Multifunction hexagonal liquid-crystal containing modified surface TiO2 nanoparticles and terpinen-4-ol for controlled release

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Polymeric and solid lipid nanoparticles for sustained release of carbendazim and tebuconazole in agricultural applications

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

A systematic study of transfection efficiency and cytotoxicity in HeLa cells using iron oxide nanoparticles prepared with organic and inorganic bases

Magnetic iron oxide nanoparticles (magnetite) (MNPs) were prepared using different organic and inorganic bases. Strong inorganic base (KOH) and organic bases (NH4OH and 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO)) were used in the syntheses of the MNPs. The MNPs were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM). Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and magnetization measurements. MNPs prepared with strong inorganic base yielded an average size of 100 nm, whereas the average size of the MNPs prepared with the organic bases was 150 nm. The main competitive phase for MNPs prepared with the strong inorganic and organic bases was maghemite; however, syntheses with KOH yielded a pure magnetite phase. The transfection study performed with the MNPs revealed that the highest transfection rate was obtained with the MNPs prepared with KOH (74%). The correlation between the magnetic parameters and the transfection ratio without transfection agents indicated that MNPs prepared with KOH were a better vector for possible applications of these MNPs in biomedicine. HeLa cells incubated with MNP-KOH at 10 mu g/mL for 24 and 48 h exhibited a decrease in population in comparison with the control cells and it was presumably related to the toxicity of the MNPs. However, the cells incubated with MNP-KOH at 50 and 100 mu g/mL presented a very small difference in the viability between the cell populations studied at 24 and 48 h. These data illustrate the viability of HeLa cells treated with MNP-KOH and suggest the potential use of these MNPs in biomedical applications. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Cyto and genotoxicity of gold nanoparticles in human hepatocellular carcinoma and peripheral blood mononuclear cells

Engineered nanomaterials have been extensively applied as active materials for technological applications. Since the impact of these nanomaterials on health and environment remains undefined, research on their possible toxic effects has attracted considerable attention. It is known that in humans, for example, the primary site of gold nanoparticles (AuNps) accumulation is the liver. The latter has motivated research regarding the use of AuNps for cancer therapy, since specific organs can be target upon appropriate functionalization of specific nanoparticles. In this study, we investigate the geno and cytotoxicity of two types of AuNps against human hepatocellular carcinoma cells (HepG2) and peripheral blood mononuclear cells (PBMC) from healthy human volunteers. The cells were incubated in the presence of different concentrations of AuNps capped with either sodium citrate or polyamidoamine dendrimers (PAMAM). Our results suggest that both types of AuNps interact with HepG2 cells and PBMC and may exhibit in vitro geno and cytotoxicity even at very low concentrations. In addition, the PBMC were less sensitive to DNA damage toxicity effects than cancer HepG2 cells upon exposure to AuNps. (C) 2012 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Development of Cationic Solid Lipid Nanoparticles with Factorial Design-Based Studies for Topical Administration of Doxorubicin

Topical chemotherapy using doxorubicin, a powerful anticancer drug, can be used as an alternative with reduced systemic toxicity when treating skin cancer. The aim of the present work was to use factorial design-based studies to develop cationic solid lipid nanoparticles containing doxorubicin; further investigations into the influence of these particles on the drug's cytotoxicity and cellular uptake in B16F10 murine melanoma cells were performed. A 3(2) full factorial design was applied for two different lipid phases; one phase used stearic acid and the other used a 1:2 mixture of stearic acid and glyceryl behenate. The two factors investigated included the ratio between the lipid and the water phase and the ratio between the surfactant (poloxamer) and the co-surfactant (cetylpyridinium chloride). It was observed that the studied factors did not affect the mean diameter or the polydispersity of the obtained nanoparticles; however, they did significantly affect the zeta potential values. Optimised formulations with particle sizes ranging from 251 to 306 nm and positive zeta potentials were selected for doxorubicin incorporation. High entrapment efficiencies were achieved (97%) in formulations with higher amounts of stearic acid, suggesting that cationic charges on doxorubicin molecules may interact with the negative charges in stearic acid. Melanoma culture cell experiments showed that cationic solid lipid nanoparticles without drug were not cytotoxic to melanoma cells. The encapsulation of doxorubicin significantly increased cytotoxicity, indicating the potential of these nanoparticles for the treatment of skin cancer.

