Interaction of dendritic cells and macrophages with poly(2-oxazoline)- coated nanoparticles

It is widely known that the protein corona forming on the nanoparticles’ surface affects the immune responses against in vivo administered nanoparticles. Throughout the years, stealth nanoparticles, presenting antifouling properties and low phagocytic recognition were developed by modulating their surface chemistries. Polyethylene glycol (PEG) polymers are the most exploited coatings for this aim, but some concerns regarding the detection of anti-polymer antibodies have led to the study of alternatives. From these alternatives, poly(2-oxazoline)s polymers have been more recently examined for their antifouling properties, which were thought to be comparable to PEG ones. However, the study of poly(2-methyl-2-oxazoline) (PMOXA)-coated nanoparticles showed induction of protein corona formation and of complement activation, leading to a swift phagocytosis. In an attempt to exploit this phenomenon, poly(2-oxazoline)s polymers, including PMOXA and poly(2-ethyl-2oxazoline) (PEtOXA) polymers, were tested as coatings in this work. The polymer-coated, organically-modified silica nanoparticles were tested for their interaction with various cell types, with specific focus on the dendritic cells, which have phagocytic activity and are potent antigen-presenting cells. The characterization of the protein corona showed protein adsorption occurring on all the nanoparticles’ surface, and the activation of complement system on the PEtOXA-coated nanoparticles. This result correlates with the observation of the nanoparticles uptake by mononuclear phagocytes in physiological conditions. Moreover, since the nanoparticles showed to be highly internalized in serum-free conditions, the direct interactions between polymeric coatings and cellular receptors were examined. Results showed a potential involvement of the class A scavenger receptors, probably together with others, in the nanoparticles recognition and uptake. The demonstration of the nanoparticles’ uptake by dendritic cells suggested the necessity of an evaluation of the nanoparticles’ immunomodulatory functions. The incubation of the dendritic cells with the nanoparticles did not affect the activation state of the antigen-presenting cells. Nevertheless, PEtOXA nanoparticles seem to be able to impair the activation state of the dendritic cells in the presence of other pro-inflammatory stimuli. Overall, the collected data could provide valuable insights for the development of dendritic cells-targeted therapies, for the treatment of conditions requiring the modulation of the immune responses.

La corona proteica che si forma sulla superficie delle nanoparticelle è in grado di influenzare le risposte mediate dal sistema immunitario, in seguito alla loro somministrazione in vivo. Negli anni, sono state sviluppate nanoparticelle con proprietà “stealth”, caratterizzate dal ridotto adsorbimento di proteine sulla superficie e dal diminuito riconoscimento da parte dei fagociti, grazie alla modulazione delle loro proprietà di superficie. I polimeri di polietilenglicole (PEG) sono stati tra i più utilizzati a questo scopo, tuttavia l’individuazione di anticorpi anti-PEG ha portato alla ricerca di potenziali alternative. Tra queste, la classe delle poliossazoline è stata presa in considerazione per l’abilità nel repellere proteine, ritenuta simile a quella dei polimeri di PEG. Tuttavia, lo studio della poli(2-metil-2-ossazolina) (PMOXA) ha dimostrato la formazione di una corona proteica sulla superficie delle nanoparticelle e l’attivazione del sistema del complemento, con conseguente fagocitosi delle nanoparticelle. Nel tentativo di sfruttare questi eventi, due poliossazoline, PMOXA e la poli(2-etil-2-ossazolina) (PEtOXA), sono state valutate come potenziali rivestimenti. Le nanoparticelle di silice organicamente modificata, rivestite con i polimeri, sono state testate per la loro interazione con vari modelli cellulari, con particolare attenzione alle cellule dendritiche (DCs), le quali hanno attività fagocitica e sono potenti cellule presentanti l’antigene. La caratterizzazione della corona proteica ha dimostrato l’adsorbimento di proteine da parte di tutte le nanoparticelle, e l’attivazione del complemento da parte delle nanoparticelle PEtOXA. Tale risultato è in correlazione con l’internalizzazione delle nanoparticelle da parte delle cellule fagocitiche mononucleate, in condizioni fisiologiche. Inoltre, poiché le nanoparticelle hanno dimostrato un’aumentata internalizzazione in condizioni di assenza di siero, le interazioni tra i rivestimenti polimerici e i recettori cellulari sono state esaminate. I risultati suggeriscono un possibile coinvolgimento dei recettori scavenger di classe A, probabilmente insieme ad altri, nel riconoscimento e internalizzazione delle nanoparticelle. La dimostrazione dell’internalizzazione delle nanoparticelle da parte delle cellule dendritiche ha suggerito la necessità di una valutazione delle loro proprietà immunomodulatorie. L’incubazione delle cellule con le nanoparticelle non ha influenzato il loro stato di attivazione. Tuttavia, le nanoparticelle PEtOXA sembrano essere in grado di ridurre l’attivazione delle cellule dendritiche in presenza di altri stimoli pro-infiammatori. I dati raccolti, nel loro insieme, potrebbero fornire interessanti spunti per lo sviluppo di terapie dirette verso le cellule dendritiche, per il trattamento di condizioni che richiedono la modulazione della risposta immunitaria.