The nanoparticle corona in the deep lung : pulmonary surfactant adsorption and its role in nano-bio interactions

Abstract

Nanoparticles (NPs) for drug delivery to the respiratory tract are of considerable interest, for the treatment of chronic and acute pulmonary and systemic disorders, promising the potential for sustained release and targeted delivery. Although the targets for these formulations are usually cells, the NPs, once inhaled, first encounter a non-cellular barrier in the deep lung: the pulmonary surfactant (PS). This is a lipid-protein mixture which covers the alveoli and enables gas exchange as a result of its surface tension lowering function. While the interaction of NPs with plasma proteins is routinely elucidated, the adsorption of lung lipids and proteins onto NPs is rather disregarded; yet, such characterization is crucial for understanding the fate of the particles, as the PS corona displays the biological identity of NPs. In this work, native PS was obtained from porcine lungs (pPS). The interaction with NPs in terms of corona formation and macrophage uptake was studied. Corona composition with respect to lipids and proteins was determined to a high degree of accuracy. Evaluation of this data suggested that surfactant associated proteins have a mediating effect on lipid binding to the NPs. In vitro experiments with a cell line of alveolar macrophages showed that the uptake of NPs with a pPS corona is unique, making PS indispensable for such experiments. This dissertation sheds new light on the ignored factor ‚pulmonary surfactant in nano-bio interactions’.

Nanopartikel (NP) eignen sich dazu, Wirkstoffe verzögert freizusetzen oder gezielt zum Wirkort zu bringen. Sie sind daher von Interesse für die Applikation von Wirkstoffen über den Respirationstrakt zur Behandlung akuter und chronischer Krankheiten der Lunge, aber auch systemischer Erkrankungen. In den Alveolen treffen NP zuerst auf eine nicht-zelluläre Barriere, den Pulmonalen Surfactant (PS). Dieser ist ein Lipid-Protein Gemisch, welches nach Impaktion der NP auf deren Oberfläche adsorbiert. Diese „Corona“ aus Biomolekülen moduliert die biologische Identität der NP und bestimmt deren weitere Interaktionen mit Zellen. Während es relativ gut untersucht ist, wie NP mit Plasmaproteinen wechselwirken, ist noch wenig über die Adsorption von PS auf NP bekannt. Im Rahmen dieser Dissertation wurde PS aus Schweinelungen gewonnen (pPS) und dessen Interaktionen mit NP untersucht. Verschiedene Größenmessungen belegten die Ausbildung einer Corona, und auf NP verschiedener Hydrophobizität konnte die Zusammensetzung der Lipide und Proteine quantitativ bestimmt werden. Surfactant-spezifische Proteine sind entscheidend für die Ausbildung der Corona und vermitteln eine Lipidbindung auch auf hydrophile NP. Die Aufnahme von NP durch Alveolarmakrophagen konnte in vitro durch die PS-Corona modifiziert werden. Mit dieser Arbeit konnte der Einfluss des lange ignorierten Faktors ‚Pulmonaler Surfactant auf die Nano-Bio-Interaktionen in der tiefen Lunge‘ gezeigt werden.