Investigation of novel multifunctional polydimethylsiloxane nanoparticles as cancer targeting and siRNA polyplex formulation

Combining the functions of the prolonged systemic circulation, enhanced tumor targeting and specific intracellular drug release is vital for small molecule drug delivery as well as the nucleic acid formulations. Here, we report a new approach to prepare silica nanoparticles based on self-catalyzed r...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Cakilkaya, Pinar
Άλλοι συγγραφείς: Κλεπετσάνης, Παύλος
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2020
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/13585
id nemertes-10889-13585
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Nanoparticles
Silicon dioxide
Cancer
PDMS peptides
Νανοσωματίδια
Διοξείδιο του πυριτίου
Καρκίνος
PDMS πεπτίδια
spellingShingle Nanoparticles
Silicon dioxide
Cancer
PDMS peptides
Νανοσωματίδια
Διοξείδιο του πυριτίου
Καρκίνος
PDMS πεπτίδια
Cakilkaya, Pinar
Investigation of novel multifunctional polydimethylsiloxane nanoparticles as cancer targeting and siRNA polyplex formulation
description Combining the functions of the prolonged systemic circulation, enhanced tumor targeting and specific intracellular drug release is vital for small molecule drug delivery as well as the nucleic acid formulations. Here, we report a new approach to prepare silica nanoparticles based on self-catalyzed ring-opening polymerization of PDMS chains utterly simplifying the design of multifunctional nanoparticles in a single step. Initially, we have synthesized siloxane modified peptide ligands, silylated fluorescein (si-FITC) and silylated PEG (si-PEG) monomers. Accordingly, Methotrexate (MTX) was used as an anticancer drug model to conjugated to a PEG linker (si-PEG-F-MTX); cyclic RGD peptide (si-PEG-3F-cRGD) was also incorporated to the nanoparticles for active targeting especially towards αvβ3 integrin-rich cancer cells. In an aqueous medium, functionalized PDMS polymer, with an optimized ratio of monomers, self-assembled to form nanoparticles ranging in size 100-120 nm which was confirmed by DLS, NTA and TEM measurements. Fluorine nuclear magnetic resonance (F-NMR) method revealed the incorporation yield thanks to the fluorine (F) atoms in the design of the monomers. The cytotoxic activity of MTX-NPs was investigated on A375 human cancer cell line. Importantly, our first results highlighted that MTX-NPs presented a significant cytotoxic activity on the cancer cells, whereas control-NPs (cRGD-NP without MTX) had no cytotoxic effects at tested concentration. Preparation method was also applied to create a non-viral gene delivery vector. Siloxane modified K4H4 peptide was employed to form siRNA polyplexes. The sol-gel polymerization of the peptides was conducted in the presence and absence of siRNA. With siRNA in access, the polyplexes were directly formed in situ, in the parallel pre-formed si-K4H4 polymer was complexated with siRNA after its polymerization was completed. The polyplex formations were confirmed by agarose gel retardation assay for both methods. The findings clearly suggest that full-complexation of in situ siRNA and si-K4H4 resulted in lower nitrogen: phosphate (N/P) ratio compared to the pre-formed polyplex preparation. This result demonstrates that siRNA might be playing a role in polymerization kinetics driving the complexation electrostatically and aiding the covalent bonding of siloxanes. Taking into consideration this outcome, polyplexes were identified in terms of morphology, size and zeta potential establishing the fundamental basis of in situ forming highly stable PDMS polyplexes for the in vivo applications in the near future. In our study, PDMS-NPs were functionalized with targeting ligands, imaging agents and stealth characteristics with the possibility of controlled release of drugs in a balanced composition. Our straightforward approach showed great potential for the development of novel multifunctional small molecule drug delivery for cancer-targeting and well-protected siRNA vectors with definite physicochemical properties.
