Targeted membrana plasmatica di consegna di un idrofobo Cargo incapsulato in un cristallo nanoparticelle Carrier Liquid
Summary
Un cristallo liquido nanoparticella (LCNP) nanocarrier viene sfruttato come veicolo per l'erogazione controllata di un carico idrofoba sulla membrana plasmatica delle cellule viventi.
Abstract
L'erogazione controllata di agenti droga / imaging per cellule è critico per lo sviluppo di terapie e per lo studio dei processi di segnalazione cellulare. Recentemente, le nanoparticelle (NP) hanno mostrato significativa promessa per lo sviluppo di tali sistemi di consegna. Qui, un cristallo liquido NP (LCNP) sistema di erogazione sede è stato impiegato per l'erogazione controllata di un colorante insolubile in acqua, 3,3'-dioctadecyloxacarbocyanine perclorato (DIO), all'interno del nucleo NP alla regione idrofobica di un plasma doppio strato di membrana. Durante la sintesi delle nanoparticelle, il colorante è stato efficacemente incorporato nel nucleo LCNP idrofobico, come confermato da analisi spettroscopica multiple. Coniugazione di un colesterolo derivato PEGylated alla superficie NP (Dio-LCNP-PEG-Chol) ha consentito il legame delle NP dye-caricato alla membrana plasmatica in HEK 293T / 17 cellule. Risolta in tempo scansione laser confocale microscopia e Förster trasferimento di energia di risonanza (FRET) di imaging ha confermato il passaggioive efflusso di DiO dal nucleo LCNP e il suo inserimento nel doppio strato membrana plasmatica. Infine, la consegna della DIO come LCNP-PEG-Chol attenuato la citotossicità della DIO; la forma NP della DIO esposto ~ 30-40% in meno tossicità rispetto al DiO gratuito consegnato dalla soluzione di massa. Questo approccio dimostra l'utilità della piattaforma LCNP come una modalità efficace per la fornitura specifica membrana e modulazione dei carichi molecolari idrofobiche.
Introduction
Dal momento che l'avvento di interfacciarsi nanomateriali (materiali ≤100 nm in almeno una dimensione) con cellule viventi, un obiettivo costante è stato quello di sfruttare le proprietà uniche dipendenti dalle dimensioni delle nanoparticelle (NPS) per varie applicazioni. Queste applicazioni comprendono cellule e tessuti etichettatura / immagini (sia in vitro che in vivo), rilevamento in tempo reale, e l'erogazione controllata di farmaci e altri carichi 1. Esempi di tali importanti proprietà NP includono l'emissione dipendente dalle dimensioni dei nanocristalli semiconduttori (punti quantici, QD); le proprietà fototermiche di nanoparticelle d'oro; la grande capacità di carico del nucleo acquosa di liposomi; e la conduttività balistica allotropi di carbonio, come nanotubi di carbonio a parete singola e grafene.
Più recentemente, notevole interesse è sorto nell'uso delle NP per la modulazione controllato di farmaci e altri carichi, come contrasto / dell'imaging unsignori. Qui, la logica è quella di migliorare in modo significativo / ottimizzare la solubilità generale, la dose erogata, tempo di circolazione, e la clearance eventuale del carico di droga consegnandola come una formulazione NP. Questo è venuto per essere conosciuta come la somministrazione di farmaci NP-mediata (NMDD), e ci sono attualmente sette approvati dalla FDA NP formulazioni farmaceutiche per l'uso in clinica per il trattamento di vari tipi di cancro e di altre centinaia in varie fasi di sperimentazione clinica. In sostanza, l'obiettivo è quello di "ottenere di più con meno;" cioè, di utilizzare la NP come impalcatura per fornire più farmaci con minori amministrazioni dosaggio sfruttando la grande superficie: volume (per esempio, particelle dure, come QD e ossidi metallici) di NP o loro grande volume interno di carico grandi payload carico (ad esempio, liposomi o micelle). Lo scopo è quello di ridurre la necessità di diversi regimi di dosaggio sistemicamente consegnati mentre allo stesso tempo promuovere stabilità acquosa e una maggiore circolazione, in particolare perimpegnativi carichi di droga idrofobiche che, pur altamente efficace, sono moderatamente solubile in ambiente acquoso.
