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How do surface properties of nanoparticles influence their diffusion in the extracellular matrix? A model study in Matrigel using polymer-grafted nanoparticles

Authors :
Nabila Debou
Jean Philippe Renault
Béatrice Cambien
Fabienne Testard
Marine Le Goas
Geraldine Carrot
Olivier Taché
Laboratoire Innovation en Chimie des Surfaces et NanoSciences (LICSEN)
Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie (ex SIS2M) (NIMBE UMR 3685)
Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)
Laboratoire Interdisciplinaire sur l'Organisation Nanométrique et Supramoléculaire (LIONS)
Transporteurs et Imagerie, Radiothérapie en Oncologie et Mécanismes biologiques des Altérations du Tissu Osseux (TIRO-MATOs - UMR E4320)
UMR E4320 (TIRO-MATOs)
Université Nice Sophia Antipolis (... - 2019) (UNS)
COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Côte d'Azur (UCA)-Université Nice Sophia Antipolis (... - 2019) (UNS)
COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Côte d'Azur (UCA)-Service Hospitalier Frédéric Joliot (SHFJ)
Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA))
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA))
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay
NSF award DMR-0520547
Laboratoire Innovation en Chimie des Surfaces et NanoSciences (LICSEN UMR 3685)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Service Hospitalier Frédéric Joliot (SHFJ)
Université Paris-Saclay-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA))
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-UMR E4320 (TIRO-MATOs)
Université Nice Sophia Antipolis (1965 - 2019) (UNS)
COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Côte d'Azur (UCA)-Université Nice Sophia Antipolis (1965 - 2019) (UNS)
COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Côte d'Azur (UCA)
Source :
Langmuir, Langmuir, American Chemical Society, In press, 36, pp.10460-10470. ⟨10.1021/acs.langmuir.0c01624⟩, Langmuir, 2020, 36, pp.10460-10470. ⟨10.1021/acs.langmuir.0c01624⟩
Publication Year :
2020
Publisher :
HAL CCSD, 2020.

Abstract

Diffusion of nanomedicines inside the extracellular matrix (ECM) has been identified as a key factor to achieve homogeneous distribution and therefore therapeutic efficacy. Here, we sought to determine the impact of nanoparticles' (NPs) surface properties on their ability to diffuse in the ECM. As model nano-objects, we used a library of gold nanoparticles grafted with a versatile polymethacrylate corona, which enabled the surface properties to be modified. To accurately recreate the features of the native ECM, diffusion studies were carried out in a tumor-derived gel (Matrigel). We developed two methods to evaluate the diffusion ability of NPs inside this model gel: an easy-to-implement one based on optical monitoring and another one using small-angle X-ray scattering (SAXS) measurements. Both enabled the determination of the diffusion coefficients of NPs and comparison of the influence of their various surface properties, while the SAXS technique also allowed to monitor the NPs' structure as they diffused inside the gel. Positive charges and hydrophobicity were found to particularly hinder diffusion, and the different results suggested on the whole the presence of NPs-matrix interactions, therefore underlying the importance of the ECM model. The accuracy of the tumor-derived gels used in this study was evidenced by in vivo experiments involving intratumoral injections of NPs on mice, which showed that diffusion patterns in the peripheral tumor tissues were quite similar to the ones obtained within the chosen ECM model.

Details

Language :
English
ISSN :
07437463 and 15205827
Database :
OpenAIRE
Journal :
Langmuir, Langmuir, American Chemical Society, In press, 36, pp.10460-10470. ⟨10.1021/acs.langmuir.0c01624⟩, Langmuir, 2020, 36, pp.10460-10470. ⟨10.1021/acs.langmuir.0c01624⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....19be3f3262dd07744bfbc5d3c46f0a72