author2 Κλεπετσάνης, Παύλος
author_facet Κλεπετσάνης, Παύλος
Cakilkaya, Pinar
format Thesis
author Cakilkaya, Pinar
author_sort Cakilkaya, Pinar
title Investigation of novel multifunctional polydimethylsiloxane nanoparticles as cancer targeting and siRNA polyplex formulation
title_short Investigation of novel multifunctional polydimethylsiloxane nanoparticles as cancer targeting and siRNA polyplex formulation
title_full Investigation of novel multifunctional polydimethylsiloxane nanoparticles as cancer targeting and siRNA polyplex formulation
title_fullStr Investigation of novel multifunctional polydimethylsiloxane nanoparticles as cancer targeting and siRNA polyplex formulation
title_full_unstemmed Investigation of novel multifunctional polydimethylsiloxane nanoparticles as cancer targeting and siRNA polyplex formulation
title_sort investigation of novel multifunctional polydimethylsiloxane nanoparticles as cancer targeting and sirna polyplex formulation
publishDate 2020
url http://hdl.handle.net/10889/13585
work_keys_str_mv AT cakilkayapinar investigationofnovelmultifunctionalpolydimethylsiloxanenanoparticlesascancertargetingandsirnapolyplexformulation
_version_ 1771297302122594304
spelling nemertes-10889-135852022-09-05T20:22:32Z Investigation of novel multifunctional polydimethylsiloxane nanoparticles as cancer targeting and siRNA polyplex formulation Cakilkaya, Pinar Κλεπετσάνης, Παύλος Κλεπετσάνης, Παύλος Audrieux, Karine Roques, Caroline Nanoparticles Silicon dioxide Cancer PDMS peptides Νανοσωματίδια Διοξείδιο του πυριτίου Καρκίνος PDMS πεπτίδια Combining the functions of the prolonged systemic circulation, enhanced tumor targeting and specific intracellular drug release is vital for small molecule drug delivery as well as the nucleic acid formulations. Here, we report a new approach to prepare silica nanoparticles based on self-catalyzed ring-opening polymerization of PDMS chains utterly simplifying the design of multifunctional nanoparticles in a single step. Initially, we have synthesized siloxane modified peptide ligands, silylated fluorescein (si-FITC) and silylated PEG (si-PEG) monomers. Accordingly, Methotrexate (MTX) was used as an anticancer drug model to conjugated to a PEG linker (si-PEG-F-MTX); cyclic RGD peptide (si-PEG-3F-cRGD) was also incorporated to the nanoparticles for active targeting especially towards αvβ3 integrin-rich cancer cells. In an aqueous medium, functionalized PDMS polymer, with an optimized ratio of monomers, self-assembled to form nanoparticles ranging in size 100-120 nm which was confirmed by DLS, NTA and TEM measurements. Fluorine nuclear magnetic resonance (F-NMR) method revealed the incorporation yield thanks to the fluorine (F) atoms in the design of the monomers. The cytotoxic activity of MTX-NPs was investigated on A375 human cancer cell line. Importantly, our first results highlighted that MTX-NPs presented a significant cytotoxic activity on the cancer cells, whereas control-NPs (cRGD-NP without MTX) had no cytotoxic effects at tested concentration. Preparation method was also applied to create a non-viral gene delivery vector. Siloxane modified K4H4 peptide was employed to form siRNA polyplexes. The sol-gel polymerization of the peptides was conducted in the presence and absence of siRNA. With siRNA in access, the polyplexes were directly formed in situ, in the parallel pre-formed si-K4H4 polymer was complexated with siRNA after its polymerization was completed. The polyplex formations were confirmed by agarose gel retardation assay for both methods. The findings clearly suggest that full-complexation of in situ siRNA and si-K4H4 resulted in lower nitrogen: phosphate (N/P) ratio compared to the pre-formed polyplex preparation. This result demonstrates that siRNA might be playing a role in polymerization kinetics driving the complexation electrostatically and aiding the covalent bonding of siloxanes. Taking into consideration this outcome, polyplexes were identified in terms of