Stimuli-Responsive Porous Nanomaterials for Controlled Drug Delivery and Gene Therapy
Liu, Chang (2022-02-25)
Liu, Chang
Åbo Akademi - Åbo Akademi University
25.02.2022
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-4145-1
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-4145-1
Tiivistelmä
Stimuli-responsive drug delivery systems have become increasingly fascinating and vital in nanomedicine because they can change the drugs pharmacokinetics, significantly improve the drugs utilization efficiency, provide on-demand local drug delivery, and reduce toxic side effects. As a typical representative, porous nanomaterials have unique physicochemical properties, such as rich pore structure, low density, high surface area, and tunable porous size. They show great promise not only in industrial catalysis, gas adsorption, linear optics, and electromagnetic materials, but also in stimuliresponsive delivery system for the diagnosis and treatment of diseases. This thesis mainly focuses on some important scientific issues such as seeking new release and targeting mechanisms, broadening their biomedical applications, developing multifunctional drug delivery systems, exploring biomimetic encapsulation strategies, and further improving the loading diversity of nanocarriers. Here, we have designed different drug/biomolecule delivery systems based on porous nanomaterials, which are listed as follows:
First, mesoporous silica nanoparticle (MSNs)-based drug delivery system with in vivo endothelial targeting was prepared for the inhibition of antibodymediated rejection after allograft kidney transplantation. The photothermal sensitive copper sulphide (CuS) nanoparticles were encapsulated in biocompatible MSNs, followed by multi-step surface engineering to form the anti-inflammatory drug-loaded theragnostic nanoparticles. Non-invasive targeting imaging, and near-infrared (NIR) triggered photothermal responsive drug release investigations demonstrated this system can reduce systemic inflammation, downregulate innate immune responses and promote recovery of the injured endothelium. Intracellular delivery of CRISPR/Cas9 plasmids via MSNs was subsequently explored for homology-directed repair through gene editing. By microfluidic-assisted electrostatic nanoprecipitation, polymer was coated onto plasmid-loaded MSNs to prevent biomolecule denaturation by EcoRV restriction enzymes as well as premature release. The pH-responsive breakdown of the polymer enabled controlled intracellular release of the plasmid and knock-in of the paxillin gene sequence. However, due to the low encapsulation efficiency and complex assembly process, there is a need to develop new porous vectors that can be easily prepared, have better drug and biomolecular loading capacity, and have better biocompatibility and biodegradability.
Therefore, metal-organic frameworks (MOFs) with good biocompatibility are used for drug delivery. By post-synthetic modification with disulfide anhydride and folic acid, MOFs with redox-responsive and tumor-targeting properties were constructed as a dual-drug carrier, exhibiting synergistic enhanced anticancer effects. However, pre-prepared MOFs have the same problems as MSNs in delivering biomolecules, and the encapsulation of MOFs with postsynthetic modification provides limited protection for biomolecules. Biomimetic mineralisation technique, which has been extensively studied for inorganic systems, was applied to the synthesis of MOFs to wrap and protect biomolecules, such as the encapsulation of CRISPR-Cas9 plasmids into MOFs, where controlled nanostructures were synthesised in situ through a biomolecule-mediated strategy. The structure-function relationship studies showed that the nanostructures of the MOF coatings greatly influence the biological properties of the contained biomolecules through different embedding structures. With the help of the superior ZIF-8 vector, the GFPtagged paxillin genomic sequence was successfully knocked in a cancer cell line with high transfection potency. In addition, microfluidic-assisted biomineralization strategy for MOFs was utilised for efficient delivery and remote regulation of CRISPR-Cas9 ribonucleic acid protein (RNP)-based gene editing. By tuning different microfluidic parameters, well-defined and comparable RNP-encapsulated nanocarriers were obtained with high delivery efficiency, significant protection and NIR-responsive release, endosomal escape and precise gene knock-down capabilities. Stimuli-responsiva system för läkemedelstillförsel har blivit alltmer fascinerande och viktiga inom nanomedicin eftersom de kan förändra läkemedlens farmakokinetik, avsevärt förbättra läkemedelsutnyttjandet, tillhandahålla lokal läkemedelstillförsel på begäran och minska toxiska biverkningar. Som en typisk representant har porösa nanomaterial unika fysikalisk-kemiska egenskaper, t.ex. rik porstruktur, låg densitet, hög yta och justerbar porstorlek. De är mycket lovande inte bara inom industriell katalys, gasadsorption, linjär optik och elektromagnetiska material, utan även inom stimulansresponsiva leveranssystem för diagnos och behandling av sjukdomar. Denna avhandling fokuserar huvudsakligen på några viktiga vetenskapliga frågor, t.ex. att söka nya frisättnings- och målinriktningsmekanismer, bredda deras biomedicinska tillämpningar, utveckla multifunktionella system för läkemedelstillförsel, utforska biomimetiska inkapslingsstrategier och ytterligare förbättra laddningsmångfalden hos nanodragare. Här har vi konstruerat olika system för att leverera läkemedel/biomolekyler baserade på porösa nanomaterial, som listas nedan:
