Employing aspherical silica microparticles as a drug delivery system for the specific repolarization of human lung ‎macrophages

Abstract

Macrophages are involved in various diseases including tumors, chronic ‎inflammatory diseases like asthma. The extremely heterogeneous population ‎including proinflammatory (M1) type, which is active against pathogens and ‎suppresses tumor growth, and tumor-associated macrophages (TAMs), that have a ‎likeness to the regulatory and anti-inflammatory (M2) macrophages, facilitate tumor ‎growth. We aimed to employ aspherical silica microparticles (µRs) as a targeted drug ‎delivery system to deliver polyinosin:polycytidylic acid (poly(I:C)) ‎to reprogram TAM ‎macrophages into M1 macrophages. ‎ Within 20 minutes, µRs were taken up by primary human macrophages based on ‎flow cytometry and live-cell microscopy-based analysis. TAM macrophages took up ‎more µRs than M0 and M1 macrophages. Poly(I:C)-loaded µRs increased mRNA ‎expression of proinflammatory genes and extracellular M1 markers in TAM and M0 ‎macrophages. Extracellular M2 markers were reduced. However, unloaded µRs also ‎repolarize macrophages toward M1 phenotype. Unloaded µRs activated pattern ‎recognition receptors (PRRs) to a small extent. Employing C57BL/6 wild-type and ‎NLRP3 knockout bone marrow-derived macrophages (BMMs) showed that NLRP3 ‎inflammasome is involved in the inflammatory activation. ‎

Makrophagen sind an verschiedenen Krankheiten wie Tumoren und chronischen ‎Entzündungskrankheiten wie Asthma beteiligt. Die äußerst heterogene Population ‎umfasst proinflammatorische (M1) Makrophagen, die gegen Krankheitserreger aktiv ‎sind und das Tumorwachstum unterdrücken, und tumorassoziierte Makrophagen ‎‎(TAMs), die den regulatorischen und entzündungshemmenden (M2) Makrophagen ‎ähneln und das Tumorwachstum fördern. Unser Ziel war es, asphärischen Silica-‎Mikropartikeln (µRs) als gezieltes Drug-Delivery-System einzusetzen, um ‎Polyinosin:Polycytidylsäure (Poly(I:C)) zu verabreichen und TAM Zellen in M1-‎ähnliche Zellen umzuprogrammieren.‎ Innerhalb von 20 Minuten wurden die ‎µRs‎ von primären humanen Makrophagen ‎aufgenommen, wie die Durchflusszytometrie und Live-Cell-Mikroskopie ergaben. ‎TAM Makrophagen nahm mehr µRs auf als M0- und M1-Makrophagen. Poly(I:C)-‎beladene µRs, erhöhten die mRNA-Expression entzündungsfördernder Gene und die ‎extrazellulären M1-Marker in TAM und M0-Makrophagen. Extrazellulären M2-Marker ‎wurden reduziert. Unbeladene ‎µRs‎ repolarisieren jedoch in Richtung des M1-‎Phänotyps. Unbeladene ‎µRs ‎aktivierten in geringem Umfang Patteren-Recognition-‎Rezeptor (PRRs). Die Verwendung von C57BL/6-Wildtyp und NLRP3-Knockout ‎Knochenmark-abgeleitete‎ Makrophagen (BMMs) zeigte, dass das NLRP3-‎Inflammasom an der entzündlichen Aktivierung beteiligt ist. ‎