Unveiling Nanomedicine Using Correlative Super-Resolution and Electron Microscopy

Els tractaments actuals contra el càncer més enllà de la cirurgia inclouen teràpies que tenen un èxit limitat. Això és degut a efectes secundaris greus, que condueixen a una qualitat de vida reduïda i una baixa efectivitat. L'administració de quimioteràpia mitjançant nanotransportadors promet augmentar la selectivitat d'aquests medicaments. Els nanomaterials tenen propietats fisicoquímiques específiques i úniques que tenen un impacte crucial en el seu comportament biològic. Per tant, les propietats i les dianes biològiques s'han d'estudiar. Encara que l'arsenal de nanomaterials complexos està en constant maduració, les eines utilitzades per caracteritzar amb precisió aquestes entitats continuen sent similars a les que s'utilitzen per als fàrmacs de baix pes molecular. Éls nanomaterials tenen propietats fisicoquímiques que varien molt en comparació dels fàrmacs clàssics. Això significa que requereixen una caracterització més complexa, particularment a la nanoescala i al nivell d'una sola partícula. Actualment, hi ha una manca de tècniques adequades que estiguin optimitzades per avaluar les propietats fisicoquímiques i les dianes biològiques dels nanomaterials, que és una de les principals causes de la seva mala translació a la clínica. En aquesta tesi, proposem el desenvolupament, l'optimització i l'aplicació de tècniques d'imatge avançades com ara la microscòpia de super-resolució (SRM), la microscòpia electrònica de transmissió (TEM) i la microscòpia correlativa òptica i electrònica (CLEM) per caracteritzar i millorar la nostra comprensió dels nanotransportadors. El Capítol 1 demostra l'aplicació de DNA-PAINT i qPAINT a la quantificació de la funcionalització dels lligands de superfície i l'heterogeneïtat a les propietats dels nanomaterials. Així, formulem manualment diverses formulacions de nanopartícules (NPs) PLGA-PEG funcionalitzades amb oligonucleòtids com a lligands model i quantifiquem i comparem el nombre de lligands accessibles a cada formulació. Usant informació obtinguda partícula a partícula i molècula a molècula, DNA-PAINT va permetre l'estudi de l'heterogeneïtat en la funcionalització dels lligands. Els resultats ens van portar a redissenyar i reformular les PLGA-PEG NPs modificant l'arquitectura del PEG en superfície per exposar més lligands funcionals. El Capítol 2 segueix el desenvolupament d'una modalitat de CLEM per a estudiar la interacció entre diferents propietats fisicoquímiques en NPs de PLGA-PEG, com el nombre de lligands i la mida de la NP. Correlacionem la capacitat de quantificació de lligands de DNA-PAINT, amb l'excel·lent resolució de TEM per visualitzar la morfologia de les NPs. Això es va fer en el mateix camp de visió i vam extreure així la informació partícula a partícula. Vam identificar subpoblacions de NPs amb diferents números de lligands, que conferiran diferents comportaments biològics. Vam demostrar que, a diferència del nostre protocol correlatiu, la caracterització dels dos mètodes per separat pot limitar la informació. El Capítol 3 presenta la selecció racional i optimització d'un protocol dSTORM-TEM CLEM per al trànsit intracel·lular de PLGA-PEG NP. El protocol optimitzat ens va permetre visualitzar directament les NP fluorescents a dSTORM, i posicionar-les amb gran resolució a la ultraestructura cel·lular que ofereix TEM. Amb aquesta informació, quantifiquem la distribució de NP en diferents compartiments endo-lisosomals en diferents temps, obtenint una millor comprensió de trànsit intracel·lular. Finalment, quantifiquem el canvi en la distribució intracel·lular de les NP després de la incubació amb l'agent lisomotrópic cloroquina, fet que demostra que promou l'escapament dels endosomes. El Capítol 4 és l'aplicació del protocol dSTORM-TEM optimitzat per estudiar el comportament intracel·lular dels complexos polimèrics de pBAE. Usant dSTORM amb dos colors, vam poder localitzar i quantificar les molècules transportadores (polímers de pBAE) i el seu cargo (pDNA). D'altra banda, usant TEM podem localitzar els complexos amb precisió dins del medi intracel·lular. Comparem la capacitat d'escapar dels endosomes entre dos complexos polimèrics diferents. Per acabar, vam poder suggerir una diferència en els mecanismes d'internalització cel·lular entre les dues formulacions.Los tratamientos actuales contra el cáncer más allá de la cirugía incluyen quimioterapias que tienen un éxito limitado. La quimioterapia es inespecífica al cáncer, y por lo tanto puede causar efectos secundarios graves que conducen a una calidad de vida reducida. La administración de terapia contra el cáncer mediante nanotransportadores promete aumentar la selectividad de estos medicamentos. Los nanomateriales poseen propiedades fisicoquímicas específicas y únicas que tienen un impacto crucial en su comportamiento, y por eso las propiedades y las dianas biológicas de estos nanotransportadores deben estudiarse. Sin embargo, las herramientas utilizadas para caracterizar estas entidades siguen siendo similares a las que se utilizan para los fármacos de bajo peso molecular. Los nanomateriales tienen propiedades fisicoquímicas que varían mucho en comparación con los fármacos clásicos. Esto significa que requieren una caracterización adicional y más compleja. Actualmente, existe una falta de técnicas adecuadas que estén optimizadas para evaluar las propiedades fisicoquímicas y las dianas biológicas de los nanomateriales, que es una de las principales causas de su mala translación en la clínica. En esta tesis, proponemos el desarrollo y la aplicación de técnicas de imagen avanzadas como la microscopía de super-resolución (SRM), la microscopía electrónica de transmisión (TEM) y la microscopía correlativa óptica y electrónica (CLEM) para caracterizar y mejorar nuestra comprensión de los nanotransportadores. El Capítulo 1 demuestra la aplicación de DNA-PAINT y qPAINT en la cuantificación de la funcionalización de los ligandos de superficie y la heterogeneidad en las propiedades de los nanomateriales. Así, formulamos varias formulaciones de nanopartículas (NPs) PLGA-PEG funcionalizadas con oligonucleótidos como ligandos modelo y cuantificamos y comparamos el número de ligandos accesibles en cada formulación. Usando información obtenida partícula a partícula y molécula a molécula, DNA-PAINT permitió el estudio de la