Propriétés matérielles des MP d'hydrogel chargés de NP. (A) Images de fluorescence de microscopie confocale schématiques et représentatives d'hydrogel MPs évaluées, ayant un module et une charge NP variés. Le rouge est l'hydrogel MP, le vert correspond aux NP PS de 50 nm, et les deux sont superposés pour montrer la colocalisation des NP et des MP d'hydrogel. Barre d'échelle, 5 µm. Modules de cisaillement gonflés pour (B) 15 % de PEG et (C) 50 % d'hydrogels de PEG montrant l'influence de l'ajout de NP à la rhéométrie des matériaux en vrac. Les analyses statistiques ont été réalisées en utilisant une analyse de variance à un facteur (ANOVA) avec le test de différence la moins significative (LSD) de Fisher, où (***) indique P <0,001 par rapport aux hydrogels non chargés. N =3. Tracé des barres d'erreur SE. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abe0143
Les transporteurs de médicaments qui ciblent l'endothélium vasculaire doivent adhérer à la paroi du vaisseau endothélial pour obtenir une stabilité clinique. La taille des particules est une propriété physique critique pour prescrire une marge de particules dans les flux sanguins biologiques et ceux conduits en laboratoire. Alors que les microparticules sont optimales pour la marginalisation, les nanoparticules sont meilleures pour la livraison intracellulaire. Dans un nouveau rapport maintenant sur Avancées scientifiques , Margaret B. Fish et une équipe de recherche en génie chimique, pharmacologie et médecine cardiovasculaire et ingénierie à l'Université du Michigan, Ann Arbor États-Unis, testé des particules d'hydrogel flexibles comme supports pour transporter des nanoparticules vers une paroi vasculaire malade. Sur la base du module des microparticules, Des microparticules d'hydrogel à base de poly (éthylène glycol) chargées de nanoparticules ont délivré des nanoparticules de plus de 50 nm à la paroi du vaisseau, par rapport aux nanoparticules injectées librement pour obtenir une augmentation de plus de 3000 pour cent de la livraison. Le travail a montré l'avantage d'optimiser la marge d'efficacité des microparticules pour améliorer le transport des nanoporteurs vers la paroi vasculaire.
Concevoir des transporteurs de médicaments
Les transporteurs de médicaments qui ciblent la paroi vasculaire sont généralement constitués de particules polymères conçues pour adhérer aux sites de la maladie et s'accumuler via des marqueurs sur la paroi vasculaire pour une administration localisée du médicament. Les propriétés physiques des supports de médicaments peuvent déterminer le temps de circulation, biodistribution, adhérence vasculaire et interactions immunitaires. Une adhérence efficace de la paroi vasculaire est vitale pour la libération précise de leur charge utile de médicament dans le tissu endothélial malade. Bien que les nanoparticules (20 à 80 nm de diamètre) soient un candidat porteur de médicament attrayant, seulement moins de 1 pour cent atteignent le site prévu. Relativement, les microparticules de 2 à 3 micromètres de diamètre semblent être des vecteurs optimaux de médicament. Poisson et al. a donc examiné la possibilité de charger des nanoparticules dans des microparticules flexibles à visée vasculaire pour surmonter les limites existantes avec des nanoparticules libres. En utilisant des microparticules d'hydrogel chargées de nanoparticules, l'équipe a montré la livraison relativement efficace de nanoparticules à la paroi vasculaire. Ce résultat offre une possibilité d'augmenter l'utilisation clinique des transporteurs de médicaments à base de nanoparticules pour traiter les maladies courantes.
