Multifunctional Porous Silicon Based Nanocomposites for Cancer Targeting and Drug Delivery

Abstract

Recent breakthroughs in nanotechnology have paved the way for a new era in cancer medicine. Among the myriad of nanotechnology-based systems that have been revolutionizing the field of cancer nanomedicine, porous silicon (PSi) nanoparticles have recently emerged as a promising nanoplatform, owing to advantageous physicochemical and biological properties. Nevertheless, the successful establishment of PSi nanoparticulate systems as effective cancer nanomedicines is challenged by several shortcomings associated with the instability in biological fluids, the poor tumour targeting efficiency and unfavourable pharmacokinetics, the limited capacity to overcome extra and intracellular biological barriers, and the ubiquitous and uncontrolled release of the therapeutic payloads.

This dissertation aimed at designing and developing novel strategies, including the surface modification of PSi nanoparticles with biofunctional polymers and the engineering of advanced multifunctional PSi-based nanocomposites, in order to overcome some of the aforementioned deadlocks, improving the tumour targeting and drug delivery efficiencies, and ultimately potentiating the application of PSi nanomaterials in cancer nanomedicine.

First, the biofunctionalization of PSi nanoparticles with a hyaluronic acid (HA) derivative was proven to improve the colloidal and plasma stabilities and to significantly enhance the cellular internalization of the nanosystems in breast cancer cells. The HA-modified PSi nanoplatforms exhibited higher affinity and endocytic activity in the cells overexpressing the CD44 receptor, thus evidencing a great potential for further development as active targeted drug delivery systems to CD44-overexpressing tumours.

Next, a bilayered zwitterionic PSi nanocomposite was fabricated by successive conjugation of polyethyleneimine and poly(methyl vinyl ether-alt-maleic acid) polymers on the surface of PSi nanoparticles. In addition to satisfactory cytocompatibility, and high colloidal and plasma stabilities, the designed polymeric surface modification was shown to enhance the non-specific cellular association and uptake, and to improve the intracellular trafficking of the PSi nanoparticles in breast cancer cells. Moreover, this strategy contributed to increase the drug loading of methotrexate (MTX), sustain the release of the drug and potentiate the in vitro antiproliferative effect of the MTX-loaded PSi nanocarriers.

In addition, PSi nanoplatforms were used to engineer multifunctional PSi-based nanocomposites, envisioned for cancer therapeutic and theranostic applications. In one approach, both sorafenib-loaded PSi and gold nanoparticles were simultaneously encapsulated into a self-assembling polymeric nanocomplex. In another study, the same nanocomplexes were used to encapsulate DNA-capped PSi nanoparticles, as an innovative strategy to bioresponsively deliver hydrophilic and hydrophobic drug molecules into the cytosolic compartment of cancer cells. The potential of the fabricated multifunctional PSi-based nanocomposites stemed from the versatility to incorporate a combination of nanosystems, hydrophilic or hydrophobic drug molecules, and fluorescent dyes within a single nanostructure, and the capability to enhance the cellular interactions, endocytosis and cytoplasmic delivery of the encapsulated nanoparticles and therapeutics.

In conclusion, the developed PSi-based nanocomposites exhibited great potential for cancer targeting and drug delivery, representing an advanced contribution for the successful implementation of PSi nanomaterials as the next generation of cancer nanomedicines.

Viimeaikaiset läpimurrot nanoteknologiassa ovat tehneet tietä syöpälääkityksen uudelle aikakaudelle. Kaikkien nanoteknologiaan pohjautuvien syöpälääkitystä mullistavien lääke-ainekuljettimien joukossa huokoiseen piihin (PSi) perustuvat nanohiukkaset ovat erityisesti nousseet esille niiden hyödyllisten fysikokemiallisten ja biologisten ominaisuuksien johdosta. Tästä huolimatta PSi-nanohiukkasten vakiintumista tehokkaassa syövän hoidossa rajoittavat useat puutteet, joihin kuuluu epästabiilisuus biologisissa nesteissä, heikko tehokkuus kasvaimeen kohdennetussa lääkeainekuljetuksessa, epäsuotuisa farmakokinetiikka, rajoittunut kyky läpäistä solujen sisä- ja ulkopuolisia esteitä sekä kontrolloimaton lääkeaineiden vapautuminen.

