Establishing the effects of mesoporous silica nanoparticle properties on in vivo disposition using imaging-based pharmacokinetics

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dc.contributor.author

Dogra, Prashant

Adolphi, Natalie L.

Wang, Zhihui

Lin, Yu-Shen

Butler, Kimberly S.

Durfee, Paul N.

Croissant, Jonas G.

Noureddine, Achraf

Coker, Eric N.

Bearer, Elaine L.

Cristini, Vittorio

Brinker, Jeffrey C.

dc.date.accessioned

2024-04-11T19:59:15Z

dc.date.available

2024-04-11T19:59:15Z

dc.date.issued

2018-10-31

dc.description - en

Health Canada is responsible for conducting safety assessments of new materials such as silica nanoparticles. Mesoporous silica nanoparticles (mSiNPs) with ordered, large pores are finding use in drug delivery, medical imaging and industrial applications, increasing the likelihood of environmental and health impacts of these materials. Developing reliable safety assessments requires an understanding of the influence of physicochemical and biological factors on toxicity of nanomaterials. In this work, Health Canada scientists investigated the toxic and inflammatory potential of a panel of mesoporous SiNPs that vary in size and surface modification in human and mouse-derived cells which serve different functions in the body, using a set of assays. The biological potency and the nanoparticle properties were interrogated for associations using statistical tools. The results showed that toxicity of the mSiNPs was similar across the different cell types, while the inflammatory potential was more cell type-specific. Physicochemical properties including surface area and the size of nanoparticle clusters were the most important determinants of the overall biological activity of the mSiNPs. The combination of size, surface modification and mSiNP properties influenced the cellular responses to this set of SiNPs. The work provides essential data to aid in the evidence-based assessment and management of nanomaterials for their effective regulation.

dc.description.abstract - en

The progress of nanoparticle (NP)-based drug delivery has been hindered by an inability to establish structure-activity relationships in vivo. Here, using stable, monosized, radiolabeled, mesoporous silica nanoparticles (MSNs), we apply an integrated SPECT/CT imaging and mathematical modeling approach to understand the combined effects of MSN size, surface chemistry and routes of administration on biodistribution and clearance kinetics in healthy rats. We show that increased particle size from ~32- to ~142-nm results in a monotonic decrease in systemic bioavailability, irrespective of route of administration, with corresponding accumulation in liver and spleen. Cationic MSNs with surface exposed amines (PEI) have reduced circulation, compared to MSNs of identical size and charge but with shielded amines (QA), due to rapid sequestration into liver and spleen. However, QA show greater total excretion than PEI and their size-matched neutral counterparts (TMS). Overall, we provide important predictive functional correlations to support the rational design of nanomedicines.

dc.description.abstract-fosrctranslation - fr

Les progrès de l’administration de médicaments à base de nanoparticules (NP) ont été entravés par l’incapacité d’établir des relations structure-activité in vivo. Ici, en utilisant des nanoparticules de silice (MSN) mésoporeuses, monodimensionnées, stables et radiomarquées, nous appliquons une approche intégrée d'imagerie SPECT/CT et de modélisation mathématique pour comprendre les effets combinés de la taille des MSN, de la chimie de surface et des voies d'administration sur la biodistribution et la cinétique de clairance chez des sujets sains. les rats. Nous montrons qu'une augmentation de la taille des particules de ~ 32 à ~ 142 nm entraîne une diminution monotone de la biodisponibilité systémique, quelle que soit la voie d'administration, avec une accumulation correspondante dans le foie et la rate. Les MSN cationiques avec des amines exposées en surface (PEI) ont une circulation réduite, par rapport aux MSN de taille et de charge identiques mais avec des amines protégées (QA), en raison de leur séquestration rapide dans le foie et la rate. Cependant, les QA présentent une excrétion totale supérieure à celle de l'Île-du-Prince-Édouard et de leurs homologues neutres de taille équivalente (TMS). Dans l’ensemble, nous fournissons d’importantes corrélations fonctionnelles prédictives pour soutenir la conception rationnelle des nanomédicaments.

dc.description.fosrctranslation - fr

Santé Canada est responsable de mener des évaluations de sécurité de nouveaux matériaux tels que les nanoparticules de silice. Les nanoparticules de silice mésoporeuse (mSiNP) dotées de pores larges et ordonnés sont utilisées dans l'administration de médicaments, l'imagerie médicale et les applications industrielles, augmentant ainsi la probabilité d'impacts environnementaux et sanitaires de ces matériaux. Développer des évaluations de sécurité fiables nécessite une compréhension de l'influence des facteurs physico-chimiques et biologiques sur la toxicité des nanomatériaux. Dans ces travaux, les scientifiques de Santé Canada ont étudié le potentiel toxique et inflammatoire d'un panel de SiNP mésoporeux dont la taille et la modification de surface varient dans les cellules humaines et dérivées de souris qui remplissent différentes fonctions dans l'organisme, à l'aide d'un ensemble d'analyses. La puissance biologique et les propriétés des nanoparticules ont été interrogées pour rechercher des associations à l'aide d'outils statistiques. Les résultats ont montré que la toxicité des mSiNP était similaire pour les différents types de cellules, tandis que le potentiel inflammatoire était plus spécifique au type de cellule. Les propriétés physicochimiques, notamment la surface et la taille des amas de nanoparticules, étaient les déterminants les plus importants de l'activité biologique globale des mSiNP. La combinaison de la taille, de la modification de la surface et des propriétés du mSiNP a influencé les réponses cellulaires à cet ensemble de SiNP. Le travail fournit des données essentielles pour faciliter l’évaluation et la gestion fondées sur des preuves des nanomatériaux en vue de leur réglementation efficace.

dc.identifier.doi

https://doi.org/10.1038/s41467-018-06730-z

dc.identifier.uri

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/2301

dc.language.iso

en

dc.publisher

Nature Research

dc.subject - en

Health

Health and safety

dc.subject - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.subject.en - en

Health

Health and safety

dc.subject.fr - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.title - en

Establishing the effects of mesoporous silica nanoparticle properties on in vivo disposition using imaging-based pharmacokinetics

dc.type - en

Article

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