Adhésion de MPs hydrogel chargées de NP à une monocouche HUVEC enflammée à 200 s-1 WSR. (A) Schéma détaillant les expériences de flux in vitro « concentration fixe de MP ». Adhésion quantifiée (B) pour les MP d'hydrogel revêtues d'anti-ICAM-1 dosées dans le sang à une concentration de MP fixe et mise à l'échelle (C) du nombre correspondant de NP délivrées par les MP d'hydrogel adhérentes en (B). (D) Schéma des expériences de flux in vitro de NP libre. (E) Nombre de NP délivrées à la paroi vasculaire par des NPs PS libres revêtues d'anti-ICAM-1 dosées à 3 × 107 NPs/ml ou basée sur (F) l'adhésion des MP d'hydrogel dosées dans le sang pour porter un fixe trois fois cargaison NP inférieure de 1 × 107 NPs/ml. Pour tous, l'adhésion a été quantifiée après 5 min de flux sanguin laminaire sur une monocouche HUVEC activée par l'IL-1β. N 3 donneurs de sang humain par condition de particule. L'analyse statistique de la densité adhérente a été réalisée en utilisant une analyse de variance à un facteur avec le test LSD de Fisher, où (*) indique P <0,05, (**) indique P <0,01, (***) indique P <0,001, et (****) indique P <0,0001 par rapport à la première barre de chaque tracé. Tracé des barres d'erreur SE. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abe0143 
Les scientifiques ont d'abord équipé les transporteurs de microparticules d'hydrogel de nanoparticules polymères comme cargaison. Pour y parvenir, ils ont choisi les NP de polystyrène (PS) en raison de leur distribution de taille uniforme et de la cohérence des charges de NP dans différentes formulations de MP. L'équipe a ensuite testé les paramètres d'adhésion des particules pour comprendre comment les nanoparticules de polystyrène rigide avec un module d'élasticité d'environ 2 GPa affectaient le module de masse des hydrogels. Pour ça, ils ont chargé les NP de polystyrène de 50 nm dans des microparticules dures et n'ont noté aucune augmentation significative du module de cisaillement en vrac, ainsi qu'une grande flexibilité. Puis, Poisson et al. testé la capacité de microparticules d'hydrogel chargées de NP à se lier à une monocouche de cellules endothéliales de veine ombilicale humaine (HUVEC) activée pendant le flux sanguin humain dans une chambre à plaques parallèles, dans le laboratoire. En utilisant le test d'analyse, ils ont quantifié le nombre de nanoparticules et de microparticules acheminées vers la paroi du vaisseau. L'équipe a en outre étudié les MP d'hydrogel chargées par rapport aux NP libres sur un lecteur de plaque. Les résultats ont montré comment les transporteurs de médicaments avec une charge de NP plus élevée ont fourni une charge utile de NP significativement plus élevée à la paroi. Sur la base de la constitution de divers prototypes de porteurs de médicaments, Poisson et al. a noté que les 50 pour cent de polyéthylène glycol (PEG) constituant les microparticules ont livré le plus de nanoparticules. Par rapport aux NP libres seules, la livraison de microparticules d'hydrogel a atteint quantitativement une augmentation de 1550 pour cent du nombre de nanoparticules pour atteindre la paroi du vaisseau.
Adhérence de MPs d'hydrogel chargées de NP à une monocouche HUVEC enflammée à 1000 s-1 WSR. Adhésion quantifiée (A) pour les MP d'hydrogel dosées dans le sang à une concentration de MP fixe et mise à l'échelle de (B) le nombre correspondant de NP délivrées par les MP d'hydrogel adhérentes dans (A). (C) Nombre de NP délivrées à la paroi vasculaire par des NP libres revêtues d'anti-ICAM-1 dosées à 3 × 107 NPs/ml ou basée sur (D) l'adhésion des MP d'hydrogel dosées dans le sang pour porter un taux fixe trois fois inférieur Cargaison NP de 1 × 107 NPs/ml. Pour tous, l'adhésion a été quantifiée après 5 min de flux sanguin laminaire sur une monocouche HUVEC activée par l'IL-1β. N 3 donneurs de sang humain par condition de particule. L'analyse statistique de la densité adhérente a été réalisée en utilisant une analyse de variance à un facteur avec le test LSD de Fisher, où (*) indique P <0,05, (**) indique P <0,01, (***) indique P <0,001, et (****) indique P <0,0001 par rapport à la première barre de chaque tracé. Les barres d'erreur représentent SE. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abe0143
Dynamique de liaison de la paroi vasculaire des nanoparticules (NP)
Sur la base de plusieurs expériences de contrôle, Poisson et al. a ensuite confirmé la différence entre les NP délivrées aux parois des vaisseaux via les MP et les NP libres, ne reposait pas simplement sur les NP libres se liant aux cellules sanguines ou étant phagocytées par les leucocytes du sang. Pour y parvenir, ils ont effectué des expériences de cytométrie en flux sur des échantillons de sang collectés après des tests de flux et ont trouvé un nombre insignifiant de leucocytes liés par les NP. En plus de ça, lorsqu'ils ont incubé des NP libres dans des installations de sang statiques en laboratoire, seul un nombre très minime de cellules sanguines se liait aux NP dans les essais statiques. L'équipe a donc attribué la faible adhérence NP à un défaut de liaison à la paroi du vaisseau, et non en raison de leur clairance par phagocytose, ni en raison de leur liaison non spécifique aux cellules sanguines. Ils ont ensuite mené des tests cliniques pour comparer l'adhérence des MP chargées en NP par rapport aux NP libres de 50 nm dans les veines mésentériques de souris. Ils ont choisi le mésentère avec une inflammation aiguë pour visualiser l'adhésion des particules en utilisant la microscopie intravitale. Les MP d'hydrogel étaient significativement plus efficaces pour administrer des nanoparticules de polystyrène de 50 nm à un mésentère enflammé dans le modèle biologique, par rapport aux NP libres, quelle que soit la quantité de NPs libres chargées.
