Coating the nanoparticle surface with cancer cell recognizing ligands is expected to facilitate specific delivery of nanoparticles to diseased cells in vivo. While this targeting strategy is appealing, no nanoparticle-based active targeting formulation for solid tumor treatment had made it past phase III clinical trials. Here, we quantified the cancer cell-targeting efficiencies of Trastuzumab (Herceptin) and folic acid coated gold and silica nanoparticles in multiple mouse tumor models. Surprisingly, we showed that less than 14 out of 1 million (0.0014% injected dose) intravenously administrated nanoparticles were delivered to targeted cancer cells, and that only 2 out of 100 cancer cells interacted with the nanoparticles. The majority of the intratumoral nanoparticles were either trapped in the extracellular matrix or taken up by perivascular tumor associated macrophages. The low cancer cell targeting efficiency and significant uptake by noncancer cells suggest the need to re-evaluate the active targeting process and therapeutic mechanisms using quantitative methods. This will be important for developing strategies to deliver emerging therapeutics such as genome editing, nucleic acid therapy, and immunotherapy for cancer treatment using nanocarriers.

Despite significant interest in developing quantum dots (QDs) for biomedical applications, many researchers are convinced that QDs will never be used for treating patients because of their potential toxicity. The perception that QDs are toxic is rooted in two assumptions. Cadmium-containing QDs can kill cells in culture. Many researchers then assume that because QDs are toxic to cells, they must be toxic to humans. In addition, many researchers classify QDs as a homogeneous group of materials. Therefore, if CdSe QDs are harmful, they extrapolate this result to all QDs. Though unsubstantiated, these assumptions continue to drive QD research. When dosing is physiologically appropriate, QD toxicity has not been demonstrated in animal models. In addition, QDs are not uniform: each design is a unique combination of physicochemical properties that influence biological activity and toxicity. In this Account, we summarize key findings from in vitro and in vivo studies, explore the causes of the discrepancy in QD toxicological data, and provide our view of the future direction of the field.In vitro and in vivo QD studies have advanced our knowledge of cellular transport kinetics, mechanisms of QD toxicity, and biodistribution following animal injection. Cell culture experiments have shown that QDs undergo design-dependent intracellular localization and they can cause cytotoxicity by releasing free cadmium into solution and by generating free radical species. In animal experiments, QDs preferentially enter the liver and spleen following intravascular injection, undergo minimal excretion if larger than 6 nm, and appear to be safe to the animal.In vitro and in vivo studies show an apparent discrepancy with regard to toxicity. Dosing provides one explanation for these findings. Under culture conditions, a cell experiences a constant QD dose, but the in vivo QD concentration can vary, and the organ-specific dose may not be high enough to induce detectable toxicity. Because QDs are retained within animals, long-term toxicity may be a problem but has not been established.Future QD toxicity studies should be standardized and systematized because methodological variability in the current body of literature makes it difficult to compare and contrast results. We advocate the following steps for consistent, comparable toxicology data: (a) standardize dose metrics, (b) characterize QD uptake concentration, (c) identify in vitro models that reflect the cells QDs interact with in vivo, and (d) use multiple assays to determine sublethal toxicity and biocompatibility.Finally, we should ask more specific toxicological questions. For example: "At what dose are 5 nm CdSe QDs that are stabilized with mercaptoacetic acid and conjugated to the antibody herceptin toxic to HeLa cells?" rather than "Are QDs toxic?" QDs are still a long way from realizing their potential as a medical technology. Modifying the current QD toxicological research paradigm, investigating toxicity in a case-by-case manner, and improving study quality are important steps in identifying a QD formulation that is safe for human use.

Abstract In protein‐rich environments such as the blood, the formation of a protein corona on receptor‐targeting nanoparticles prevents target recognition. As a result, the ability of targeted nanoparticles to selectively bind to diseased cells is drastically inhibited. Backfilling the surface of a targeted nanoparticle with polyethylene glycol (PEG) molecules is demonstrated to reduce the formation of the protein corona and re‐establishes specific binding. The length of the backfilled PEG molecules must be less than the length of the ligand linker; otherwise, PEG interferes with the binding of the targeting ligand to its corresponding cellular receptor.

Significance Nanotechnology is a promising approach for improving cancer diagnosis and treatment with reduced side effects. A key question that has emerged is: What is the ideal nanoparticle size, shape, or surface chemistry for targeting tumors? Here, we show that tumor pathophysiology and volume can significantly impact nanoparticle targeting. This finding presents a paradigm shift in nanomedicine away from identifying and using a universal nanoparticle design for cancer detection and treatment. Rather, our results suggest that future clinicians will be capable of tailoring nanoparticle designs according to the patient's tumor characteristics. This concept of “personalized nanomedicine” was tested for detection of prostate tumors and was successfully demonstrated to improve nanoparticle targeting by over 50%.

Significance Nanomaterials are developed for treating and diagnosing cancer, but only 0.7% (median) are delivered to a solid tumor. To address this delivery problem, we are examining each biological barrier to determine its impact on tumor delivery. Because the liver sequesters up to 70% of nanomaterials, in this study, we asked, if liver Kupffer cells were removed, what is the impact on tumor delivery? While we demonstrate that the tumor delivery increased up to 150 times, we achieved 2% for nanomaterials of different size, material, and tumor type. This suggests the need to focus on tumor pathophysiology to increase delivery efficiency, since this approach led to a greater availability of nanoparticles in the blood, but 98% did not accumulate in solid tumors.