Gold Nanoparticles as Drug Delivery Agents. Detoxifying the Chemotherapeutic Drug Cisplatin

Abstract

L’ús de nanopartícules (NPs) ha emergit com una eina prometedora pel tractament de càncer. Entre els seus usos en teràpia i en tècniques d’imatge, destaca l’ús com agents de direccionament de fàrmacs. Tot i així, encara es requereix un profund coneixement d’aquests sistemes abans de poder aplicar-los a la clínica. Aquí presentem l’ús de nanopartícules d’or (AuNPs) per a detoxificar un dels fàrmacs de major ús en quimioteràpia, el cisplatí. Aquest fàrmac està lligat a la NP via un enllaç de coordinació sensible a pH per assegurar l’alliberament de fàrmac als endosomes. El tamany de les NPs juga un paper molt important en determinar algunes respostes biològiques com la biodistribució o la seva remoció per part del sistema immune. Per això, és indispensable controlar perfectament el tamany de la NP en la seva síntesis abans de qualsevol aplicació biològica. Aquí descrivim un nou protocol per sintetitzar AuNPs amb un control exquisit del tamany entre 5 i 200 nm. Un dels avantatges d’aquest protocol és l’obtenció de NPs estabilitzades amb citrat que poden ser funcionalitzades a posteriori. D’aquesta manera podem aprofundir aquí en el mecanisme de formació de monocapes autoensamblades (SAM) i capes formades per barreges de surfactants. El control pel que fa a la composició i conformació d’aquestes és molt important doncs determina respostes biològiques com l’adsorció de proteïnes i l’estabilitat col·loïdal en medis fisiològics. Aquests conjugats han servit com a esquelet per enllaçar-hi cisplatí via la formació d’un enllaç de coordinació que asseguri un alliberament de la droga desencadenat per una baixada de pH. Aquesta conjugació està caracteritzada en profunditat per tal de garantir la estabilitat col·loïdal així com la de l’enllaç. Finalment, el disseny del conjugat té efectes significatius en les propietats farmacocinètiques, en l’evolució del propi conjugat i en la manca de toxicitat. En aquest treball mostrem en models animals com la toxicitat deguda a cisplatí disminueix clarament sense afectar això a les propietats terapèutiques del fàrmac. A més a més, les NPs no només actuen com a vehicles sinó que també protegeixen el fàrmac contra la inactivació per part de proteïnes del sèrum fins que els conjugats són internalitzats per cèl·lules i el cisplatí alliberat. La possibilitat de seguir el fàrmac (Pt) i el vehicle (Au) separadament en funció de l’òrgan i el temps aporta també un millor coneixement sobre com els nanovehicles són processats per l’organisme.

The use of nanoparticles (NPs) has emerged as a potential tool to improve cancer treatment. Among the proposed uses in imaging and therapy, their use as a drug delivery scaffold has been extensively highlighted. However, there are still some controversial points which need a deeper understanding before applying them in the clinics. Here, it is presented the use of gold nanoparticles (AuNPs) to detoxify the antitumoral agent cisplatin linked to the nanoparticle via a pH sensitive coordination bond for endosomal release. Since size of NPs plays an important role in determining biological responses such as biodistribution or clearance by immune system, a perfect control on the synthesis of AuNPs is required previously to any biological application of these AuNPs. It is described in this work a new synthetic protocol of biocompatible AuNPs with a perfect control of the size between 5 to 200 nm. One of the advantages of this protocol is the obtaining of citrate-capped AuNPs that can be further functionalized. This allowed us to provide insights on the mechanism of Self-Assembled Monolayers and mixed layers formation. The control of the mixed layer composition and conformation is important since it determines biological outcomes such as protein adsorption and colloidal stability in physiological media. These AuNPs conjugates are used as scaffold for cisplatin attachment via the formation of a coordination bond that ensures a pH-triggered release of the drug. This conjugation is deeply characterized to ensure the maintenance of colloidal and link stability on working conditions. Finally, the NP conjugate design has important effects on pharmacokinetics, conjugate evolution and biodistribution and absence of observed toxicity. Here we show that cisplatin-induced toxicity is clearly reduced without affecting the therapeutic benefits in mice models. The NPs not only act as carriers, but also protect the drug from deactivation by plasma proteins until conjugates are internalised in cells and cisplatin released. Also, the possibility to track the drug (Pt) and the vehicle (Au) separately as a function of organ and time enables a better understanding of how nanocarriers are processed by the organism.