morphology, size and zeta potential establishing the fundamental basis of in situ forming highly stable PDMS polyplexes for the in vivo applications in the near future. In our study, PDMS-NPs were functionalized with targeting ligands, imaging agents and stealth characteristics with the possibility of controlled release of drugs in a balanced composition. Our straightforward approach showed great potential for the development of novel multifunctional small molecule drug delivery for cancer-targeting and well-protected siRNA vectors with definite physicochemical properties. Ο συνδυασμός των λειτουργιών της παρατεταμένης συστηματικής κυκλοφορίας, της ενισχυμένης στόχευσης όγκου και της ειδικής ενδοκυτταρικής απελευθέρωσης φαρμάκου, είναι ζωτικής σημασίας για τη χορήγηση φαρμάκων μικρού μοριακού βάρους καθώς και για τις μορφοποιήσεις νουκλεϊκών οξέων. Στην παρούσα εργασία, αναφέρουμε μια νέα προσέγγιση για την παρασκευή νανοσωματιδίων διοξειδίου του πυριτίου με βάση τον αυτοκαταλυόμενο πολυμερισμό ανοίγματος δακτυλίων των αλυσίδων PDMS που απλοποιεί πλήρως το σχεδιασμό των πολυλειτουργικών νανοσωματιδίων σε ένα μόνο βήμα. Αρχικά, συντέθηκαν πεπτιδικοί συνδέτες τροποποιημένοι με σιλοξάνιο, silylated fluorescein (si-FITC) και silylated PEG (si-PEG) μονομερή. Η μεθοτρεξάτη (ΜΤΧ) χρησιμοποιήθηκε ως μοντέλο αντικαρκινικού φαρμάκου για να συζευχθεί με υποκαταστάτη PEG (si-PEG-F-ΜΤΧ). Το κυκλικό RGD πεπτίδιο (si-PEG-3F-cRGD) ενσωματώθηκε επίσης στα νανοσωματίδια για ειδική στόχευση καρκινικών κυττάρων που υπερεκφράζουν την integrin ανβ3. Το ενεργοποιημένο πολυμερές PDMS με βελτιστοποιημένη αναλογία μονομερών σχημάτισε νανοσωματίδια μεγέθους 100-120 nm σε υδατικό μέσο, όπως επιβεβαιώθηκε με μετρήσεις DLS, NTA και ΤΕΜ. Η μέθοδος πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού φθορίου (F-NMR) αποκάλυψε την απόδοση ενσωμάτωσης, χάρη στα άτομα φθορίου (F) στο σχεδιασμό των μονομερών. Η κυτταρο-τοξική δραστικότητα των ΜΤΧ-ΝΡ μελετήθηκε στην κυτταρική σειρά ανθρώπινου καρκίνου Α375. Είναι σημαντικό ότι τα πρώτα μας αποτελέσματα έδειξαν ότι τα ΜΤΧ-νανοσωματίδια παρουσιάζουν σημαντική κυτταροτοξική δράση στα καρκινικά κύτταρα, ενώ τα νανοσωματίδια-αναφοράς (cRGD-NP χωρίς ΜΤΧ) δεν είχαν κυτταροτοξικές επιδράσεις στην μελετώμενη συγκέντρωση. Η μέθοδος παρασκευής εφαρμόσθηκε επίσης για τη δημιουργία φορέα χορήγησης ενός μη ιϊκού γονιδίου. Το τροποποιημένο με σιλοξάνιο πεπτίδιο K4H4 χρησιμοποιήθηκε για να ενσωματώσει siRNA. Ο πολυμερισμός με κολλοειδές πήγμα των πεπτιδίων διεξήχθη παρουσία και απουσία του siRNA. Με το siRNA, σχηματίστηκαν απευθείας πολυπλέγματα in situ, στο παράλληλο προσχηματισμένο πολυμερές si-K4H4 που συμπλοκοποιήθηκε με siRNA μετά την ολοκλήρωση του πολυμερισμού του. Οι πολυπλεξικοί σχηματισμοί επιβεβαιώθηκαν με ειδικές τεχνικές. Τα ευρήματα υποδηλώνουν σαφώς ότι η πλήρης in situ συμπλοκοποίηση του siRNA και του si-K4H4 είχε σαν αποτέλεσμα χαμηλότερη αναλογία αζώτου: φωσφορικού (Ν/Ρ) σε σύγκριση με το προ-σχηματισμένο παρασκεύασμα πολυπλέγματος. Αυτό το αποτέλεσμα καταδεικνύει ότι το siRNA μπορεί να παίζει ένα ρόλο στην κινητική του πολυμερισμού, οδηγώντας την συμπλοκοποίηση ηλεκτροστατικά και βοηθώντας την ομοιοπολική σύνδεση των σιλοξανίων. Λαμβάνοντας υπόψη αυτό το αποτέλεσμα, τα πολυπεπτίδια ταυτοποιήθηκαν από την άποψη της μορφολογίας, του μεγέθους και του ζ-δυναμικού και καθιερώνουν τη θεμελιώδη βάση in-situ σχηματισμού πολύ σταθερών PDMS πολυπεπτιδίων για in-vivo εφαρμογές στο εγγύς μέλλον. Στη μελέτη μας, τα PDMS-νανοσωματίδια συζεύθηκαν με υποκαταστάτες στόχευσης, παράγοντες απεικόνισης και χαρακτηριστικά stealth, ώστε να εχουν δυνατότητα ελεγχόμενης απελευθέρωσης φαρμάκων. Η προσέγγισή μας έδειξε την μεγάλη δυνατότητα για την ανάπτυξη νέας πολυλειτουργικής πλατφόρμας μορφοποίησης φαρμάκων μικρού ΜΒ, και καλά προστατευμένων φορέων siRNA, με καθορισμένες φυσικοχημικές ιδιότητες, και ικανότητα για στόχευση καρκίνου. 2020-07-13T08:45:40Z 2020-07-13T08:45:40Z 2019-07-09 Thesis http://hdl.handle.net/10889/13585 en 12 application/pdf