Pertanto, l'obiettivo del lavoro qui descritto era di determinare la possibilità di utilizzare un nuovo NP scaffold per l'erogazione specifica e controllata di carichi idrofobi al doppio strato membrana plasmatica lipofilo. La motivazione per il lavoro era la limitata solubilità intrinseca e difficoltà nella consegna di molecole idrofobe alle cellule da mezzi acquosi. Tipicamente, la consegna di tali molecole idrofobe richiede l'uso di solventi organici (ad esempio, DMSO) o tensioattivi anfifilici (ad esempio, poloxamers), che possono essere di cellule e tessuti redditività tossici e di compromesso 2, o portatori di micella, che può hanno limitato carico interno capacità. Il vettore NP scelta qui è stato un cristallo liquido NP (LCNP) formulazione romanzo sviluppato in precedenza 3 e che era stato mostrato in precedenza per ottenere un ~ 40 volte miglioramento nell'efficacia della antitumorale doxorubicina farmaco in cellule coltivate 4.
Nel lavoro qui descritto, il carico rappresentante scelto era il colorante membrana potenziometrico, 3,3'-dioctadecyloxacarbocyanine perclorato (DIO). DiO è un colorante insolubile in acqua che è stata utilizzata per anterograda e tracciatura retrograda nel potenziale di membrana misurazioni neuroni fissi vita e, e per membrane generale etichettatura 5, 6, 7, 8, 9. Grazie alla sua natura idrofoba, DiO è tipicamente aggiunto direttamente monostrati di cellule o tessuti in una forma cristallina 10, oppure viene incubata a concentrazioni molto elevate (~ 1-20 micron) dopo la diluizione da una soluzione di concentrazione magazzino 11, 12.
content "> uso Qui, l'approccio è stato alla piattaforma LCNP, un NP multifunzionale il cui nucleo interno è completamente idrofobico e la cui superficie è simultaneamente idrofila e suscettibili di bioconjugation, come veicolo di consegna per DiO. DiO è incorporato nel nucleo LCNP durante la sintesi , e la superficie NP viene funzionalizzato con un colesterolo frazione PEGylated promuovere la membrana vincolante dell'insieme DiO-LCNP alla membrana plasmatica. Questo approccio ha portato a un sistema di erogazione che partizionato DIO nella membrana plasmatica con maggiore fedeltà e residenza membrana volta che la forma libera della DIO consegnato dalla soluzione di massa (DIO gratuito). Inoltre, questo metodo ha dimostrato che la consegna LCNP-mediata della DIO modula in modo sostanziale e spinge il tasso di specifica partizionamento del colorante nel doppio strato membrana plasmatica lipofila. questo è raggiunto mentre contemporaneamente riducendo la citotossicità del farmaco libero da ~ 40% consegnandola come una formulazione LCNP. <p class = "jove_content"> Si prevede che la metodologia qui descritta sarà una potente tecnica che consente ai ricercatori il cui lavoro comporta o richiede la consegna cellulare di carichi altamente idrofobici che sono poco solubili o insolubili completamente in soluzione acquosa.Protocol
Representative Results
Discussion
Un obiettivo costante di NMDD è il targeting e l'erogazione controllata di formulazioni di farmaci a cellule e tessuti, in combinazione con contestuale miglioramento della efficacia del farmaco. Una specifica classe di molecole di farmaco per il quale questa ha posto una sfida significativa è idrofobe agenti farmaci / imaging che hanno parsimonia per non solubilità in mezzi acquosi. Questo problema ha afflitto la transizione di potenti farmaci da sistemi di coltura cellulare in vitro per l'i…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato dal NRL base di finanziamento del programma (unità di lavoro MA041-06-41-4943). ON è supportata da un Postdoctoral Research Associateship Consiglio Nazionale delle Ricerche.
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 |
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