Наночастицы для создания стратегии по стимуляции регенерации печени

С.А. Родимова, Д.С. Козлов, Д.П. Крылов, Л.В. Михайлова, В.А. Козлова, А.И. Гаврина, А.М. Можеров, В.В. Елагин, Д.С. Кузнецова

Ключевые слова: наночастицы; биораспределение; FLIM; тканевые эксплантаты печени; культура клеток печени; регенерация печени.

2024, том 16, номер 3, стр. 31.

DOI: https://doi.org/10.17691/stm2024.16.3.04

Полный текст статьи

html pdf

240

319

Аннотация
Список литературы
Как цитировать в References

В настоящее время существует необходимость в разработке новых подходов для стимуляции регенерации печени, которые повысили бы эффективность ее восстановления после резекционных вмешательств. Перспективным подходом представляется применение наночастиц, нагруженных малыми биоактивными молекулами, с их таргетной доставкой в печень.

Цель исследования — изучение взаимодействия наночастиц с различными типами клеток печени на моделях тканевых печеночных эксплантатов и первичной культуры клеток печени методами мультифотонной микроскопии с возможностью детекции времени жизни флуоресценции.

Материалы и методы. Наночастицы синтезировали из полилактида (PLA), золота (Au) и кремния (SiO₂), затем охарактеризовывали с помощью сканирующей и просветной электронной микроскопии. Все три типа наночастиц модифицировали флуоресцентной меткой Cy5 для их визуализации. В качестве моделей для биологического тестирования наночастиц использовали тканевые печеночные эксплантаты и первичную культуру гепатоцитов. Проводили оценку биораспределения наночастиц в ткани и клетках, их цитотоксичности, а также влияния на клеточный метаболизм методами оптического биоимиджинга.

Результаты. Наночастицы кремния преимущественно захватываются макрофагами, которые в большом количестве генерируют активные формы кислорода, а также нарушают нативный метаболический статус гепатоцитов. Наночастицы золота накапливаются во всех типах клеток печени, однако обладают выраженным токсическим эффектом, на что указывает появление некротических и апоптотических клеток, а также резкое изменение метаболического статуса гепатоцитов. Наночастицы полилактида наиболее эффективно накапливаются в клетках печени, преимущественно в гепатоцитах, не изменяют их нативный метаболический статус, что делает данный тип наночастиц наиболее перспективным для создания систем доставки биоактивных молекул с целью стимуляции регенерации печени.