Synthesis and surface modification of silver and gold nanoparticles. Nanomedicine applications against Glioblastoma Multiforme.

In the last decades noble metal nanoparticles (NPs) arose as one of the most powerful tools for applications in nanomedicine field and cancer treatment. Glioblastoma multiforme (GBM), in particular, is one of the most aggressive malignant brain tumors that nowadays still presents a dramatic scenario concerning median survival. Gold nanorods (GNRs) and silver nanoparticles (AgNPs) could find applications such as diagnostic imaging, hyperthermia and glioblastoma therapy. During these three years, both GNRs and AgNPs were synthesized with the “salt reduction” method and, through a novel double phase transfer process, using specifically designed thiol-based ligands, lipophilic GNRs and AgNPs were obtained and separately entrapped into biocompatible and biodegradable PEG-based polymeric nanoparticles (PNPs) suitable for drug delivery within the body. Moreover, a synergistic effect of AgNPs with the Alisertib drug, were investigated thanks to the simultaneous entrapment of these two moieties into PNPs. In addition, Chlorotoxin (Cltx), a peptide that specifically recognize brain cancer cells, was conjugated onto the external surface of PNPs. The so-obtained novel nanosystems were evaluated for in vitro and in vivo applications against glioblastoma multiforme. In particular, for GNRs-PNPs, their safety, their suitability as optoacoustic contrast agents, their selective laser-induced cells death and finally, a high tumor retention were all demonstrated. Concerning AgNPs-PNPs, promising tumor toxicity and a strong synergistic effect with Alisertib was observed (IC50 10 nM), as well as good in vivo biodistribution, high tumor uptake and significative tumor reduction in tumor bearing mice. Finally, the two nanostructures were linked together, through an organic framework, exploiting the click chemistry azido-alkyne Huisgen cycloaddition, between two ligands previously attached to the NPs surface; this multifunctional complex nanosystem was successfully entrapped into PNPs with nanoparticles’ properties maintenance, obtaining in this way a powerful and promising tool for cancer fight and defeat.

Interactions of inhaled nanoparticles with the alveolar-capillary barrier of the human respiratory tract