heterogeneidad en la funcionalización de los ligandos. Los resultados nos llevaron a rediseñar y reformular nuestras PLGA-PEG NPs modificando la arquitectura del PEG en superficie, para exponer más ligandos funcionales en superficie. El Capítulo 2 sigue el desarrollo de una técnica CLEM para estudiar la interacción entre diferentes propiedades fisicoquímicas en PLGA-PEG NPs, como el número de ligandos y el tamaño de la NP. Para hacer esto, correlacionamos la capacidad de cuantificación de ligandos de DNA-PAINT, con la excelente resolución de TEM para visualizar la morfología de las NPs. Eso se hizo en el mismo campo de visión y extrajimos así la información partícula a partícula. Identificamos subpoblaciones de NPS con diferentes números de ligandos, que conferirán diferentes comportamientos biológicos. Demostramos que, a diferencia de nuestro protocolo correlativo, la caracterización los dos métodos por separado puede limitar la información. El Capítulo 3 presenta la selección racional y la optimización de un protocolo dSTORM-TEM CLEM para el tráfico intracelular de PLGA-PEG NPs. El protocolo optimizado nos permitió visualizar directamente las NPs fluorescentes en dSTORM, y posicionarlas con gran resolución en la ultraestructura celular que ofrece TEM. Con esta información, cuantificamos la distribución de NPs en diferentes compartimentos endo-lisosomales en diferentes tiempos. Finalmente, cuantificamos el cambio en la distribución intracelular de las NP tras la incubación con el agente lisomotrópico cloroquina, lo que demuestra que promueve el escape de los endosomas. El Capítulo 4 incluye la aplicación del protocolo dSTORM-TEM optimizado para estudiar el comportamiento intracelular de los complejos poliméricos de pBAE. Usando dSTORM con dos colores, pudimos localizar y cuantificar las moléculas transportadoras (polímeros de pBAE) y su cargo (pDNA). Usando TEM localizamos los complejos con precisión dentro del medio intracelular. Con esta información, comparamos la capacidad de escapar de los endosomas entre dos complejos poliméricos diferentes. Por último, pudimos sugerir una diferencia en los mecanismos de internalización celular entre las dos formulaciones.Current cancer treatments beyond surgery include chemotherapies that have limited success. They typically demonstrate low effectiveness and serious toxicity profiles leading to a reduced quality of life due to their non-specific targeting of cancerous cells. Delivery of anticancer therapeutics using nanocarriers (nanomedicine) offers the promise of increasing the selective delivery of these drugs to specific target sites, improving their efficacy, and lowering their side effect profiles. Nanomaterials used for this purpose possess specific and unique physicochemical properties that have a crucial impact on their biological behavior. Importantly, these properties vary greatly in comparison to small-molecular drug entities. This means that they require extra and more complex characterization, particularly at the nanoscale and at a single-particle level. However, there is currently a lack of suitable state-of-the-art techniques that are optimized to assess physicochemical properties and biological fates of nanomaterials, which is one of the main causes for their poor translation to the clinic. In this Thesis, we propose the development, optimization, and application of advanced imaging techniques such as super-resolution microscopy (SRM), transmission electron microscopy (TEM) and correlative light and electron microscopy (CLEM) to characterize nanocarriers in vitro and to study their biological behavior in cells. Using these studies, we aim to delve deeper into our understanding of nanocarriers. Chapter 1 demonstrates the application of DNA-PAINT and qPAINT in quantifying surface ligand functionalization and heterogeneity in nanomaterials. First, various PLGA-PEG NP formulations were manually prepared and functionalized with oligonucleotides as model ligands. Using these techniques, the number of accessible ligands was quantified and compared between each formulation. DNA-PAINT also permitted the study of heterogeneity in ligand functionalization by applying information at a single particle and molecule level. The consequent results prompted the redesign and reformulation of the PLGA-PEG NPs by modifying the surface PEG architecture, as to expose more surface functional ligands. Chapter 2 follows the development of a CLEM technique to study the interplay between different physicochemical properties in PLGA-PEG NPs in vitro, namely ligand functionalization and size. To do this, the ligand quantification ability of DNA-PAINT was correlated with the excellent morphological ability of TEM on the same field-of-view (FOV) and the information was extracted at a single particle level. Sub-populations with different ligand functionalization were identified, that could lead to different and unpredictable biological behaviors. It was also demonstrated that as opposed to our correlative protocol, characterization by a one-method-at-a-time approach could limit the information obtained. Chapter 3 introduces the rational selection and optimization of a dSTORM-TEM correlative protocol for the intracellular trafficking of PLGA-PEG NPs. The optimized protocol allowed us to directly visualize fluorescently labelled NPs by dSTORM, in the complex intracellular milieu offered by TEM. As such, the distribution of NPs in different endo-lysosomal compartments at different time points was quantified, getting a better understanding of their trafficking route. Finally, the change in NP distribution upon incubation with the lysomotropic agent chloroquine was studied, demonstrating quantitatively that it promotes endosomal escape. Chapter 4 follows on from the previous Chapter, through the application of the dSTORM-TEM protocol to study the intracellular behavior of pBAE polyplexes. Using two color dSTORM both carrier (pBAE polymer) and cargo (pDNA) molecules were tracked and quantified and using TEM they were localized in different locations in the cellular milieu. Using this information, the endosomal escape properties of two different polyplexes were compared, demonstrating the power of correlative imaging in the rational design and selection of nanomedicines. Lastly, the CLEM images offered useful information regarding the cellular uptake mechanisms for the two formulations