Quek J., Chan K.E., Wong Z.Y., Tan C., Tan B., Lim W.H., Tan D.J.H., Tang A.S.P., Tay P., Xiao J., Yong J.N., Zeng R.W., Chew N.W.S., Nah B., Kulkarni A., Siddiqui M.S., Dan Y.Y., Wong V.W., Sanyal A.J., Noureddin M., Muthiah M., Ng C.H. Global prevalence of non-alcoholic fatty =liver disease and non-alcoholic steatohepatitis in the overweight and obese population: a systematic review and meta-analysis. Lancet Gastroenterol Hepatol 2023; 8(1): 20–30, https://doi.org/10.1016/s2468-1253(22)00317-x.
Yi P.S., Zhang M., Xu M.Q. Role of microRNA in liver regeneration. Hepatobiliary Pancreat Dis Int 2016; 15(2): 141–146, https://doi.org/10.1016/s1499-3872(15)60036-4.
Zhao Z., Lin C.Y., Cheng K. siRNA- and miRNA-based therapeutics for liver fibrosis. Transl Res 2019; 214: 17–29, https://doi.org/10.1016/j.trsl.2019.07.007.
Wu P., Luo X., Wu H., Zhang Q., Dai Y., Sun M. Efficient and targeted chemo-gene delivery with self-assembled fluoro-nanoparticles for liver fibrosis therapy and recurrence. Biomaterials 2020; 261: 120311, https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120311.
Lee S.W.L., Paoletti C., Campisi M., Osaki T., Adriani G., Kamm R.D., Mattu C., Chiono V. MicroRNA delivery through nanoparticles. J Control Release 2019; 313: 80–95, https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2019.10.007.
Taghizadeh S., Alimardani V., Roudbali P.L., Ghasemi Y., Kaviani E. Gold nanoparticles application in liver cancer. Photodiagnosis Photodyn Ther 2019; 25: 389–400, https://doi.org/10.1016/j.pdpdt.2019.01.027.
de Carvalho T.G., Garcia V.B., de Araújo A.A., da Silva Gasparotto L.H., Silva H., Guerra G.C.B., de Castro Miguel E., de Carvalho Leitão R.F., da Silva Costa D.V., Cruz L.J., Chan A.B., de Araújo Júnior R.F. Spherical neutral gold nanoparticles improve anti-inflammatory response, oxidative stress and fibrosis in alcohol-methamphetamine-induced liver injury in rats. Int J Pharm 2018; 548(1): 1–14, https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2018.06.008.
Hyun J., Wang S., Kim J., Rao K.M., Park S.Y., Chung I., Ha C.S., Kim S.W., Yun Y.H., Jung Y. MicroRNA-378 limits activation of hepatic stellate cells and liver fibrosis by suppressing Gli3 expression. Nat Commun 2016; 7(1): 10993, https://doi.org/10.1038/ncomms10993.
Kumar V., Mahato R.I. Delivery and targeting of miRNAs for treating liver fibrosis. Pharm Res 2015; 32(2): 341–361, https://doi.org/10.1007/s11095-014-1497-x.
Caldez M.J., Van Hul N., Koh H.W.L., Teo X.Q., Fan J.J., Tan P.Y., Dewhurst M.R., Too P.G., Talib S.Z.A., Chiang B.E., Stünkel W., Yu H., Lee P., Fuhrer T., Choi H., Björklund M., Kaldis P. Metabolic remodeling during liver regeneration. Dev Cell 2018; 47(4): 425–438.e5, https://doi.org/10.1016/j.devcel.2018.09.020.
Stöber W., Fink A., Bohn E. Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range. J Colloid Interface Sci 1968; 26(1): 62–69, https://doi.org/10.1016/0021-9797(68)90272-5.
Chorny M., Fishbein I., Danenberg H.D., Golomb G. Lipophilic drug loaded nanospheres prepared by nanoprecipitation: effect of formulation variables on size, drug recovery and release kinetics. J Control Release 2002; 83(3): 389–400, https://doi.org/10.1016/S0168-3659(02)00211-0.
Bartucci R., Åberg C., Melgert B.N., Boersma Y.L., Olinga P., Salvati A. Time-resolved quantification of nanoparticle uptake, distribution, and impact in precision-cut liver slices. Small 2020;16(21): 1906523, https://doi.org/10.1002/smll.201906523.
Kegel V., Deharde D., Pfeiffer E., Zeilinger K., Seehofer D., Damm G. Protocol for isolation of primary human hepatocytes and corresponding major populations of non-parenchymal liver cells. J Vis Exp 2016; 109: e53069, https://doi.org/10.3791/53069.
Zyuzin M.V., Antuganov D., Tarakanchikova Y.V., Karpov T.E., Mashel T.V., Gerasimova E.N., Peltek O.O., Alexandre N., Bruyere S., Kondratenko Y.A., Muslimov A.R., Timin A.S. Radiolabeling strategies of micron- and submicron-sized core-shell carriers for in vivo studies. ACS Appl Mater Interfaces 2020; 12(28): 31137–31147, https://doi.org/10.1021/acsami.0c06996.
Zhang Y.N., Poon W., Tavares A.J., McGilvray I.D., Chan W.C.W. Nanoparticle-liver interactions: cellular uptake and hepatobiliary elimination. J Control Release 2016; 240: 332–348, https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2016.01.020.
Rodimova S., Mozherov A., Elagin V., Karabut M., Shchechkin I., Kozlov D., Krylov D., Gavrina A., Bobrov N., Zagainov V., Zagaynova E., Kuznetsova D. Label-free imaging techniques to evaluate metabolic changes caused by toxic liver injury in PCLS. Int J Mol Sci 2023; 24(11): 9195, https://doi.org/10.3390/ijms24119195.
Chen X., Zhao Y., Wang F., Bei Y., Xiao J., Yang C. MicroRNAs in liver regeneration. Cell Physiol Biochem 2015; 37(2): 615–628, https://doi.org/10.1159/000430381.
