Polymeric nanoparticle-based carriers are promising agents for the targeted delivery of therapeutics to the intracellular site of action. To optimize the efficacy in delivery, often the tuning of physicochemical properties (i.e., particle size, shape, surface charge, lipophilicity, etc.) is necessary, in a manner specific to each type of nanoparticle. Recent studies showed an efficient tumor targeting by hydrophobically modified glycol chitosan (HGC) nanoparticles through the enhanced permeability and retention (EPR) effect. As a continued effort, here the investigations on the cellular uptake mechanism and the intracellular fate of the HGC nanoparticles are reported. The HGC nanoparticle, prepared by a partial derivatization of the free amino groups of glycol chitosan (GC) with 5beta-cholanic acid, had a globular shape with the average diameter of 359 nm and the zeta potential of ca. 22 mV. Interestingly, these nanoparticles showed an enhanced distribution in the whole cells, compared to the parent hydrophilic GC polymers. In vitro experiments with endocytic inhibitors suggested that several distinct uptake pathways (e.g., clathrin-mediated endocytosis, caveolae-mediated endocytosis, and macropinocytosis) are involved in the internalization of HGC. Some HGC nanoparticles were found entrapped in the lysosomes upon entry, as determined by TEM and colocalization studies. Given such favorable properties including low toxicity, biocompatibility, and fast uptake by several nondestructive endocytic pathways, our HGC nanoparticles may serve as a versatile carrier for the intracellular delivery of therapeutic agents.

Hyaluronic acid nanoparticles (HA-NPs), which are formed by the self-assembly of hydrophobically modified HA derivatives, were prepared to investigate their physicochemical characteristics and fates in tumor-bearing mice after systemic administration. The particle sizes of HA-NPs were controlled in the range of 237–424 nm by varying the degree of substitution of the hydrophobic moiety. When SCC7 cancer cells over-expressing CD44 (the receptor for HA) were treated with fluorescently labeled Cy5.5-HA-NPs, strong fluorescence signals were observed in the cytosol of these cells, suggesting efficient intracellular uptake of HA-NPs by receptor-mediated endocytosis. In contrast, no significant fluorescence signals were observed when Cy5.5-labeled HA-NPs were incubated with normal fibroblast cells (CV-1) or with excess free-HA treated SCC7 cells. Following systemic administration of Cy5.5-labeled HA-NPs with different particle sizes into a tumor-bearing mouse, their biodistribution was monitored as a function of time using a non-invasive near-infrared fluorescence imaging system. Irrespective of the particle size, significant amounts of HA-NPs circulated for two days in the bloodstream and were selectively accumulated into the tumor site. The smaller HA-NPs were able to reach the tumor site more effectively than larger HA-NPs. Interestingly, the concentration of HA-NPs in the tumor site was dramatically reduced when mice were pretreated with an excess of free-HA. These results imply that HA-NPs can accumulate into the tumor site by a combination of passive and active targeting mechanisms.

To prepare a water-insoluble camptothecin (CPT) delivery carrier, hydrophobically modified glycol chitosan (HGC) nanoparticles were constructed by chemical conjugation of hydrophobic 5β-cholanic acid moieties to the hydrophilic glycol chitosan backbone. Insoluble anticancer drug, CPT, was easily encapsulated into HGC nanoparticles by a dialysis method and the drug loading efficiency was above 80%. CPT-encapsulated HGC (CPT-HGC) nanoparticles formed nano-sized self-aggregates in aqueous media (280–330 nm in diameter) and showed sustained release of CPT for 1 week. Also, HGC nanoparticles effectively protected the active lactone ring of CPT from the hydrolysis under physiological condition, due to the encapsulation of CPT into the hydrophobic cores in the HGC nanoparticles. The CPT-HGC nanoparticles exhibited significant antitumor effects and high tumor targeting ability towards MDA-MB231 human breast cancer xenografts subcutaneously implanted in nude mice. Tumor growth was significantly inhibited after i.v. injection of CPT-HGC nanoparticles at doses of 10 mg/kg and 30 mg/kg, compared to free CPT at dose of 30 mg/kg. The significant antitumor efficacy of CPT-HGC nanoparticles was attributed to the ability of the nanoparticles to show both prolonged blood circulation and high accumulation in tumors, as confirmed by near infrared (NIR) fluorescence imaging systems. Thus, the delivery of CPT to tumor tissues at a high concentration, with the assistance of HGC nanoparticles, exerted a potent therapeutic effect. These results reveal the promising potential of HGC nanoparticles-encapsulated CPT as a stable and effective drug delivery system in cancer therapy.

Hydrophobically modified chitosan containing 5.1 deoxycholic acid groups per 100 anhydroglucose units was synthesized by an EDC-mediated coupling reaction. Formation and characteristics of self-aggregates of hydrophobically modified chitosan were studied by fluorescence spectroscopy and dynamic light scattering method. The critical aggregation concentration (cac) of the self-aggregate was determined by measuring the fluorescence intensity of pyrene as a fluorescent probe. The cac value in PBS solution (pH 7.2) was 1.7×10−2 mg/ml. Mean diameter of self-aggregates in PBS solution (pH 7.2) was 162±18 nm with an unimodal size distribution. Charge complex formation between self-aggregates and plasmid DNA was confirmed by electrophoresis on an agarose gel. Migration of DNA on an agarose gel was completely retarded above a charge ratio (+/−) of 4/1 at pH 7.2. The free DNA dissociated from the complexes was observed by electrophoresis above pH 8.0 at a fixed charge ratio of 4/1. An efficient transfection of COS-1 cells was achieved by self-aggregates/DNA complexes.