För det första framställdes ett mesoporöst kiseldioxidnanopartikelsystem (MSN) baserat på läkemedelsleveranser med in vivo endotelmålsättning för att hämma antikroppsmedierad avstötning efter en njurtransplantation med allograft. De fototermiskt känsliga kopparsulfidnanopartiklarna (CuS) kapslades in i biokompatibla MSN, följt av en ytkonstruktion i flera steg för att bilda antiinflammatoriska nanopartiklar laddade med teragnostiska läkemedel. Undersökningar av icke-invasiv målbildsanalys och NIR-utlöst fototermisk responsiv läkemedelsfrisättning visade att detta system kan minska systemisk inflammation, nedreglera det medfödda immunförsvaret och främja återhämtning av skadat endotel. Intracellulär leverans av CRISPR/Cas9-plasmider via MSN:er undersöktes därefter för homologiskt riktad reparation genom genredigering. Genom elektrostatisk nanoprecipitering med hjälp av mikrofluidik har polymeren belagts på plasmidladdade MSN:er för att förhindra denaturering av biomolekylerna med hjälp av EcoRVrestriktionsenzymerna och för tidig frisättning. Den pH-responsiva nedbrytningen av polymeren möjliggjorde en kontrollerad intracellulär frisättning av plasmidet och knock-in av paxillin-gensekvensen. På grund av den låga inkapslingseffektiviteten och den komplexa monteringsprocessen finns det dock ett behov av att utveckla nya porösa vektorer som lätt kan framställas, som har bättre laddningskapacitet för läkemedel och biomolekyler och som har bättre biokompatibilitet och biologisk nedbrytbarhet.
Därför används metallorganiska ramverk (MOF) med god biokompatibilitet för läkemedelsleveranser. Genom postsyntetisk modifiering med disulfidanhydrid och folsyra konstruerades MOF:er med redoxresponsiva och tumörmålande egenskaper som en dubbel läkemedelsbärare som uppvisar synergistiska förbättrade cancerbekämpande effekter. Förberedda MOF:er har dock samma problem som MSN:er när det gäller att leverera biomolekyler, och inkapsling av MOF:er med postsyntetisk modifiering ger ett begränsat skydd för biomolekyler. Den biomimetiska mineraliseringstekniken, som har studerats ingående för oorganiska system, tillämpades på syntesen av MOF:er för att omsluta och skydda biomolekyler, t.ex. inkapsling av CRISPR-Cas9-plasmider i MOF:er, där kontrollerade nanostrukturer syntetiserades in situ genom en biomolekylmedierad strategi. Studierna av strukturfunktionsförhållandet visade att MOF-beläggningarnas nanostrukturer i hög grad påverkar de biologiska egenskaperna hos de ingående biomolekylerna genom olika inbäddningsstrukturer. Med hjälp av den överlägsna ZIF-8-vektorn lyckades man framgångsrikt slå ut den GFP-märkta genomsekvensen av paxillin i en cancercelllinje med hög transfektionsförmåga. Dessutom utnyttjades en mikrofluidiskt assisterad biomineraliseringsstrategi för MOFs för effektiv leverans och fjärrreglering av CRISPR-Cas9 ribonukleinsyreprotein (RNP)-baserad genredigering. Genom att ställa in olika mikrofluidiska parametrar erhölls väldefinierade och jämförbara RNP-inkapslade nanodragare med hög leveranseffektivitet, betydande skydd och NIRresponsiv frisättning, endosomal flykt och exakta möjligheter att slå ner gener.
First, mesoporous silica nanoparticle (MSNs)-based drug delivery system with in vivo endothelial targeting was prepared for the inhibition of antibodymediated rejection after allograft kidney transplantation. The photothermal sensitive copper sulphide (CuS) nanoparticles were encapsulated in biocompatible MSNs, followed by multi-step surface engineering to form the anti-inflammatory drug-loaded theragnostic nanoparticles. Non-invasive targeting imaging, and near-infrared (NIR) triggered photothermal responsive drug release investigations demonstrated this system can reduce systemic inflammation, downregulate innate immune responses and promote recovery of the injured endothelium. Intracellular delivery of CRISPR/Cas9 plasmids via MSNs was subsequently explored for homology-directed repair through gene editing. By microfluidic-assisted electrostatic nanoprecipitation, polymer was coated onto plasmid-loaded MSNs to prevent biomolecule denaturation by EcoRV restriction enzymes as well as premature release. The pH-responsive breakdown of the polymer enabled controlled intracellular release of the plasmid and knock-in of the paxillin gene sequence. However, due to the low encapsulation efficiency and complex assembly process, there is a need to develop new porous vectors that can be easily prepared, have better drug and biomolecular loading capacity, and have better biocompatibility and biodegradability.
