Single pulse nanosecond laser‐stimulated targeted delivery of anti‐cancer drugs from hybrid lipid nanoparticles containing 5 nm gold nanoparticles

ABSTRACT: Encapsulating chemotherapeutic drugs like doxorubicin (DOX) inside lipid nanoparticles (LNPs) can overcome their acute, systematic toxicity. However, a precise drug release at the tumor microenvironment for improving the maximum tolerated dose and reducing side effects has yet to be well-established by implementing a safe stimuli-responsive strategy. This study proposes an integrated nanoscale perforation to trigger DOX release from hybrid plasmonic multilamellar LNPs composed of 5 nm gold (Au) NPs clustered at the internal lamellae interfaces. To promote site-specific DOX release, a single pulse irradiation strategy is developed by taking advantage of the resonant interaction between nanosecond pulsed laser radiation (527 nm) and the plasmon mode of the hybrid nanocarriers. This approach enlarges the amount of DOX in the target cells up to 11-fold compared to conventional DOX-loaded LNPs, leading to significant cancer cell death. The simulation of the pulsed laser interactions of the hybrid nanocarriers suggests a release mechanism mediated by either explosive vaporization of thin water layers adjacent to AuNP clusters or thermo-mechanical decomposition of overheated lipid layers. This simulation indicates an intact DOX integrity following irradiation since the temperature distribution is highly localized around AuNP clusters and highlights a controlled light-triggered drug delivery system

Livraison ciblée de médicaments anti-cancéreux stimulée par laser de nanoparticules or-lipides

RÉSUMÉ: Le cancer est une cause de mortalité des plus importantes dans le monde, celui-ci touche une dizaine de millions de personnes chaque année. Les méthodes actuelles de soin du cancer se sont améliorées au cours des dernières années mais ne sont pas parfaites et dans de nombreux cas il est impossible de le soigner. Les méthodes de radiologie, chirurgie ou de chimiothérapie continuent d'être au centre de la recherche et des nouvelles approches de soin sont investiguées. Pour la chimiothérapie, la principale piste étudiée est celle de la livraison ciblée de médicaments permettant ainsi de réduire les effets secondaires de ce type de traitement. L'utilisation de nano vecteurs comme vecteurs de livraison de médicaments peut permettre d'augmenter la dose maximale tolérée par un être humain et de détruire les cellules cancéreuses sans affecter les cellules saines. Le laboratoire du Pr Pieter Cullis de l'Université British Columbia a donc mis au point un système de nanoparticules lipidiques dans lesquelles sont encapsulées un médicament contre le cancer (Doxorubicin) ainsi que des nanoparticules d'or de 5 nm de diamètre. Ces nanovecteurs de 100 nm de diamètre présentent une bonne stabilité et peuvent circuler dans le corps via le flux sanguin sans être nettoyés par les cellules macrophages. Grâce aux propriétés optiques uniques des nanoparticules d'or et des interactions nanoparticules-laser, il est possible de libérer les médicaments et donc de cibler seulement un endroit spécifique et d'effectuer la livraison de médicaments aux cellules cancéreuses spécifiquement. Premièrement, une caractérisation des nanoparticules lipidiques et étude de leur comportement lors de l'incubation avec les cellules fut effectuée. Deuxièmement, une étude de livraison de médicaments in vitro sur des cellules MDA-MB-231 de cancer du sein a été menée avec deux lasers différents. Un laser nanoseconde irradiant à 527 nm correspondant au pic d'absorption des nanoparticules d'or de 5 nm de diamètre permet, lorsque la puissance surfacique est suffisante, de les fragmenter sans endommager les cellules. Une fluence de 71 J/cm2 permet d'obtenir une libération quasi-totale de la Doxorubicin dans la zone irradiée et d'augmenter par un facteur 10 la quantité de Doxorubicin délivrée lorsque des nanoparticules d'or sont encapsulées. Il suffit que chaque nanoparticule d'or reçoive une impulsion du laser pour induire la livraison ciblée. Le second type de laser utilisé est un laser femtoseconde irradiant à 800 nm. Ici, le laser permet la formation d'une nanobulle autour des nanoparticules d'or et ainsi former de petits trous à la surface des liposomes et laisser le médicament s'échapper. Les résultats obtenus sont alors similaires à ceux obtenus avec le laser nanoseconde. ABSTRACT: Cancer is one of the most important causes of death in the world, affecting around ten million people every year. Current methods of cancer treatment have improved in recent years but are not perfect and in many cases, it is impossible to cure. Radiology, surgery or chemotherapy methods continue to be the focus of research and new approaches to treat are being investigated. For chemotherapy, the main strategy studied is targeted delivery of drugs, which could reduce the side effects of this type of treatment. The use of nanovectors as drug delivery vehicles can increase the maximum dose tolerated by a human being and destroy cancer cells without affecting healthy cells. The laboratory of Prof. Pieter Cullis at the University of British Columbia has therefore developed a system of lipid nanoparticles in which a cancer drug (doxorubicin) and gold nanoparticles of 5 nm in diameter are encapsulated. These 100 nm diameter nanovectors have good stability and can circulate in the body via the bloodstream without being cleared by macrophage cells. Due to the unique optical properties of the gold nanoparticles and the nanoparticle-laser interactions, it is possible to release the drugs and thus target only a specific location and deliver the drugs exclusively to the cancer cells. Firstly, a characterization of the lipid nanoparticles and study of their behavior during incubation with cells was performed. Secondly, an in vitro drug delivery study on MDA-MB-231 breast cancer cells was conducted with two different lasers. A nanosecond laser irradiating at 527 nm which correspond to the absorption peak of 5 nm gold nanoparticles allows, when the fluence is sufficient, to fragment them without damaging the cells. A fluence of 71 J/cm2 allows a quasi-total release of Doxorubicin in the irradiated area and increases by a factor of 10 the amount of doxorubicin delivered when gold nanoparticles are encapsulated. It is sufficient for each gold nanoparticle to receive a laser pulse to induce targeted delivery. The second type of laser used is a femtosecond laser irradiating at 800 nm. Here, the laser allows the formation of a nanobubble around the gold nanoparticles and thus forms small holes on the surface of the liposomes and allows the drug to escape. The results obtained are then similar to those obtained with the nanosecond laser

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