Functional Nanovalves on Protein-Coated Nanoparticles for In vitro and In vivo Controlled Drug Delivery

Abstract

A multifunctional mesoporous drug delivery system that contains fluorescent imaging molecules, targeting proteins, and pH-sensitive nanovalves was developed and tested. Three nanovalve-MSN systems (NV-MSNs) with varied quantities of nanovalves on the surface were synthesized. These systems were characterized and tested to optimize the trade-off between coverage of nanovalves on the MSNs to effectively trap and deliver cargo, and the remaining underivatized silanol groups that can be used for protein attachments. The NV-MSN system that has satisfactory coverage for high loading and spare silanols was chosen, and transferrin (Tf) was integrated into the system. Abiotic studies were performed to test the operation of the nanovalve in the presence of the protein. In vitro studies were carried out to demonstrate the autonomous activation and function of the nanovalves in the system under biological conditions. Enhanced cellular uptake of the Tf-modified MSNs was seen using fluorescence microscopy and flow cytometry in MiaPaCa-2 cells. The MSNs were then tested using in SCID mice, which showed that both targeted and untargeted NV-MSN systems were fully functional to effectively deliver cargo. These new multifunctional nanoparticles serve proof of concept of nanovalve functionality in the presence of large proteins and demonstrate another dimension of MSN-based theranostic platforms.

Smart multifunctional nanoparticles in nanomedicine

“…Liposomes, polymeric nanoparticles, dendrimers, metal nanoparticles, and quantum dots are versatile molecules with a variety of biomedical uses, such as diagnostic assays [13,14], radiotherapy enhancement [15,16], as well as drug and gene delivery [17,18]. Liposomes are artificially prepared vesicles composed of lipid bilayers.…”

Suprapowered nanomachines

“…Arrays of bistable rotaxane shuttles have been used as switchable components in molecular memory devices 4 , with efforts underway to make these delicate materials more robust through integration with porous frameworks 5 . Enzyme-sensitive rotaxanes 6 and nanocontainers using mechanized molecular valves 7 are both examples of how molecular machines can be used for on-demand drug delivery. The mechanical movement of molecular rotors can be applied to achieve dynamic stereochemistry during chemical reactions 8 , and for the light-driven reorganization of liquid-crystal films to rotate microscale objects 9 .…”

Ação sinérgica entre terapia fotodinâmica e terapia hipertérmica utilizando nanobarras de ouro

“…A nanooncologia é o ramo da ciência que consiste no desenvolvimento de dispositivos direcionados à liberação controlada de fármacos em escala nanométrica, no desenvolvimento de nanopartículas que absorvem luz visando seu aquecimento (terapia hipertérmica) ou para diagnóstico específico, dentre várias outras aplicações terapêuticas (JAIN, 2008). Revisão da Literatura 33 nanopartículas podem proporcionar uma liberação controlada de fármacos por um longo tempo e podem ser combinadas a ligantes específicos para o tecido de interesse, garantindo a ação específica e localizada das drogas antitumorais (HWANG et al, 2015;WANG et al, 2015b).…”

“…Isso aumenta a área de superfície dos dispositivos, aumentando, em consequência, a biodisponibilidade dos fármacos, principalmente se são compostos apolares. Paralelamente, as nanopartículas podem proporcionar uma liberação controlada de fármacos por um longo tempo e podem ser combinadas a ligantes específicos para o tecido de interesse, garantindo a ação específica e localizada das drogas antitumorais (HWANG et al, 2015;WANG et al, 2015b). …”

“…A nanooncologia é o ramo da ciência que consiste no desenvolvimento de dispositivos direcionados à liberação controlada de fármacos em escala nanométrica, no desenvolvimento de nanopartículas que absorvem luz visando seu aquecimento (terapia hipertérmica) ou para diagnóstico específico, dentre várias outras aplicações terapêuticas (JAIN, 2008). Revisão da Literatura 33 nanopartículas podem proporcionar uma liberação controlada de fármacos por um longo tempo e podem ser combinadas a ligantes específicos para o tecido de interesse, garantindo a ação específica e localizada das drogas antitumorais (HWANG et al, 2015;WANG et al, 2015b).Os lipossomas, apesar de muitas vezes não serem considerados nanomateriais devido ao tamanho que assumem ultrapassar muitas vezes os 200 nm de diâmetro, são muito utilizados para a liberação controlada e localizada de fármacos. Eles foram testados quanto à liberação controlada de fármacos e à inserção de genes ligados ao controle da angiogênese, do ciclo celular e da apoptose, sendo esta inserção realizada em células tumorais, e os resultados foram promissores.…”