In dieser Arbeit wurden zytotoxische Effekte sowie die inflammatorische Reaktionen des distalen respiratorischen Traktes nach Nanopartikelexposition untersucht. Besondere Aufmerksamkeit lag auch auf der Untersuchung unterschiedlicher zellulärer Aufnahmewege von Nanopartikeln wie z.B. Clathrin- oder Caveolae-vermittelte Endozytose oder auch Clathrin- und Caveolae-unabhängige Endozytose (mit möglicher Beteiligung von Flotillinen). Drei unterschiedliche Nanopartikel wurden hierbei gewählt: amorphes Silica (aSNP), Organosiloxan (AmorSil) und Poly(ethyleneimin) (PEI). Alle unterschiedlichen Materialien gewinnen zunehmend an Interesse für biomedizinische Forschungsrichtungen (drug and gene delivery). Insbesondere finden aSNPs auch in der Industrie vermehrt Anwendung, und stellen somit ein ernstzunehmendes Gesundheitsrisiko dar. Dieser wird dadurch zu einem begehrten Angriffsziel für pharmazeutische Verabreichungen von Medikamenten über Nanopartikel als Vehikel aber bietet zugleich auch eine Angriffsfläche für gesundheitsschädliche Nanomaterialien. Aus diesem Grund sollten die gesundheitsschädigenden Risiken, sowie das Schicksal von zellulär aufgenommenen NPs sorgfältig untersucht werden. In vivo Studien an der alveolaren-kapillaren Barriere sind recht umständlich. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein Kokulturmodel benutzt, dass die Alveolar-Kapillare Barrier in vivo nachstellt. Das Model besteht aus dem humanen Lungenepithelzelltyp (z.B. NCI H441) und einem humanen microvasculären Endothelzelltyp (z.B. ISO-HAS-1), die auf entgegengesetzten Seiten eines Transwell-Filters ausgesät werden und eine dichte Barriere ausbilden. Die NP Interaktion mit Zellen in Kokultur wurde mit denen in konventioneller Monokultur verglichen, in der Zellen 24h vor dem Experiment ausgesät werden. Diese Studie zeigt, dass nicht nur die polarisierte Eigenschaft der Zellen in Kokultur sondern auch die unmittelbare Nähe von Epithel und Endothelzelle ausschlaggebend für durch aSNPs verursachte Effekte ist. Im Hinblick auf inflammatorische Marker (sICAM, IL-6, IL8-Ausschüttung), reagiert die Kokultur auf aSNPs empfindlicher als die konventionelle Monokultur, wohingegen die Epithelzellen in der Kokultur auf zytotoxikologischer Ebene (LDH-Ausschüttung) unempfindlicher auf aSNPs reagierten als die Zellen in Monokultur. Aufnahmestudien haben gezeigt, dass die Epithelzellen in Kokultur entschieden weniger NPs aufnehmen. Somit zeigen die H441 in der Kokultur ähnliche epitheliale Eigenschaften einer schützenden Barriere, wie sie auch in vivo zu finden sind. Obwohl eine ausreichende Aufnahme von NPs in H441 in Kokultur erreicht werden konnte, konnte ein Transport von NPs durch die epitheliale Schicht und eine Aufnahme in die endotheliale Schicht mit den gewählten Inkubationszeiten nicht gezeigt werden. Eine Clathrin- oder Caveolae-vermittelte Endozytose von NPs konnte mittels Immunfluoreszenz weder in der Mono- noch in der Kokultur nachgewiesen werden. Jedoch zeigte sich eine Akkumulation von NPs in Flotillin-1 und-2 enthaltende Vesikel in Epithelzellen aus beiden Kultursystemen. Ergebnisse mit Flotillin-inhibierten (siRNA) Epithelzellen, zeigten eine deutlich geringere Aufnahme von aSNPs. Zudem zeigte sich eine eine reduzierte Viabilität (MTS) von aSNP-behandelten Zellen. Dies deutet auf eine Beteiligung von Flotillinen an unbekannten (Clathrin oder Caveolae -unabhängig) Endozytosemechanismen und (oder) endosomaler Speicherung. Zusammenfassend waren die Aufnahmemechanismen für alle untesuchten NPs in konventioneller Monokultur und Kokultur vergleichbar, obwohl sich die Barriereeigenschaften deutlich unterscheiden. Diese Arbeit zeigt deutlich, dass sich die Zellen in Kokultur anders verhalten. Die Zellen erreichen hierbei einen höheren Differenzierungsgrad und eine Zellkommunikation mit anderen relevanten Zelltypen wird ermöglicht. Durch das Einbringen eines dritten relevanten Zelltyps in die Kokultur, des Alveolarmakrophagen (Zelllinie THP-1), welcher die erste Verteidigungsfront im Alveolus bildet, wird diese Aussage weiter bekräftigt. Erste Versuche haben gezeigt, dass die Triplekultur bezüglich ihrer Barriereeigenschaften und IL-8-Ausschüttung sensitiver auf z.B. TNF- oder LPS-Stimulation reagiert als die Kokultur. Verglichen mit konventionellen Monokulturen imitieren gut ausgebildete, multizelluräre Kokulturmodelle viel präziser das zelluläre Zusammenspiel im Körper. Darum liefern Nanopartikelinteraktionen mit dem in vitro-Triplekulturmodel aufschlussreichere Ergebnisse bezüglich umweltbedingter oder pharmazeutischer NP-Exposition in der distalen Lung als es uns bisher möglich war.

