Biocompatibility and biofunctionalization of mesoporous silicon particles

Several of the newly developed drug molecules experience poor biopharmaceutical behavior, which hinders their effective delivery at the proper site of action. Among the several strategies employed in order to overcome this obstacle, mesoporous silicon-based materials have emerged as promising drug carriers due to their ability to improve the dissolution behavior of several poorly water-soluble drugs compounds confined within their pores. In addition to improve the dissolution behavior of the drugs, we report that porous silicon (PSi) nanoparticles have a higher degree of biocompatibility than PSi microparticles in several cell lines studied. In addition, the degradation of the nanoparticles showed its potential to fast clearance in the body. After oral delivery, the PSi particles were also found to transit the intestines without being absorbed. These results constituted the first quantitative analysis of the behavior of orally administered PSi nanoparticles compared with other delivery routes in rats. The self-assemble of a hydrophobin class II (HFBII) protein at the surface of hydrophobic PSi particles endowed the particles with greater biocompatibility in different cell lines, was found to reverse their hydrophobicity and also protected a drug loaded within its pores against premature release at low pH while enabling subsequent drug release as the pH increased. These results highlight the potential of HFBII-coating for PSi-based drug carriers in improving their hydrophilicity, biocompatibility and pH responsiveness in drug delivery applications. In conclusion, mesoporous silicon particles have been shown to be a versatile platform for improving the dissolution behavior of poorly water-soluble drugs with high biocompatibility and easy surface modification. The results of this study also provide information regarding the biofunctionalization of the THCPSi particles with a fungal protein, leading to an improvement in their biocompatibility and endowing them with pH responsive and mucoadhesive properties.

Heikot biofarmaseuttiset ominaisuudet vaikeuttavat uusien lääkemolekyylien keksintää ja kehittämistä, mikä estää molekyylien tehokasta annostelua vaikutuspaikkaansa elimistössä. Tämän ongelman ratkaisemiseksi on tutkittu useita menetelmiä ja materiaaleja, joista yksi lupaavimmista perustuu mesohuokoisten silikonipohjaisten (PSi) materiaalien käyttöön lääkeannostelussa. PSi-pohjaiset lääkekantajat parantavat niukkaliukoisten lääkeaineiden liukenemisnopeutta, mikä perustuu mesohuokosten pieneen kokoon ja suureen pinta-alaan. Useissa solulinjoissa tehdyissä kokeissa havaittiin, että huokoisesta piistä valmistetut nanopartikkelit ovat biologiselta yhteensopivuudeltaan parempia kuin vastaavat PSi-mikropartikkelit. PSi-nanopartikkelien etuna on lisäksi nopea hajoaminen ja sitä kautta nopea poistuminen elimistöstä. Väitöskirjatyössä annosteltiin radio-leimattuja PSi-nanopartikkeleita rotan laskimoverenkiertoon, jolloin ne kohdentuivat nopeasti koe-eläimen maksaan ja pernaan ilman näkyviä toksisia vaikutuksia. Suun kautta annosteltuina PSi-nanopartikkelit kulkeutuivat suoliston läpi. PSi-partikkelien biologista yhteensopivuutta tutkituissa solulinjoissa parannettiin päällystämällä ne itsejärjestäytyvillä hydrofobiini-proteiineilla (hydrofobiini-luokka II, HFBII), mikä muutti hydrofobiset PSi-partikkelit hydrofiilisemmiksi. Päällystäminen myös suojasi PSi-partikkeleita ennenaikaiselta lääkeaineen vapautumiselta matalassa pH:ssa; kun ympäristön pH nousi, myös lääkevapautuminen nopeutui. Tulosten perusteella HFBII-päällystetyt PSi-pohjaiset lääkekantajat paransivat materiaalin hydrofiilisyyttä, biologista yhteensopivuutta ja pH-herkkyyttä, mitä voidaan käyttää hyväksi erilaisissa lääkeannosteluun liittyvissä sovellutuksissa. Yhteenvetona väitöskirjan tuloksista voidaan todeta, että biologisesti hyvin yhteensopivat mesohuokoiset silikonipohjaiset mikro- ja nanopartikkelit soveltuvat erinomaisesti niukkaliukoisten lääkemolekyylien liukoisuusnopeuden parantamiseen. Lääkeannostelua ja biologista yhteensopivuutta voidaan edelleen helposti parantaa ja säädellä partikkelien pintaa muokkaamalla. Hydrofobiini-proteiinien kanssa suoritetut PSi-partikkelien biofunktionalisoinnit mahdollistavat lääkekantajan pH-herkkyyteen ja mukoadhesiivisuuteen perustuvan säädellyn lääkeannostelun.