Tämän väitöstyön tavoite oli suunnitella ja kehittää uusia strategioita, joilla voidaan parantaa lääkeaineen kasvaimeen kohdentamista ja lääkeainekuljetuksen tehokkuutta, sekä ennen kaikkea mahdollistaa PSi-nanomateriaalien käyttö syöpälääketieteessä.

Aluksi PSi-nanohiukkasten biofunktionalisoinnin hyaluronihappo-johdannaisella (HA) osoitettiin parantavan hiukkasten kolloidi- ja plasmastabiilisuutta ja erityisesti edistävän niiden endosytoosia (soluunottoa) rintasyöpäsoluihin. HA-modifioiduilla PSi-nanohiukkasilla oli suurempi affiniteetti ja endosytoosi-aktiivisuus CD44-reseptoria yliekspressoiviin soluihin, mikä osoitti PSi-nanohiukkasten jatkokehittämisen mahdollisuudet aktiivisesti kohdennettuun lääkeainekuljetukseen CD44:ää yliekspressoivissa kasvaimissa.

Seuraavaksi valmistettiin kahdesta kerroksesta koostuvia kahtaisioni-PSi nanokomposiitteja konjugoimalla järjestyksessä polyetyleeni-imiini- ja poly(metyylivinyyli-eetteri-alt-maleiinihappo)-polymeerejä PSi-nanohiukkasten pinnalle. Täten saavutettiin tyydyttävä soluyhteensopivuus, hyvä kolloidi- ja plasmastabiilisuus, PSi-nanohiukkasten lisääntynyt epäspesifinen kiinnittyminen soluihin ja soluunotto sekä parantunut kulkeminen rintasyöpäsoluissa. Tämä strategia myös lisäsi metotreksaatin (MTX) kapselointiastetta PSi-nanohiukkasiin, MTX:n pitkävaikutteista vapautumista nanohiukkasista sekä MTX- PSi-nanohiukkasten solujen jakautumista estävää vaikutusta (in vitro). Lisäksi PSi-nanokuljettimia käytettiin pohjana monitoiminnallisille nanokomposiiteille, joita voidaan käyttää syöpähoidollisissa ja teranostisissa sovelluksissa. Ensimmäisessä nanokomposiitissa PSi-nanohiukkasiin pakattu sorafenibi ja kultananohiukkaset kapseloitiin itsejärjestyvään polymeeriseen nanokompleksiin. Toisessa nanokomposiitissa näihin nanokomplekseihin kapseloitiin PSi-nanohiukkasia, joiden huokoset oli suljettu DNA-ketjuilla, mikä mahdollistaa hydrofilisten ja hydrofobisten lääkeaineiden kuljettamisen ja vapauttamisen syöpäsolujen solulimassa. Näiden monitoiminnallisten PSi-pohjaisten nanokomposiittien käyttömahdollisuudet pohjautuvat kykyyn sisällyttää erilaisia nanosysteemejä, hydrofiilisia tai hydrofobisia lääkeaineita sekä fluoresoivia väriaineita yhteen nanorakenteeseen sekä kyvystä lisätä kapseloitujen nanopartikkelien ja terapeuttisten aineiden vuorovaikutusta solujen kanssa, lisätä soluunottoa ja parantaa kuljetusta solulimassa.

Kehitetyt PSi-pohjaiset nanokomposiitit osoittivat suurta potentiaalia syöpään kohdennettuun lääkeainekuljetukseen ja edustavat siten uutta kehitysaskelta PSi:n käytössä seuraavan sukupolven syöpälääkkeissä.