Tumor targetability and site-specific drug release of therapeutic nanoparticles are key factors for effective cancer therapy. In this study, poly(ethylene glycol) (PEG)-conjugated hyaluronic acid nanoparticles (P-HA-NPs) were investigated as carriers for anticancer drugs including doxorubicin and camptothecin (CPT). P-HA-NPs were internalized into cancer cells (SCC7 and MDA-MB-231) via receptor-mediated endocytosis, but were rarely taken up by normal fibroblasts (NIH-3T3). During in vitro drug release tests, P-HA-NPs rapidly released drugs when incubated with cancer cells, extracts of tumor tissues, or the enzyme Hyal-1, which is abundant in the intracellular compartments of cancer cells. CPT-loaded P-HA-NPs (CPT-P-HA-NPs) showed dose-dependent cytotoxicity to cancer cells (MDA-MB-231, SCC7, and HCT 116) and significantly lower cytotoxicity against normal fibroblasts (NIH-3T3) than free CPT. Unexpectedly, high concentrations of CPT-P-HA-NPs demonstrated greater cytotoxicity to cancer cells than free CPT. An in vivo biodistribution study indicated that P-HA-NPs selectively accumulated into tumor sites after systemic administration into tumor-bearing mice, primarily due to prolonged circulation in the blood and binding to a receptor (CD44) that was overexpressed on the cancer cells. In addition, when CPT-P-HA-NPs were systemically administrated into tumor-bearing mice, we saw no significant increases in tumor size for at least 35 days, implying high antitumor activity. Overall, P-HA-NPs showed promising potential as a drug carrier for cancer therapy.

To make a tumor targeting nano-sized drug delivery system, biocompatible and biodegradable glycol chitosan (Mw = 250 kDa) was modified with hydrophobic cholanic acid. The resulting hydrophobically modified glycol chitosans (HGCs) that formed nano-sized self-aggregates in an aqueous medium were investigated as an anticancer drug carrier in cancer treatment. Insoluble anticancer drug, cisplatin (CDDP), was easily encapsulated into the hydrophobic cores of HGC nanoparticles by a dialysis method, wherein the drug loading efficiency was about 80%. The CCDP-encapsulated HGC (CDDP-HGC) nanoparticles were well-dispersed in aqueous media and they formed a nanoparticles structure with a mean diameter about 300–500 nm. As a nano-sized drug carrier, the CDDP-HGC nanoparticles released the drug in a sustained manner for a week and they were also less cytotoxic than was free CDDP, probably because of sustained release of CDDP from the HGC nanoparticles. The tumor targeting ability of CDDP-HGC nanoparticles was confirmed by in vivo live animal imaging with near-infrared fluorescence Cy5.5-labeled CDDP-HGC nanoparticles. It was observed that CDDP-HGC nanoparticles were successfully accumulated by tumor tissues in tumor-bearing mice, because of the prolonged circulation and enhanced permeability and retention (EPR) effect of CDDP-HGC nanoparticles in tumor-bearing mice. As expected, the CDDP-HGC nanoparticles showed higher antitumor efficacy and lower toxicity compared to free CDDP, as shown by changes in tumor volumes, body weights, and survival rates, as well as by immunohistological TUNEL assay data. Collectively, the present results indicate that HGC nanoparticles are a promising carrier for the anticancer drug CDDP.

Right on target: An in vivo tumor-targeting strategy using nanoparticles has been developed. An unnatural sialic acid (green, see scheme) with azide groups is artificially generated on the target site by metabolic glycoengineering. These groups then effectively enhance the accumulation of nanoparticles in the target tumor site by an in vivo bioorthogonal copper-free click reaction.

We report a theranostic nanoparticle that can express ultrasound (US) imaging and simultaneous therapeutic functions for cancer treatment. We developed doxorubicin-loaded calcium carbonate (CaCO3) hybrid nanoparticles (DOX-CaCO3-MNPs) through a block copolymer templated in situ mineralization approach. The nanoparticles exhibited strong echogenic signals at tumoral acid pH by producing carbon dioxide (CO2) bubbles and showed excellent echo persistence. In vivo results demonstrated that the DOX-CaCO3-MNPs generated CO2 bubbles at tumor tissues sufficient for echogenic reflectivity under a US field. In contrast, the DOX-CaCO3-MNPs located in the liver or tumor-free subcutaneous area did not generate the CO2 bubbles necessary for US contrast. The DOX-CaCO3-MNPs could also trigger the DOX release simultaneously with CO2 bubble generation at the acidic tumoral environment. The DOX-CaCO3-MNPs displayed effective antitumor therapeutic activity in tumor-bearing mice. The concept described in this work may serve as a useful guide for development of various theranostic nanoparticles for US imaging and therapy of various cancers.