Livraison de NP à un endothélium mésentérique enflammé en fonction du chargement dans les MP d'hydrogel. (A) Images représentatives en champ clair et en fluorescence de l'adhésion des particules au mésentère enflammé. n / A, n'est pas applicable. (B) Densité d'adhérence quantifiée de trois conditions de particules différentes, 15% PEG, MPs d'hydrogel à faible charge, 15% PEG, MPs d'hydrogel à forte charge, et des NP libres. Les particules ont été dosées par une charge utile NP équivalente. (C) Données adaptées au nombre de NP délivrées par les députés hydrogel adhérents pour montrer l'efficacité de la délivrance de NP par chaque système VTC. N =3 souris par groupe, et l'analyse statistique a été réalisée en utilisant une analyse de variance à un facteur avec le test LSD de Fisher, où (**) indique P <0,01 et (***) indique P <0,001 par rapport au PEG 15 % faiblement chargé en NP. Tracé des barres d'erreur SE. Barre d'échelle, 50 µm. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abe0143
Adhérence soutenue des particules dans le temps.
Alors que les nanoparticules sont connues pour maintenir des temps de circulation plus longs par rapport aux particules de taille micro, il est supposé que les particules de polystyrène de 50 nm surpasseraient les MP dans le temps. Pour comprendre cela, l'équipe a évalué la durée de liaison des particules ciblées en étudiant et en comparant trois types de particules flexibles directement aux particules de polystyrène de 50 nm. Ils ont ensuite capturé l'adhésion des particules à cinq endroits distincts de la veine mésentérique toutes les cinq minutes pendant une heure. Pendant le cadre d'une heure, les NP d'hydrogel n'ont pas égalé ou dépassé les MP d'hydrogel en termes d'efficacité d'adhésion ciblée. L'équipe a ensuite étudié une fenêtre de ciblage plus longue avec un modèle de lésion pulmonaire aiguë et a noté une présence prolongée d'adhérence flexible ciblée des MP d'hydrogel in vivo.
Comportement des particules d'hydrogel ciblées chez la souris présentant une lésion pulmonaire aiguë. Accumulation de MPs à base de PEG (A) 2-μm et (B) NPs 500 nm dans les poumons de souris de lésion pulmonaire 2, 4, 8, et 24 heures après l'injection de particules. (C et D) Profil de la circulation sanguine au fil du temps chez des souris atteintes de lésions pulmonaires montrant la concentration de particules à base de PEG restant dans la circulation sanguine des souris atteintes de lésions pulmonaires quelques minutes après l'injection de particules. Des tracés sont présentés pour les particules ICAM-1 ciblées (T) et non ciblées (U). Les barres représentent le SE pour N =4. L'analyse statistique a été réalisée en utilisant une analyse de variance à un facteur avec le test LSD de Fisher, où (*) indique P <0,05 par rapport à la particule non ciblée à ce moment-là. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abe0143 
De cette façon, Margaret B. Fish et ses collègues ont montré comment le chargement de nanoparticules (NP) dans des microparticules d'hydrogel (MP) avait une excellente influence sur l'amélioration de l'administration de petites NP pour une variété de situations cliniques adaptées à l'administration ciblée de médicaments. En raison de leur flexibilité hautement réglable, l'équipe a pu concevoir les supports d'hydrogel pour assurer un transport facile à travers le système vasculaire avec un faible risque d'occlusion des vaisseaux lors de la liaison, un peu comme les globules blancs natifs. Par rapport aux NP libres, les MPs d'hydrogel souple offraient une adhérence significativement plus forte et soutenue, pendant toutes les expériences. Ce travail a démontré un énorme avantage du trafic des NP vers la paroi du vaisseau via la stratégie de chargement des NP dans des hydrogels et le résultat peut être optimisé pour des applications cliniques en médecine régénérative et en bio-ingénierie.
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