Właściwości biologiczne nanocząstek złota modyfikowanych polietylenoglikolem i ich zastosowanie jako potencjalnych nośników leczniczego siRNA w badaniach in vitro

Abstract

Drug carriers are systems designed to enhance the delivery of bioactive compounds to specific target sites in the body, including transport across biological barriers. Among the various nanomaterials investigated as potential carriers, gold nanoparticles (AuNPs) have gained considerable attention due to their favorable biophysical properties. They are characterized by high biocompatibility, low cytotoxicity, and the possibility of straightforward surface functionalization. One of the promising modification strategies is PEGylation, i.e., conjugation with polyethylene glycol (PEG), which improves the potential of AuNPs as carriers of drugs and nucleic acids, particularly for the delivery of therapeutic siRNA to tissues and cells protected by the blood–brain barrier.

The aim of this study was to evaluate whether PEG-coated gold nanoparticles, AuNP14a and AuNP14b, differing in the ratio of carbosilane dendrons to PEG chains, can form complexes with siRNA and be internalized by cells in a blood–brain barrier model. The investigated siRNA targeted the apoE gene, whose ε4 allele is associated with an increased risk of Alzheimer’s disease. The results confirmed that AuNPs can successfully form complexes with siRNA (siApoE), with AuNP14a forming stable complexes at lower concentrations than AuNP14b. The nanoparticles interacted with plasma proteins without significantly altering their secondary structure and showed interactions with lipid membranes. Efficient uptake of AuNP/siRNA complexes by endothelial cells and their accumulation mainly in the cytoplasm were observed. The nanoparticles demonstrated low cytotoxicity toward endothelial cells, astrocytes, and pericytes, which was further reduced in the presence of siRNA. Both AuNPs and their siRNA complexes exhibited relatively low genotoxicity, while alterations in reactive oxygen species levels and mitochondrial membrane potential returned to baseline within 24 hours. Overall, the findings indicate that PEGylated AuNP14a and AuNP14b meet essential criteria for therapeutic siRNA carriers, with AuNP14a showing greater potential.

Nośniki leków są związkami umożliwiającymi transport substancji bioaktywnych do miejsca ich działania, w tym przez bariery biologiczne. Wśród potencjalnych systemów dostarczania leków szczególne zainteresowanie budzą nanocząstki złota (AuNP), które dzięki swoim właściwościom biofizycznym znajdują szerokie zastosowanie w biomedycynie. Cechują się one wysoką biokompatybilnością, niską cytotoksycznością oraz możliwością łatwej modyfikacji powierzchni. Jedną z obiecujących metod ich funkcjonalizacji jest pegylacja, czyli sprzęganie z glikolem polietylenowym (PEG), co zwiększa ich potencjał jako nośników leków i kwasów nukleinowych, w tym terapeutycznych siRNA, zwłaszcza w kontekście transportu przez barierę krew–mózg. Celem pracy było sprawdzenie, czy pegylowane nanocząstki złota AuNP14a i AuNP14b, różniące się stosunkiem dendronów karbokrzemowych do PEG, mogą tworzyć kompleksy z siRNA oraz przenikać do komórek modelu bariery krew–mózg. Badany siRNA był skierowany przeciwko genowi apoE, którego allel ε4 wiąże się ze zwiększonym ryzykiem rozwoju choroby Alzheimera. Wyniki potwierdziły zdolność AuNP do kompleksowania z siRNA (siApoE), przy czym AuNP14a tworzyły kompleksy przy niższych stężeniach niż AuNP14b. Wykazano także oddziaływania nanocząstek z białkami osocza bez istotnych zmian w ich strukturze drugorzędowej oraz interakcje z błonami lipidowymi. Kompleksy AuNP/siRNA efektywnie wnikały do komórek śródbłonka i akumulowały się głównie w cytoplazmie. Badane nanocząstki wykazywały niską cytotoksyczność wobec komórek śródbłonka, astrocytów i perycytów, która dodatkowo zmniejszała się w obecności siRNA. Zaobserwowana genotoksyczność była niewielka, a zmiany poziomu reaktywnych form tlenu i potencjału mitochondrialnego ulegały normalizacji w ciągu 24 godzin. Uzyskane wyniki wskazują, że pegylowane nanocząstki AuNP14a i AuNP14b spełniają podstawowe kryteria nośników terapeutycznego siRNA, przy czym bardziej obiecującą formulacją wydaje się AuNP14a.