Forbes S.J., Newsome P.N. Liver regeneration — mechanisms and models to clinical application. Nat Rev Gastroenterol Hepatol 2016; 13(8): 473–485, https://doi.org/10.1038/nrgastro.2016.97.
Liu J., Chen Q., Feng L., Liu Z. Nanomedicine for tumor microenvironment modulation and cancer treatment enhancement. Nano Today 2018; 21: 55–73, https://doi.org/10.1016/j.nantod.2018.06.008.
Shahbazi M.A., Fernández T.D., Mäkilä E.M., Le Guével X., Mayorga C., Kaasalainen M.H., Salonen J.J., Hirvonen J.T., Santos H.A. Surface chemistry dependent immunostimulative potential of porous silicon nanoplatforms. Biomaterials 2014; 35(33): 9224–9235, https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2014.07.050.
Shrestha N., Araujo F., Shahbazi M.A., Mäkilä E., Gomes M.J., Herranz-Blanco B., Lindgren R., Granroth S., Kukk E., Salonen J., Hirvonen J., Santos H.A. Thiolation and cell-penetrating peptide surface functionalization of porous silicon nanoparticles for oral delivery of insulin. Adv Funct Mater 2016; 26(20): 3405–3416, https://doi.org/10.1002/adfm.201505252.
Ferreira M.P., Ranjan S., Correia A.M., Mäkilä E.M., Kinnunen S.M., Zhang H., Shahbazi M.A., Almeida P.V., Salonen J.J., Ruskoaho H.J., Airaksinen A.J., Hirvonen J.T., Santos H.A. In vitro and in vivo assessment of heart-homing porous silicon nanoparticles. Biomaterials 2016; 94: 93–104, https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2016.03.046.
Liu Z., Li Y., Li W., Xiao C., Liu D., Dong C., Zhang M., Mäkilä E., Kemell M., Salonen J., Hirvonen J.T., Zhang H., Zhou D., Deng X., Santos H.A. Multifunctional nanohybrid based on porous silicon nanoparticles, gold nanoparticles, and acetalated dextran for liver regeneration and acute liver failure theranostics. Adv Mater 2018; 30(24): e1703393, https://doi.org/10.1002/adma.201703393.
Peng F., Tee J.K., Setyawati M.I., Ding X., Yeo H.L.A., Tan Y.L., Leong D.T., Ho H.K. Inorganic nanomaterials as highly efficient inhibitors of cellular hepatic fibrosis. ACS Appl Mater Interfaces 2018; 10(38): 31938–31946, https://doi.org/10.1021/acsami.8b10527.
Boey A., Ho H.K. All roads lead to the liver: metal nanoparticles and their implications for liver health. Small 2020; 16(21): e2000153, https://doi.org/10.1002/smll.202000153.
Siddique S., Chow J.C.L. Gold nanoparticles for drug delivery and cancer therapy. Appl Sci 2020; 10(11): 3824, https://doi.org/10.3390/app10113824.
Amina S.J., Guo B. A review on the synthesis and functionalization of gold nanoparticles as a drug delivery vehicle. Int J Nanomedicine 2020; 15: 9823–9857, https://doi.org/10.2147/ijn.s279094.
Khan H.A., Abdelhalim M.A., Alhomida A.S., Al-Ayed M.S. Effects of naked gold nanoparticles on proinflammatory cytokines mRNA expression in rat liver and kidney. Biomed Res Int 2013; 2013: 590730, https://doi.org/10.1155/2013/590730.
Gao W., Xu K., Ji L., Tang B. Effect of gold nanoparticles on glutathione depletion-induced hydrogen peroxide generation and apoptosis in HL7702 cells. Toxicol Lett 2011; 205(1): 86–95, https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2011.05.1018.
Sani A., Cao C., Cui D. Toxicity of gold nanoparticles (AuNPs): a review. Biochem Biophys Rep 2021; 26: 100991, https://doi.org/10.1016/j.bbrep.2021.100991.
Devulapally R., Foygel K., Sekar T.V., Willmann J.K., Paulmurugan R. Gemcitabine and antisense-microRNA co-encapsulated PLGA–PEG polymer nanoparticles for hepatocellular carcinoma therapy. ACS Appl Mater Interfaces 2016; 8(49): 33412–33422, https://doi.org/10.1021/acsami.6b08153.
Poilil Surendran S., George Thomas R., Moon M.J., Jeong Y.Y. Nanoparticles for the treatment of liver fibrosis. Int J Nanomedicine 2017; 12: 6997–7006, https://doi.org/10.2147/ijn.s145951.
El-Naggar M.E., Al-Joufi F., Anwar M., Attia M.F., El-Bana M.A. Curcumin-loaded PLA-PEG copolymer nanoparticles for treatment of liver inflammation in streptozotocin-induced diabetic rats. Colloids Surf B Biointerfaces 2019; 177: 389–398, https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2019.02.024.
Wang H., Thorling C.A., Liang X., Bridle K.R., Grice J.E., Zhu Y., Crawford D.H.G., Xu Z.P., Liu X., Roberts M.S. Diagnostic imaging and therapeutic application of nanoparticles targeting the liver. J Mater Chem B 2015; 3(6): 939–958, https://doi.org/10.1039/c4tb01611d.
Cornu R., Béduneau A., Martin H. Influence of nanoparticles on liver tissue and hepatic functions: a review. Toxicology 2020; 430: 152344, https://doi.org/10.1016/j.tox.2019.152344.

Rodimova S.A., Kozlov D.S., Krylov D.P., Mikhailova L.V., Kozlova V.A., Gavrina A.I., Mozherov А.М., Elagin V.V., Kuznetsova D.S. Nanoparticles for Creating a Strategy to Stimulate Liver Regeneration. Sovremennye tehnologii v medicine 2024; 16(3): 31, https://doi.org/10.17691/stm2024.16.3.04