Targeting Somatostatin Receptors with Peptide-functionalized Silica Nanoparticles

Abstract

ABSTRACT

Nano-sized synthetic drug carriers comprise a valuable addition to oncology armaments, opening new avenues for improved delivery of anticancer therapies. Nanocarriers designed to bind surface receptors of tumor cells by virtue of bearing cognate high affinity ligands, also called as actively-targeted nanocarriers, have drawn a lot of attention during the last decade, promising to enable selective tumor accumulation via ligand-receptor interactions. The present work encompasses development and early in vitro evaluation efforts with a particular type of such a targeted nanocarrier [nanoparticles of mesoporous silica (SiO2), MSN], functionalized with short peptide ligands of somatostatin receptors (SSTR), frequently abundant in tumors. The synthesized targeted MSN, as well as control inactive peptide–functionalized counterparts, were characterized by physicochemical means and evaluated for their ability to bind to SSTR and enter living cells in vitro. We sequentially studied MSN in protein-depleted and serumenriched media – the latter condition involved adsorption of proteins to MSN surface (formation of the so-called protein corona), which invariably happens in vivo and affects cellular interactions of nanomaterials. We demonstrate that the targeted MSN can bind SSTR not only under the rectified conditions, but also in the presence of protein adsorption. Ultimately, we show that SSTR targeting leads to a decreased cellular accumulation of MSN with protein corona, which highlights the complexity of nanobiointeractions and urges to re-consider the applicability of the conventional model of tumor receptor targeting with nanocarriers to somatostatin receptors.

The work covers a number of chemical (MSN design, synthesis and surface functionalization) and molecular biology (in vitro targetability evaluation and generation of relevant tools, receptor signaling, endocytosis) aspects of high relevance for development and characterization of targeted nanocarriers and as such should be of interest to the broad community working with nanomedicines and targeted delivery. The discussion of the original experimental evidence is preceded by a critical literature review, introducing the current concepts of nanocarriermediated delivery in oncology.

KEYWORDS: nanocarrier, tumor receptor targeting, ligand-receptor interaction, nanoparticle corona, mesoporous silica nanoparticle, somatostatin receptor, cAMP.

TIIVISTELMÄ

Nanokokoiset lääkkeiden kantajat avaavat uusia keinoja syöpähoitojen parantamiseksi. Nanokantajat, joiden pinnalla olevat korkean affiniteetin ligandit ovat suunniteltu sitomaan tuumorisolujen pintareseptoreita (ns. aktiivisesti kohdennetut nanokantajat), mahdollistavat nanohiukkasten selektiivisen kertymisen syöpäkasvaimeen ligandi-reseptori-vuorovaikutusten kautta. Tämä työ kattaa kehityksen ja varhaiset in vitro-kokeet kohdennetulla nanokantajahiukkasella [mesohuokoisen piidioksidin (SiO2) nanohiukkaset, MSN], jotka on funktionalisoitu somatostatiinireseptorien lyhyillä peptidiligandeilla (SSTR), joita esiintyy usein runsaasti kasvaimissa. Syntetisoidut kohdennetut MSN-hiukkaset sekä kontrollina käytetyt inaktiiviset peptidifunktionaaliset vastineet karakterisoitiin fysikaaliskemiallisilla menetelmillä sekä arvioitiin niiden kykyä sitoutua SSTR:ään ja päästä eläviin soluihin in vitro. Tutkimus suoritettiin MSN-hiukkasilla sekä proteiinipitoisessa että seerumilla rikastetussa ravintoliuoksessa – jälkimmäisessä tapauksessa proteiinit kiinnittyivät MSN:n pinnalle (ns. proteiinikoronan muodostuminen), joka tapahtuu in vivo ja vaikuttaa nanomateriaalin ja solun väliseen vuorovaikutukseen. Osoitamme, että kohdennettu MSN voi sitoa SSTR:ää paitsi puhdistetuissa olosuhteissa, myös proteiinikoronan läsnäollessa. Lopuksi osoitamme, että SSTR-kohdennuksessa proteiinikorona vähentää MSN:n kertymistä soluihin, mikä korostaa nanobiovuorovaikutusten monimutkaisuutta, ja kyseenalaistaa nanokantajien kanssa käytetyn tavanomaisen kasvainreseptorikohdennusmallin soveltuvuutta somatostatiinireseptoreihin.

Työssä käytettiin kemiallisia (MSN-suunnittelu, synteesi ja pinnan funktionalisointi) ja molekyylibiologisia (kohdennettavuuden arviointi in vitro, työkalujen luominen, reseptorisignalointi ja endosytoosi) menetelmiä, jotka ovat olennaisia kohdennettujen nanokantajien kehitykselle ja karakterisoinnille. Tulosten oletetaan kiinnostavan laajaa yhteisöä, joka työskentelee nanolääkkeiden ja niiden kohdentamisen parissa. Kokeellista osuutta edeltää kirjallisuuskatsaus, jossa esitellään nanokantaja-välitteisen kuljetuksen nykyiset käsitteet syöpäbiologiassa.

AVAINSANAT: nanokantaja, kasvainreseptorikohdistus, ligandi-reseptorivuorovaikutus, nanohiukkasen korona, mesohuokoinen piidioksidi-nanopartikkeli, somatostatiinireseptori, cAMP.