Advancing Molecularly Imprinted Polymer Nanoparticles for High-Mass Biomolecular Templates

Abstract

The field of nanomedicine continues to grapple with ever-challenging precise targeting of diseased cells, especially cancerous cells, while aiming to enhance therapeutic efficacy. Ineffective biodistribution throughout the body, extending toxicity to otherwise healthy cells, non-specific distribution with potential uptake by the phagocyte system, and or clearance by the kidney are some of the major challenges of targeting. When nanoparticles NP (loaded with drugs for targeting in nanomedicine) are introduced into the bloodstream through intravenous injection, the components of blood immediately surround them, leading to the formation of the protein corona. The formed protein corona masks the NP's surface and obscures it from directly interacting with the target cells. Besides, some proteins in the corona can trigger uptake by immune cells. In this research molecular imprinting technique is utilized to synthesize NPs with high specificity only to certain types of molecules. Further, this research was inclined towards extending the applicability of the technique to more complex polymer templates. This research offers a dual-purpose approach to remedying the challenges linked to imprinting larger molecules while also striving to enhance targeting efficacy. The goal of the research was to bridge the gap between synthetic identity and biological identity in molecular imprinting – an insight that is useful in enhanced targeting efficacy. To demonstrate this concept, this research explored binding kinetics in different molecularly imprinted polymers synthesized with complementary specificity only to certain molecules. Binding kinetics were explored through Fluorescence Correlation Spectroscopy FCS and further analysis of hard corona based on Sodium Dodecyl Sulfate Polyacrylamide Gel Electrophoresis SDS-PAGE analysis. Both results from FCS and SDS-PAGE analysis showed that MIPs specific to certain molecules demonstrated differential specificity to the target molecules which have binding sites complementary to the template used in MIP synthesis. Alternative competing proteins showed non-specific and reversible binding. The findings from this research have laid the foundation for further exploration into a complex biological system to provide a more comprehensive proof of enhanced targeting.

Die Nanomedizin setzt sich weiterhin mit der zunehmend anspruchsvollen Aufgabe auseinander, erkrankte Zellen, insbesondere Krebszellen, gezielt anzugreifen und gleichzeitig die therapeutische Wirksamkeit zu verbessern. Zu den größten Herausforderungen des Targetings zählen eine ineffektive Bioverteilung im Körper und damit eine Ausweitung der Toxizität auf ansonsten gesunde Zellen, eine unspezifische Verteilung mit potenzieller Aufnahme durch das Phagozytensystem und/oder die Ausscheidung über die Niere. Werden Nanopartikel (NP) (beladen mit Wirkstoffen für das Targeting in der Nanomedizin) intravenös in die Blutbahn eingebracht, umgeben sie sich sofort von Blutbestandteilen, was zur Bildung einer Proteinkorona führt. Die gebildete Proteinkorona maskiert die Oberfläche der NP und verhindert deren direkte Interaktion mit den Zielzellen. Zudem können einige Proteine in der Korona die Aufnahme durch Immunzellen auslösen. In dieser Forschung wird die Technik des molekularen Prägens eingesetzt, um NPs mit hoher Spezifität nur für bestimmte Molekültypen zu synthetisieren. Darüber hinaus zielte diese Forschung darauf ab, die Anwendbarkeit der Technik auf komplexere Polymervorlagen auszuweiten. Diese Forschung bietet einen doppelten Ansatz, um die Herausforderungen beim Prägen größerer Moleküle zu bewältigen und gleichzeitig die Zieleffizienz zu verbessern. Ziel der Forschung war es, die Lücke zwischen synthetischer und biologischer Identität beim molekularen Prägen zu schließen – eine Erkenntnis, die für eine verbesserte Zieleffizienz von Nutzen ist. Um dieses Konzept zu demonstrieren, untersuchte diese Forschung die Bindungskinetik verschiedener molekular geprägter Polymere, die mit komplementärer Spezifität nur für bestimmte Moleküle synthetisiert wurden. Die Bindungskinetik wurde mittels Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) und weiterer Analyse der harten Korona mittels Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese (SDS-PAGE) untersucht. Sowohl die Ergebnisse der FCS- als auch der SDS-PAGE-Analyse zeigten, dass molekular spezifische MIPs eine unterschiedliche Spezifität für Zielmoleküle aufweisen, deren Bindungsstellen komplementär zur bei der MIP-Synthese verwendeten Vorlage sind. Alternative konkurrierende Proteine zeigten eine unspezifische und reversible Bindung. Die Ergebnisse dieser Forschung legen den Grundstein für die weitere Erforschung eines komplexen biologischen Systems, um einen umfassenderen Nachweis für verbessertes Targeting zu erbringen.