The potential of silica nanoparticles as oral drug carriers

Abstract

Silika-Nanopartikel zeigen vielversprechende Eigenschaften als orale Arzneistoffcarrier. Diese Anwendung impliziert einen engen Kontakt zwischen Partikeln und biologischen Systemen. Daher ist es unerlässlich die Assoziierung und Aufnahme von Partikeln zu untersuchen sowie ihr zytotoxisches und oxidatives Potential zu bewerten. Eine innovative Methode zur kombinierten Detektion von Zytotoxizität und oxidativem Stress zeigte, dass unmodifizierte Nanopartikel bis zu einer Größe von 84 nm einen größen-, zeit- und konzentrationsabhängigen zytotoxischen Effekt auf Caco-2 Zellen aufwiesen. Größere sowie Polyethylenglykol-modifizierte Partikel hatten dagegen keine zellschädigende Wirkung. Ein oxidatives Potential konnte von keinem der Partikel verzeichnet werden. Diese Toxizitätsstudien korrelierten mit zellulären Assoziierungs- und Aufnahmeexperimenten. Nanopartikel, die einen zytotoxischen Effekt zeigten, demonstrierten auch eine starke Assoziierung mit Caco-2-Zellen oder wurden sogar in diese aufgenommen. Die Markierung der Partikel mit Propidiumiodid (PI) ermöglichte dabei eine deutliche Unterscheidung zwischen adsorbierten und aufgenommenen Nanopartikeln. Die Identifizierung der zellulären Mechanismen, die in der partikulären Aufnahme involviert sind, wurde dadurch erleichtert. Silika-Nanopartikel fungierten zudem als Carrier für das membran-impermeable PI. Freies PI wurde nicht in Caco-2-Zellen aufgenommen, wohingegen partikelgebundenes PI zeitabhängig internalisiert wurde.

Silica nanoparticles show promising characteristics as oral drug delivery carriers. This application implies a close contact with biological systems, therefore it is essential to investigate the cellular binding, uptake and transport properties of nanoparticles. Furthermore, their oxidative and cytotoxic potential has to be evaluated. A novel non-invasive assay for the combined determination of cytotoxicity and oxidative stress exhibited that unmodified nanoparticles with a size up to 84 nm caused a size-, time- and concentration-dependent cytotoxic effect in Caco-2 cells. In contrast, larger and poly ethylene glycol-modified nanoparticles provoked no deleterious effects. However, none of these particles showed an oxidative potential. Cytotoxicity studies correlated with cell association, uptake and transport experiments: Nanoparticles, which demonstrated a cytotoxic effect, were also in a strong association with Caco-2 cells or were even internalized. Thereby, the novel labelling of nanoparticles with propidium iodide (PI) allowed a clear distinction between adsorbed and internalized nanoparticles in a quantitative way which facilitated the identification of cellular mechanisms involved in the uptake of nanoparticles. Furthermore, silica nanoparticles could function as drug carriers for the membrane-impermeable compound PI. Free PI molecules were not able to enter Caco-2 cells, whereas nanoparticle bound PI was internalized time-dependently.