Impact of metal and metal oxide engineered nanoparticles in soil and plant systems

Nanotechnology promises huge benefits for society and capital invested in this new technology is steadily increasing, therefore there is a growing number of nanotechnology products on the market and inevitably engineered nanomaterials will be released in the atmosphere with potential risks to humans and environment. This study set out to extend the comprehension of the impact of metal (Ag, Co, Ni) and metal oxide (CeO2, Fe3O4, SnO2, TiO2) nanoparticles (NPs) on one of the most important environmental compartments potentially contaminated by NPs, the soil system, through the use of chemical and biological tools. For this purpose experiments were carried out to simulate realistic environmental conditions of wet and dry deposition of NPs, considering ecologically relevant endpoints. In detail, this thesis involved the study of three model systems and the evaluation of related issues: (i) NPs and bare soil, to assess the influence of NPs on the functions of soil microbial communities; (ii) NPs and plants, to evaluate the chronic toxicity and accumulation of NPs in edible tissues; (iii) NPs and invertebrates, to verify the effects of NPs on earthworms and the damaging of their functionality. The study highlighted that NP toxicity is generally influenced by NP core elements and the impact of NPs on organisms is specie-specific; moreover experiments conducted in media closer to real conditions showed a decrease in toxicity with respect to in vitro test or hydroponic tests. However, only a multidisciplinary approach, involving physical, chemical and biological skills, together with the use of advanced techniques, such as X-ray absorption fine structure spectroscopy, could pave the way to draw the right conclusions and accomplish a deeper comprehension of the effects of NPs on soil and soil inhabitants.

Design and Characterization of Luminescent Silica Nanoparticles

The aim of this thesis was to design, synthesize and characterize dye-doped silica nanoparticles (DDSNPs) to be used as chemosensors or labels in bioanalytical applications. DDSNPs represent one of the most versatile and useful components in nanomedicine displaying important features such as high colloid stability in water, low toxicity, one-pot inexpensive synthesis and tunable fluorescence emission. Starting from the one-pot and highly reproducible synthesis of “silica-core/PEG shell” DDSNPs based on the use of micelles of Pluronic F127, in which take place both hydrolysis and condensation of the silica precursor and of the dyes functionalized with a triethoxysilane group, we developed DDSNPs suitable for optical and optoacustic imaging, drug loading and chemical sensing obtaining very interesting results for the further development of nanomedicine.

Functionalization and characterization of magnetic nanoparticles for biomedical applications

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Oberflächenfunktionalisierung von MnO Nanopartikeln (NP). Durch die Verwendung und Verbesserung verschiedener Polymere durch die Einbindung von Poly (Ethylen Glycol) (PEG), gelang es, die Löslichkeit dieser Nanopartikel in wässrigen Lösungen sowie in Körperflüssigkeiten zu erhöhen. Zusätzlich konnten diese Nanopartikel deutlich besser steril filtriert werden und zeigten eine erhöhte Aktivität alsrnKontrastmittel im MRT. Vorläufige Ergebnisse für die Verwendung von Silika als Schutzhülle für MnO NP werden ebenfalls kurz erläutert. Die verwendeten Polymere besaßen dabei zugängliche Aminogruppen, die eine weitere Funktionalisierung durch Bio-aktiver Gruppen ermöglichte. Der Nachweis einer erfolgreichen Bindung durch verschiedene Methoden wie SDS-PAGE, Western- und Northern Blot sowie die Verwendung unterschiedlicher FluoreszenzMessungen wird ebenfalls diskutiert. MnO NP und anderer magnetischer NP werden weiterhin auf ihr toxisches Verhalten gegenüber Caki1 und HeLa Zellen getestet. Dabei zeigte sich, dass MnO NP, im Gegensatz zu einigen Kupferoxiden, quasi nicht toxisch waren und das Proliferationsverhalten dieser Zellen quasi nicht beeinflussten. Weiterhin wurde ein Fluoreszenzfarbstoff, konkret Protoporphyrin IX, an die Oberfläche von MnO NP angebracht.Diese konnten dann erfolgreich als Kontrastmittel in der MRT verwendet werden und zeigten vielversprechende Ergebnisse für die Photodynamische Therapie. Desweiteren wird die Synthese des Antikörpers gegen p53 ausführlich erläutert. Dabei wurde genau darauf geachtet,dass dieser Antikörper dann an MnO NP gebunden werden kann.

