (1), 13-20 (1999).
- Godement, P., Vanselow, J., Thanos, S., Bonhoeffer, F. A study in developing visual systems with a new method of staining neurones and their processes in fixed tissue. Development. 101 (4), 697-713 (1987).
- Ragnarson, B., Bengtsson, L., Haegerstrand, A. Labeling with fluorescent carbocyanine dyes of cultured endothelial and smooth muscle cells by growth in dye-containing medium. Histochemistry. 97 (4), 329-333 (1992).
- Korkotian, E., Schwarz, A., Pelled, D., Schwarzmann, G., Segal, M., Futerman, A. H. Elevation of intracellular glucosylceramide levels results in an increase in endoplasmic reticulum density and in functional calcium stores in cultured neurons. J. Biol. Chem. 274 (31), 21673-21678 (1999).
- Garrett, R. H., Grisham, C. M. . Biochimica. , (2013).
- Berne, B. J., Pecora, R. . Dynamic Light Scattering. , 41155-41159 (2000).
- Kremers, G. J., Piston, D. W., Davidson, M. W. . Basics of FRET Microscopy. , (2016).
- Chen, H., Kim, S., Li, L., Wang, S., Park, K., Cheng, J. X. Release of hydrophobic molecules from polymer micelles into cell membranes revealed by Förster resonance energy transfer imaging. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105, 6596-6601 (2008).
- Campling, B. G., Pym, J., Galbraith, P. R., Cole, S. P. C. Use of the MTT assay for rapid determination of chemosensitivity of human leukemic blast cells. Leukemia Res. 12, 823-831 (1988).
- Nag, O. K., Naciri, J., Oh, E., Spillmann, C. M., Delehanty, J. B. Lipid raft-mediated membrane tethering and delivery of hydrophobic cargos from liquid crystal-based nanocarriers. Bioconjug. Chem. 27 (4), 982-993 (2016).
- Karve, S., et al. Revival of the abandoned therapeutic wortmannin by nanoparticle drug delivery. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 109 (21), 8230-8235 (2012).
