Pseudobacterial nanocarriers for intracellular delivery of anti-infectives

Abstract

Difficulties in the access and effective treatment of sheltered intracellular bacterial infections may potentially be overcome by encapsulating drugs into delivery systems functionalised with bacteria-derived invasive proteins. Although the potential of these proteins is clear, the promising application and indeed characteristics of invasive particles remains to be fully explored. The objectives of this study were therefore to determine the influence of shape on bacteriomimetic system characteristics, using invasive spherical and aspherical polymeric nanocarriers. Aspherical nanoparticles were prepared by an optimised combination of chemical functionalisation and thermomechanical stretching. InvA497, a C-terminal fragment of the Yersinia-derived protein invasin, was covalently coupled onto the surface of both spherical and aspherical nanoparticles. In vitro studies using drug-free nanoparticles indicated shape-dependent differences on receptor-mediated uptake by epithelial cells, being slightly faster for spherical nanoparticles. Both types of nanoparticles were then loaded with a preparation of antibiotic gentamicin, and tested for their ability to kill intracellular Shigella flexneri in human epithelial cells. Aspherical systems led to a higher killing of intracellular bacteria, potentially due to a more favorable drug release profile. This study provides a proof of concept that InvA497-functionalised aspherical bacteriomimetic nanocarriers may efficiently deliver otherwise non-permeable antibiotics across host cell membranes, enabling effective treatment of intracellular infections.

Eine wirksame Behandlung von intrazellulärer lokalisierten und auf diese Weise geschützten bakteriellen Infektionen kann mit Hilfe von spezieller nanopartikulären Systemen, die mit invasiven, von Bakterien abgeleiteten Proteinen funktionalisiert sind, erreicht werden. Obwohl das Potenzial dieser Proteinen bereits bekannt ist, sind vielversprechende Anwendungen und Eigenschaften dieser bakteriomimetischen Transportsysteme noch gründlich zu erforschen. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von zwei unterschiedlichen Partikelformen (sphärisch und asphärisch) auf die Wirksamkeit dieser bakteriomimetischen Systeme zu untersuchen. Asphärische Nanopartikel wurden durch eine optimale Kombination von chemischer Funktionalisierung und thermomechanischer Dehnung vorbereitet. InvA497, ein C-Endfragment des invasiven, von Yersinia abgeleiteten Proteins «Invasin», wurde kovalent an die Nanopartikeloberfläche gekoppelt. In vitro Untersuchungen mit wirkstofffreien Nanopartikeln zeigten formabhängige Unterschiede in der Rezeptor-vermittelten Aufnahme bei Epithelzellen Hep-2. Bei sphärischen Nanopartikeln war die Aufnahme etwas schneller. Beide Nanopartikelsysteme wurden daraufhin mit dem Antibiotikum Gentamicin geladen und auf deren Fähigkeit geprüft, intrazelluläre Shigella flexneri Erreger in menschlichen Epithelzellen zu töten. Asphärische Systeme zeigten eine höhere Fähigkeit zur Abtötung der intrazellulären Bakterien, möglicherweise bedingt durch ein vorteilhaftes Wirkstofffreisetzungsprofil. Mit dieser Untersuchung konnte nachgewiesen werden, dass InvA497-funktionalisierte, asphärische, bakteriomimetische Nanoträger nicht permeable Antibiotika durch die Wirtszellmembran effizient transportieren können, um intrazelluläre Infektionen behandeln zu können.