Analysis of zinc oxide nanoparticles as a potential mutagen of respiratory epithelia

Metallische Nanopartikel und ihre Oxide (z.B. ZnO NP, TiO2 NP und Fe2O3 NP) werden aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften häufig als Additive in der Reifenproduktion, in Katalysatoren, Lebensmitteln, Arzneimitteln und Kosmetikprodukten verwendet. Künftig wird ein kontinuierlicher Anstieg der industriellen Anwendung (~ 1663 Tonnen im Jahr 2025) mit gesteigerter Freisetzung in die Umwelt erwartet, was zwangsläufig zu einer vermehrten Aufnahme über das respiratorische Epithel führt. Metalldampffieber ist als gesundheitsschädigender Effekt von Metalloxid-haltigen Aerosolen (z.B. ZnO) nach Inhalation bekannt. Immunreaktionen, wie beispielsweise Entzündungen, werden häufig mit der Entstehung von Sauerstoffradikalen (ROS) in Verbindung gebracht, die wiederum zu DNA-Schäden führen können. Drei mögliche Ursachen der Genotoxität werden angenommen: direkte Interaktion von Nanopartikeln mit intrazellulären Strukturen, Interaktion von Ionen dissoziierter Partikel mit intrazellulären Strukturen sowie die Entstehung von ROS initiiert durch Partikel oder Ionen.rnDie vorliegende Studie befasst sich mit den Mechanismen der Genotoxizität von ZnO Nanopartikeln (ZnO NP), als Beispiel für metallische Nanopartikel, im respiratorischen Epithel. In der Studie wurde gezielt die intrazelluläre Aufnahme und Verteilung von ZnO NP, deren Toxizität, deren DNA schädigendes Potential sowie die Aktivierung der DNA damage response (DDR) analysiert.rnEs konnten kaum internalisierte ZnO NP mittels TEM detektiert werden. Innerhalb der ersten Sekunden nach Behandlung mit ZnO NP wurde spektrofluorometrisch ein starker Anstieg der intrazellulären Zn2+ Konzentration gemessen. In unbehandelten Zellen war Zn2+ in granulären Strukturen lokalisiert. Die Behandlung mit ZnO NP führte zu einer Akkumulation von Zn2+ in diesen Strukturen. Im zeitlichen Verlauf verlagerten sich die Zn2+-Ionen in das Zytoplasma, sowie in Zellkerne und Mitochondrien. Es wurde keine Kolokalisation von Zn2+ mit den frühen Endosomen und dem endoplasmatischen Retikulum beobachtet. Die Vorbehandlung der Zellen mit Diethylen-triaminpentaessigsäure (DTPA), als extrazellulärem Komplexbildner, verhinderte den intrazellulären Anstieg von Zn2+ nach Behandlung mit den Partikeln.rnDie Behandlung mit ZnO NP resultierte in einer zeit- und dosisabhängigen Reduktion der zellulären Viabilität, während die intrazelluläre ROS-Konzentrationen in den ersten 30 min leicht und anschließend kontinuierlich bis zum Ende der Messung anstiegen. Außerdem verringerte sich das mitochondriale Membranpotential, während sich die Anzahl der frühapoptotischen Zellen in einer zeitabhängigen Weise erhöhte. rnDNA Doppelstrangbrüche (DNA DSB) wurden mittels Immunfluoreszenz-Färbung der γH2A.X foci sichtbar gemacht und konnten nach Behandlung mit ZnO NP detektiert werden. Die Vorbehandlung mit dem Radikalfänger N-Acetyl-L-Cytein (NAC) resultierte in stark reduzierten intrazellulären ROS-Konzentrationen sowie wenigen DNA DSB. Die DNA Schädigung wurde durch Vorbehandlung mit DTPA ganz verhindert.rnDie Aktivierung der DDR wurde durch die Analyse von ATM, ATR, Chk1, Chk2, p53 und p21 mittels Western Blot und ELISA nach Behandlung mit ZnO NP überprüft. Der ATR/Chk1 Signalweg wurde durch ZnO NP nicht aktiviert. Die Komplexierung von Zn2+ resultierte in einer verminderten ATM/Chk2 Signalwegaktivierung. Es zeigte sich, dass das Abfangen von ROS keinen Effekt auf die ATM/Chk2 Signalwegaktivierung hatte.rnZusammengefasst wurde festgestellt, dass die Exposition mit ZnO NP in der Entstehung von ROS, reduzierter Viabilität und vermindertem mitochondrialem Membranpotential resultiert, sowie zeitabhängig eine frühe Apoptose initiiert. ZnO NP dissoziierten extrazellulär und wurden schnell als Zn2+ über unbekannte Mechanismen internalisiert. Die Zn2+-Ionen wurden im Zytoplasma, sowie besonders in den Mitochondrien und dem Zellkern, akkumuliert. Die DDR Signalgebung wurde durch ZnO NP aktiviert, jedoch nicht durch NAC inhibiert. Es wurde gezeigt, dass DTPA die DDR Aktivierung komplett inhibierte. Die Behandlung mit ZnO NP induzierte DNA DSB. Die Inhibition von ROS reduzierte die DNA DSB und die Komplexierung der Zn2+ verhinderte die Entstehung von DNA DSB.rnDiese Daten sprechen für die Dissoziation der Partikel und die hierbei freigesetzten Zn2+ als Hauptmediator der Genotoxizität metallischer Nanopartikel. rn