Quantifying the effect of PEG architecture on nanoparticle ligand availability using DNA-PAINT

The importance of PEG architecture on nanoparticle (NP) functionality is known but still difficult to investigate, especially at a single particle level. Here, we apply DNA Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography (DNA-PAINT), a super-resolution microscopy (SRM) technique, to study the surface functionality in poly(lactide-co-glycolide)-poly(ethylene glycol) (PLGA-PEG) NPs with different PEG structures. We demonstrated how the length of the PEG spacer can influence the accessibility of surface chemical functionality, highlighting the importance of SRM techniques to support the rational design of functionalized NPs

Quantifying the effect of PEG architecture on nanoparticle ligand availability using DNA-PAINT

The importance of PEG architecture on nanoparticle (NP) functionality is known but still difficult to investigate. Here, DNA-PAINT and qPAINT are used to quantify this phenomenon at a single particle and molecular level

Correlating Super-Resolution Microscopy and Transmission Electron Microscopy Reveals Multiparametric Heterogeneity in Nanoparticles

The functionalization of nanoparticles with functional moieties is a key strategy to achieve cell targeting in nanomedicine. The interplay between size and ligand number is crucial for the formulation performance and needs to be properly characterized to understand nanoparticle structure-activity relations. However, there is a lack of methods able to measure both size and ligand number at the same time and at the single particle level. Here, we address this issue by introducing a correlative light and electron microscopy (CLEM) method combining super-resolution microscopy (SRM) and transmission electron microscopy (TEM) imaging. We apply our super-resCLEM method to characterize the relationship between size and ligand number and density in PLGA-PEG nanoparticles. We highlight how heterogeneity found in size can impact ligand distribution and how a significant part of the nanoparticle population goes completely undetected in the single-technique analysis. Super-resCLEM holds great promise for the multiparametric analysis of other parameters and nanomaterials

Nanoscopy for endosomal escape quantification

The successful cytosolic delivery of nanoparticles is hampered by their endosomal entrapment and degradation. To push forward the smart development of nanoparticles we must reliably detect and quantify their endosomal escape process. However, the current methods employed are not quantitative enough at the nanoscale to achieve this. Nanoscopy is a rapidly evolving field that has developed a diverse set of powerful techniques in the last two decades, opening the door to explore nanomedicine with an unprecedented resolution and specificity. The understanding of key steps in the drug delivery process-such as endosomal escape-would benefit greatly from the implementation of the most recent advances in microscopy. In this review, we provide the latest insights into endosomal escape of nanoparticles obtained by nanoscopy, and we discuss the features that would allow these techniques to make a great impact in the field

Can super-resolution microscopy become a standard characterization technique for materials chemistry?

SRM, an advanced nanoscopy technique demands a transition from being a niche sophisticated technique to standard routine method for material characterization. The roadmap of necessary developments through multidisciplinary collaboration is discussed