Harnessing the interaction nanoparticle-protein for the design of smart carriers for drug delivery

Abstract

Les NP han sorgit com prometedors sistemes d'administració de fàrmacs per les seves possibles aplicacions terapèutiques. El procediment comú per a aquest propòsit és dissoldre, encapsular i, finalment, adsorbir o adherir un medicament a la superfície de la NP, evitant el dany no desitjat a les cèl·lules i òrgans sans. De la mateixa manera, les nanopartícules de sílice mesoporoses (MSN) recentment han atret molta atenció en el camp de la nanomedicina per les seves característiques singulars. No obstant això, l'eficàcia terapèutica de les MSN quan s'utilitzen com a sistemes d'administració de fàrmacs sovint es veuen compromeses per l'alliberament previ del fàrmac carregat durant la circulació sanguínia i la manca de capacitat per arribar al destí desitjat. Tenint en compte aquests dos problemes, proposem en aquesta Tesi doctoral la utilització de la "protein corona" per evitar aquest alliberament prematura essent aquesta encaixada al porus. Per aconseguir això, s'han construït HSA-NP carregades amb un fàrmac antitumoral per a la direccionalitat selectiva del fetge utilitzant MSN. L'objectiu principal d'aquest treball és el desenvolupament d'un complex de nanopartícules i proteïnes, capaç de subministrar eficientment un fàrmac terapèutic. Aquest complex ha d'evitar simultàniament l'alliberament prematur i ser capaç de fer targeting al fetge per efecte de la PC. Per assolir això, en primer lloc, s'ha optimitzat la síntesi de MSN, per tal d'obtenir MSN reproduïbles i amb propietats definides. Després, la caracterització corresponent dels seus trets fisicoquímics va mostrar que, mitjançant el disseny d'un DOE, és possible dilucidar quins paràmetres tenen una major influència en la síntesi de MSN. A més, en el present treball s'ha demostrat que és possible una determinació qualitativa i quantitativa de la "protein corona" mitjançant un ús innovador d'equips analítics; el nanoDSC i l'ITC. Això permet aprofundir en el coneixement i control de PC. També s'ha avaluat l'efecte de la PC en el perfil d'alliberament d'un fàrmac antitumoral. Finalment, s'ha demostrat que la "protein corona" proporciona un alliberament més sostingut del fàrmac a una línia cel·lular de tumor hepàtic, sense afectar la viabilitat cel·lular. En conclusió, els resultats han demostrat que la relació entre la mida de porus i la mida de la proteïna en els sistemes HSA-MSN determina l'aplicació del sistema. En aquest treball s'ha proposat que, mitjançant l'enginyeria de PC, segons la relació de mida entre el porus i la proteïna es poden fer servir les mateixes proteïnes que formen la "protein corona" per bloquejar la sortida prematura del fàrmac mentre es dirigeix a l'òrgan desitjat.

Las NP han surgido como prometedores sistemas de administración de fármacos por sus posibles aplicaciones terapéuticas. El procedimiento común para este propósito es disolver, encapsular y, finalmente, adsorber o adherir un medicamento a la superficie de la NP, evitando el daño no deseado a las células y órganos sanos. De la misma manera, las MSN recientemente han atraído mucha atención en el campo de la nanomedicina debido a sus características singulares. Sin embargo, la eficacia terapéutica de las nanopartículas de sílice mesoporosas (MSN) cuando se utilizan como sistemas de administración de fármacos a menudo se ven comprometidas por la liberación previa del fármaco cargado durante la circulación sanguínea y la falta de capacidad para llegar al destino deseado. Teniendo en cuenta estos dos problemas, proponemos en esta Tesis doctoral la utilización de la “protein corona” para evitar esta liberación prematura siendo ésta encajada en el poro. Para lograr esto, se han construido HSA-NP cargadas con un fármaco antitumoral para la dirección selectiva al hígado utilizando MSN. El objetivo principal de este trabajo es el desarrollo de un complejo de nanopartículas y proteínas, capaz de un suministrar eficientemente un fármaco terapéutico. Este complejo debe evitar simultáneamente la liberación prematura y ser capaz de atacar al hígado por efecto de la PC. Para alcanzar esto, en primer lugar, se ha optimizado la síntesis de MSN, con el fin de obtener MSN reproducibles y con propiedades definidas. Luego, la caracterización correspondiente de sus rasgos fisicoquímicos mostró que, mediante el diseño de un DOE, es posible dilucidar qué parámetros tienen una mayor influencia en la síntesis de MSN. Además, en el presente trabajo se ha demostrado que es posible una determinación cualitativa y cuantitativa de la “protein corona” mediante un uso innovador de equipos analíticos; el nanoDSC y el ITC. Esto permite profundizar en el conocimiento y control de la PC. También se ha evaluado el efecto de la PC en el perfil de liberación de un fármaco antitumoral. Finalmente, se ha demostrado que la “protein corona” proporciona una liberación más sostenida del fármaco a una línea celular de tumor hepático, sin afectar la viabilidad celular. En conclusión, los resultados han demostrado que la relación entre el tamaño de poro y el tamaño de la proteína en los sistemas HSA-MSN determina la aplicación del sistema. En este trabajo se ha propuesto que, mediante la ingeniería de la PC, según la relación de tamaño entre el poro y la proteína se pueden usar las mismas proteínas que forman la “protein corona” para bloquear la salida prematura del fármaco mientras se dirige al órgano deseado.

NPs have gained promise for its potential therapeutic applications as drug delivery systems. The common procedure for this purpose is dissolving, encapsulating, and finally adsorbing or adhering a drug on the NPs surface, avoiding the undesired damage to healthy cells and organs. In the same way, mesoporous silica nanoparticles (MSN) have recently attracted a lot of attention in the nanomedicine field due to their singular characteristics. However, the therapeutic efficiency of MSNs when used as drug delivery systems is often compromised by the pre-release of loaded drug molecules during the blood circulation and the lack of ability to do targeting. Considering these two problems, we propose in this doctoral Thesis the utilization of the widely known protein corona to avoid this premature release by fitting it into the pore. To achieve this, Human Serum Albumin-NP loaded with an antitumor drug for selective liver targeting MSN has been constructed. The main objective of this work is the development of a nanoparticle-protein complex capable of an efficient delivery of a therapeutic drug. This complex should simultaneously avoid premature release and be able to do liver targeting both by effect of the PC. To reach this, first of all the synthesis of MSNs has been optimized, in order to obtain MSNs reproducible and with defined properties. Then, the corresponding characterization of their physicochemical traits showed that through the design of a DOE it is possible to elucidate which parameters have a higher influence on MSN synthesis. Furthermore, it has been here demonstrated that a qualitative and quantitative determination of the protein corona through an innovative use of analytical equipment is possible, the nanoDSC and ITC. This allows the deepening in the PC knowledge and control. It has also been assessed the effect of the protein corona in the release profile of an anti-tumor drug. Finally, the protein corona has been shown to provide a more sustained release of the drug to a liver tumor cell line, without affecting cell viability. In conclusion, results have shown that the relationship between the pore size and the protein size in HSA-MSN systems determine the system’s application. In this work it has been proposed the PC engineering according to the size ratio between the pore and the protein to use the same proteins that form the protein corona as gatekeepers while targeting the desired organ.