Effects and uptake of gold nanoparticles deposited at the air–liquid interface of a human epithelial airway model

The impact of nanoparticles (NPs) in medicine and biology has increased rapidly in recent years. Gold NPs have advantageous properties such as chemical stability, high electron density and affinity to biomolecules, making them very promising candidates as drug carriers and diagnostic tools. However, diverse studies on the toxicity of gold NPs have reported contradictory results. To address this issue, a triple cell co-culture model simulating the alveolar lung epithelium was used and exposed at the air-liquid interface. The cell cultures were exposed to characterized aerosols with 15 nm gold particles (61 ng Au/cm2 and 561 ng Au/cm2 deposition) and incubated for 4 h and 24 h. Experiments were repeated six times. The mRNA induction of pro-inflammatory (TNFalpha, IL-8, iNOS) and oxidative stress markers (HO-1, SOD2) was measured, as well as protein induction of pro- and anti-inflammatory cytokines (IL-1, IL-2, IL-4, IL-6, IL-8, IL-10, GM-CSF, TNFalpha, INFgamma). A pre-stimulation with lipopolysaccharide (LPS) was performed to further study the effects of particles under inflammatory conditions. Particle deposition and particle uptake by cells were analyzed by transmission electron microscopy and design-based stereology. A homogeneous deposition was revealed, and particles were found to enter all cell types. No mRNA induction due to particles was observed for all markers. The cell culture system was sensitive to LPS but gold particles did not cause any synergistic or suppressive effects. With this experimental setup, reflecting the physiological conditions more precisely, no adverse effects from gold NPs were observed. However, chronic studies under in vivo conditions are needed to entirely exclude adverse effects.

