Aptamer-modified nanomaterials: Principles and applications

Aptamers are promising alternative binders that can substitute antibodies in various applications. Due to the advantages of aptamers, namely their high affinity, specificity and stability, along with the benefits originating from the chemical synthesis of aptamers, they have attracted attention in various applications including their use on nanostructured material. This necessitates the immobilization of aptamers on a solid support. Since aptamer immobilization may interfere with its binding properties, the immobilization of aptamers has to be investigated and optimized. Within this review, we give general insights into the principles and factors controlling the binding affinity of immobilized aptamers. Specific features of aptamer immobilization on nanostructured surfaces and nanoparticles are highlighted and a brief overview of applications of aptamer-modified nanostructured materials is given

Aptamer-modified polymer nanoparticles for targeted drug delivery

The purpose of this study was to develop a model system for targeted drug delivery. This system should enable targeted drug release at a certain tissue in the body. In conventional drug delivery systems, drugs are often delivered unspecifically resulting in unwarranted adverse effects. To circumvent this problem, there is an increasing demand for the development of intelligent drug delivery systems allowing a tissue-specific mode of delivery. Within this study, nanoparticles consisting of two biocompatible polymers are used. Because of their small size, nanoparticles are well-suited for effective drug delivery. The small size affects their movement through cell and tissue barriers. Their cellular uptake is easier when compared to larger drug delivery systems. Paclitaxel was encapsulated into the nanoparticles as a model drug, and to achieve specific targeting an aptamer directed against lung cancer cells was coupled to the nanoparticles surface. Nanoparticles were characterized by dynamic light scattering (DLS), transmission electron microscopy (TEM), fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and nanotracking analysis (NTA). Also their surface charge was characterized from ζ-potential measurements. Their preparation was optimized and subsequently specificity of drug-loaded and aptamer-functionalized nanoparticles was investigated using lung cancer cells. © 2016 by De Gruyter

Die Entwicklung eines Aptamer-modifizierten Polymer-Nanopartikelsystems zur zielgerichteten Freisetzung von Wirkstoffen

In der vorliegenden Dissertation wurde ein Targeted Drug delivery System (TDDS) entwickelt. TDDS sollen die kontrollierte Freisetzung eines Wirkstoffes an einem spezifischen Wirkort ermöglichen. Das TDDS der vorliegenden Arbeit besteht aus Polycaprolacton-basierten Polymer-Nanopartikeln. Die Funktionalisierung mit Aptameren auf der Oberfläche der Nanopartikel sorgt für eine spezifische Bindung an den Zielzellen. Aptamere eignen sich u.a. aufgrund ihrer niedrigen Immunogenität gut für den Einsatz im menschlichen Körper. Nach erfolgreich optimierter Herstellung der Nanopartikel, konnte das S15 Aptamer, das gegen die Lungenkrebszelllinie A549 gerichtet ist, auf der Oberfläche immobilisiert werden. Die Nanopartikel hatten eine Größe zwischen 50 und 100 nm, die für Nanoträger ideal ist, um sich in den Zielzellen anreichern zu können und nicht durch die Nieren oder die Leber aus dem Blutkreislauf herausgefiltert zu werden. In die Nanopartikel wurden erfolgreich die Wirkstoffe Paclitaxel und Camptothecin, die gegen verschiedene Arten von Krebs eingesetzt werden, eingekapselt. In Wasser bleiben die mit Wirkstoff beladenen Partikel stabil. Die Freisetzung des Wirkstoffes, die bei unterschiedlichen pH-Werten untersucht wurde, erfolgt bevorzugt in saurem Milieu, welches auch von Tumorzellen ausgebildet wird. Das entwickelte TDDS wurde abschließend in vitro untersucht. Dabei ist die Dichte des auf den Nanopartikeln immobilisierten Aptamers für eine spezifische Bindung an die Zielzellen verantwortlich. Ist die Dichte zu hoch, kann diese aufgrund sterischer Hinderungen zu unspezifischen Bindungen an die Kontrollzelllinie HeLa führen. Weiterhin wurde untersucht, über welchen Weg die Nanopartikel in die Zielzellen aufgenommen werden. Dazu kamen mit S15 konjugierte Quantum Dots (QDs) als Modellpartikel zum Einsatz, die wegen ihrer Fluoreszenzeigenschaften leichter detektierbar waren. Die funktionalisierten QDs werden über die Rezeptorvermittelte Endozytose in die Zelle aufgenommen. Abschließend wurde das entwickelte Targeted Drug Delivery System hinsichtlich seiner Toxizität auf die Zielzellen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die mit Wirkstoff beladenen und mit S15 funktionalisierten Polymer-Nanopartikel einen toxischen Effekt auf die Lungenkrebszellen haben. Somit konnte in der vorliegenden Arbeit das Targeted Drug Delivery System erfolgreich entwickelt und in vitro eingesetzt werden

Cancer cell-selective, clathrin-mediated endocytosis of aptamer decorated nanoparticles

Lung cancer is the leading cause of cancer mortality worldwide, resulting in 88% deaths of all diagnosed patients. Hence, novel therapeutic modalities are urgently needed. Single-stranded oligonucleotide-based aptamers (APTs) are excellent ligands for tumor cell targeting. However, the molecular mechanisms underlying their internalization into living cells have been poorly studied. Towards the application of APTs for active drug targeting to cancer cells, we herein studied the mechanism underlying S15-APT internalization into human non-small cell lung cancer A549 cells. We thus delineated the mode of entry of a model nanomedical system based on quantum dots (QDs) decorated with S15-APTs as a selective targeting moiety for uptake by A549 cells. These APT-decorated QDs displayed selective binding to, and internalization by target A549 cells, but not by normal human bronchial epithelial BEAS2B, cervical carcinoma (HeLa) and colon adenocarcinoma CaCo-2 cells, hence demonstrating high specificity. Flow cytometric analysis revealed a remarkably low dissociation constant of S15-APTs-decorated QDs to A549 cells (Kd = 13.1 ± 1.6 nM). Through the systematic application of a series of established inhibitors of known mechanisms of endocytosis, we show that the uptake of S15-APTs proceeds via a classical clathrin-dependent receptor-mediated endocytosis. This cancer cell-selective mode of entry could possibly be used in the future to evade plasma membranelocalized multidrug resistance efflux pumps, thereby overcoming an important mechanism of cancer multidrug resistance. © Engelberg et al