Characterization of protein corona on poly(alkyl cyanoacrylate) nanoparticles in human plasma

Abstract

Nanopartikler kan brukes som spesiallagde fremkomstmidler for forbedret medisinlevering. De kan brukes i behandling av ulike sykdommer og lidelser, inkludert kreft. Ulike materialer kan brukes i arkitekturen til nanopartiklene. I denne masteravhandlingen ser vi spesifikt på polymeriske nanopartikler laget av poly(alkylcyanoakrylat)(PACA). Polymeriske nanopartikler har mange positive aspekter, de er enkle å syntetisere, vannløselige, rimelige, biologisk nedbrytbare og biokompatible. Når nanopartikler kommer inn i et biologisk miljø, absorberer de raskt proteiner til sin overflate, og det dannes en nanopartikkel-protein-korona. Ulike nanopartikler binder forskjellige proteiner i ulik grad. Det er viktig å vite hvilke proteiner som binder seg til forskjellige typer nanopartikler for å kunne forutsi de biologiske konsekvensene av disse proteininteraksjonene. I denne oppgaven er en protokoll for MSanalyse av protein korona på overflatemodifiserte PACA-nanopartikler utarbeidet. Forskjellige sentrifugeinnstillinger, inkubasjonstider og metoder for fjerning av overflødige plasma proteiner ble testet. Nanopartiklene ble også undersøkt og målt ved bruk av DLS, NTA og MS under metodeutviklingen for å best mulig bestemme en passende protokoll for undersøkelse av PACA-nanopartiklene. Etter at den ferdigutviklede protokollen ble etablert, ble nanopartiklene inkubert i humant plasma og proteininteraksjonene deres ble analysert ved bruk av LC-MSMS. 11 forskjellige PACA-nanopartikler med forskjellige alkyl sidekjeder inngår i studien; PEBCA, PEHCA, PBCA og POCA med ulike overflatemodifikasjoner; PEGylering med Kolliphor og Brij, PEGylering med Kolliphor og Pluronic, og natriumdodecylsulfat (SDS). For de PEGylerte PACA-nanopartiklene var den primært detekterte protein gruppen apolipoproteiner, som hovedsakelig er involvert i lipid- og kolesteroltransport. Noen av PACA-nanopartiklene påvirket også proteinnettverk involvert i nevrofibrillære knuter, NOD-lignende reseptor signalveier og cytoskjelett dannelse. SDS modifiserte nanopartikkelproteiner bandt seg hovedsakelig til proteiner involvert i komplement- og koagulasjonskaskader og blodplate påvirkning.

Nanoparticles are special engineered vehicles for enhanced drug delivery, their applications can be used in a wide field of therapy for different diseases and disorders, including cancer. Different material can be used in the architecture of the nanoparticles. In this master thesis we look specifically into polymeric nanoparticles made from poly(alkyl cyanoacrylate)(PACA). Polymeric nanoparticles have many positive aspects: they are easy to synthesise, water soluble, low-cost, biodegradable, and biocompatible. When nanoparticles enter a biological environment, they rapidly absorb proteins to the nanoparticle surface which forms a nanoparticle protein corona. Different nanoparticles bind different proteins to a various extent. It is important to know which proteins that binds to different types of nanoparticles to be able to predict the biological consequences of protein interactions. In this thesis a protocol for mass spectrometry (MS) analysis of plasma proteins interacting with surface modificated PACA nanoparticles is compiled. Variables such as plasma incubation times, centrifugation and washing steps for removal of highly abundant proteins were optimised. The nanoparticles were also studied and measured using DLS, NTA and MS during the method development to best decide a suitable protocol for examination of the PACA nanoparticles. After the developed protocol was established, nanoparticles were incubated in human plasma and the interacting protein interactions were analysed using LC-MSMS. 11 different modified PACA nanoparticles with different alkyl side chains were included in the study; PEBCA, PEHCA, PBCA and POCA with different surface modifications; PEGylated with Kolliphor and Brij, PEGylated with Kolliphor and Pluronic, or sodium dodecyl sulphate (SDS). For the PEGylated PACA nanoparticles the primary detected protein group were apolipoproteins, which mostly are associated with lipid and cholesterol transportation. Some of the PACA nanoparticles also interacted with proteins involved in neurofibrillary tangle, NOD-like receptor pathways and cytoskeleton formation. For the SDS modified nanoparticle proteins involved in complement and coagulation cascades and platelet pathways were detected.