A newly developed in vitro model of the human epithelial airway barrier to study the toxic potential of nanoparticles

The potential health effects of inhaled engineered nanoparticles are almost unknown. To avoid and replace toxicity studies with animals, a triple cell co-culture system composed of epithelial cells, macrophages and dendritic cells was established, which simulates the most important barrier functions of the epithelial airway. Using this model, the toxic potential of titanium dioxide was assessed by measuring the production of reactive oxygen species and the release of tumour necrosis factor alpha. The intracellular localisation of titanium dioxide nanoparticles was analyzed by energy filtering transmission electron microscopy. Titanium dioxide nanoparticles were detected as single particles without membranes and in membrane-bound agglomerates. Cells incubated with titanium dioxide particles showed an elevated production of reactive oxygen species but no increase of the release of tumour necrosis factor alpha. Our in vitro model of the epithelial airway barrier offers a valuable tool to study the interaction of particles with lung cells at a nanostructural level and to investigate the toxic potential of nanoparticles.

Nano Aerosol Chamber for In-Vitro Toxicity (NACIVT) studies.

Abstract Inhalation of ambient air particles or engineered nanoparticles (NP) handled as powders, dispersions or sprays in industrial processes and contained in consumer products pose a potential and largely unknown risk for incidental exposure. For efficient, economical and ethically sound evaluation of health hazards by inhaled nanomaterials, animal-free and realistic in vitro test systems are desirable. The new Nano Aerosol Chamber for in-vitro Toxicity studies (NACIVT) has been developed and fully characterized regarding its performance. NACIVT features a computer-controlled temperature and humidity conditioning, preventing cellular stress during exposure and allowing long-term exposures. Airborne NP are deposited out of a continuous air stream simultaneously on up to 24 cell cultures on Transwell® inserts, allowing high-throughput screening. In NACIVT, polystyrene as well as silver particles were deposited uniformly and efficiently on all 24 Transwell® inserts. Particle-cell interaction studies confirmed that deposited particles reach the cell surface and can be taken up by cells. As demonstrated in control experiments, there was no evidence for any adverse effects on human bronchial epithelial cells (BEAS-2B) due to the exposure treatment in NACIVT. The new, fully integrated and transportable deposition chamber NACIVT provides a promising tool for reliable, acute and sub-acute dose-response studies of (nano)particles in air-exposed tissues cultured at the air-liquid interface.

Self-assembly into nanoparticles is essential for receptor mediated uptake of therapeutic antisense oligonucleotides

Antisense oligonucleotides (ASOs) have the potential of revolutionizing medicine due to their ability to manipulate gene function for therapeutic purposes. ASOs are chemically modified and/or incorporated with nanoparticles to enhance their stability and cellular uptake; however, one of the biggest challenges is the poor understanding of their uptake mechanism, which is needed for designing better ASOs with high activity and low toxicity. Here, we study the uptake mechanism of three therapeutically relevant ASOs (peptide-conjugated phosphorodiamidate morpholino (P-PMO), 2?Omethyl phosphorothioate (2?OMe) and phosphorothioated tricyclo DNA (tcDNA) that have been optimized to induce exon skipping in models of Deuchenne muscular dystrophy (DMD). We show that P-PMO and tcDNA have high propensity to spontaneously self-assemble into nanoparticles. P-PMO forms micelles of defined size and their net charge (zeta potential) is dependent on the medium and concentration. In biomimetic conditions and at low concentrations P-PMO obtains net negative charge and its uptake is mediated by class A scavenger receptor subtypes (SCARAs) as shown by competitive inhibition and RNAi silencing experiments in-vitro. In-vivo, the activity of P-PMO was significantly decreased in SCARA1 knock-out mice compared to wild-type animals. Additionally, we show that SCARA1 is involved in the uptake of tcDNA and 2?OMe as shown by competitive inhibition and co-localization experiments. Surface plasmon resonance binding analysis to SCARA1 demonstrated that P-PMO and tcDNA have higher binding profiles to the receptor compared to 2?OMe. These results demonstrate receptor-mediated uptake for a range of ASO chemistries, a mechanism that is dependent on their self-assembly into nanoparticles.