Therefore, metal-organic frameworks (MOFs) with good biocompatibility are used for drug delivery. By post-synthetic modification with disulfide anhydride and folic acid, MOFs with redox-responsive and tumor-targeting properties were constructed as a dual-drug carrier, exhibiting synergistic enhanced anticancer effects. However, pre-prepared MOFs have the same problems as MSNs in delivering biomolecules, and the encapsulation of MOFs with postsynthetic modification provides limited protection for biomolecules. Biomimetic mineralisation technique, which has been extensively studied for inorganic systems, was applied to the synthesis of MOFs to wrap and protect biomolecules, such as the encapsulation of CRISPR-Cas9 plasmids into MOFs, where controlled nanostructures were synthesised in situ through a biomolecule-mediated strategy. The structure-function relationship studies showed that the nanostructures of the MOF coatings greatly influence the biological properties of the contained biomolecules through different embedding structures. With the help of the superior ZIF-8 vector, the GFPtagged paxillin genomic sequence was successfully knocked in a cancer cell line with high transfection potency. In addition, microfluidic-assisted biomineralization strategy for MOFs was utilised for efficient delivery and remote regulation of CRISPR-Cas9 ribonucleic acid protein (RNP)-based gene editing. By tuning different microfluidic parameters, well-defined and comparable RNP-encapsulated nanocarriers were obtained with high delivery efficiency, significant protection and NIR-responsive release, endosomal escape and precise gene knock-down capabilities.
För det första framställdes ett mesoporöst kiseldioxidnanopartikelsystem (MSN) baserat på läkemedelsleveranser med in vivo endotelmålsättning för att hämma antikroppsmedierad avstötning efter en njurtransplantation med allograft. De fototermiskt känsliga kopparsulfidnanopartiklarna (CuS) kapslades in i biokompatibla MSN, följt av en ytkonstruktion i flera steg för att bilda antiinflammatoriska nanopartiklar laddade med teragnostiska läkemedel. Undersökningar av icke-invasiv målbildsanalys och NIR-utlöst fototermisk responsiv läkemedelsfrisättning visade att detta system kan minska systemisk inflammation, nedreglera det medfödda immunförsvaret och främja återhämtning av skadat endotel. Intracellulär leverans av CRISPR/Cas9-plasmider via MSN:er undersöktes därefter för homologiskt riktad reparation genom genredigering. Genom elektrostatisk nanoprecipitering med hjälp av mikrofluidik har polymeren belagts på plasmidladdade MSN:er för att förhindra denaturering av biomolekylerna med hjälp av EcoRVrestriktionsenzymerna och för tidig frisättning. Den pH-responsiva nedbrytningen av polymeren möjliggjorde en kontrollerad intracellulär frisättning av plasmidet och knock-in av paxillin-gensekvensen. På grund av den låga inkapslingseffektiviteten och den komplexa monteringsprocessen finns det dock ett behov av att utveckla nya porösa vektorer som lätt kan framställas, som har bättre laddningskapacitet för läkemedel och biomolekyler och som har bättre biokompatibilitet och biologisk nedbrytbarhet.
Därför används metallorganiska ramverk (MOF) med god biokompatibilitet för läkemedelsleveranser. Genom postsyntetisk modifiering med disulfidanhydrid och folsyra konstruerades MOF:er med redoxresponsiva och tumörmålande egenskaper som en dubbel läkemedelsbärare som uppvisar synergistiska förbättrade cancerbekämpande effekter. Förberedda MOF:er har dock samma problem som MSN:er när det gäller att leverera biomolekyler, och inkapsling av MOF:er med postsyntetisk modifiering ger ett begränsat skydd för biomolekyler. Den biomimetiska mineraliseringstekniken, som har studerats ingående för oorganiska system, tillämpades på syntesen av MOF:er för att omsluta och skydda biomolekyler, t.ex. inkapsling av CRISPR-Cas9-plasmider i MOF:er, där kontrollerade nanostrukturer syntetiserades in situ genom en biomolekylmedierad strategi. Studierna av strukturfunktionsförhållandet visade att MOF-beläggningarnas nanostrukturer i hög grad påverkar de biologiska egenskaperna hos de ingående biomolekylerna genom olika inbäddningsstrukturer. Med hjälp av den överlägsna ZIF-8-vektorn lyckades man framgångsrikt slå ut den GFP-märkta genomsekvensen av paxillin i en cancercelllinje med hög transfektionsförmåga. Dessutom utnyttjades en mikrofluidiskt assisterad biomineraliseringsstrategi för MOFs för effektiv leverans och fjärrreglering av CRISPR-Cas9 ribonukleinsyreprotein (RNP)-baserad genredigering. Genom att ställa in olika mikrofluidiska parametrar erhölls väldefinierade och jämförbara RNP-inkapslade nanodragare med hög leveranseffektivitet, betydande skydd och NIRresponsiv frisättning, endosomal flykt och exakta möjligheter att slå ner gener.
Kokoelmat
- 317 Farmasia [17]