Assessment of metal nanoparticles' uptake and biocompatibility with endothelial cells in vitro: effects on viability, activation, basement membrane and glycocalyx constitution

Abstract

The vascular endothelium is the primary biological barrier to intravenously administered nanotherapeutics, governing their systemic circulation, safety, and targeting efficiency. This doctoral thesis provides a comprehensive evaluation of nanoparticle-endothelial interactions, focusing on two distinct paradigms: surface-engineered stealth delivery and biomimetic receptor-mediated transport. In the first part of the study, iron oxide nanoparticles (IONPs) were functionalized with hydroxyethyl starch (HES) to evaluate their biocompatibility with human microvascular endothelial cells (HMEC-1). Physicochemical characterization confirmed that HES coating provides superior stability and a "stealth" biological identity. Our results demonstrated that IONPs@HES exhibit exceptional biocompatibility, maintaining endothelial viability and proliferation even under acute inflammatory stress. Mechanistic analysis revealed that these nanoparticles remain "immunologically silent," as they do not induce expression of inflammatory markers such as ICAM-1. At the intracellular level, IONPs@HES demonstrated homeostatic neutrality, being efficiently internalized without perturbing autophagic flux or triggering ferroptotic signaling. The phosphorylation of Caveolin-1 (p-CAV1) was identified as a key adaptive response governing safe membrane reorganization during nanoparticle uptake. The second part of the thesis investigated a biomimetic approach for crossing the blood-brain barrier (BBB). Curcumin, a potent but poorly soluble therapeutic, was encapsulated within H-ferritin (HFn) nanocages. The HFn-CUR nanoformulation significantly improved the solubility and stability of curcumin. Utilizing an in vitro BBB model, we demonstrated that HFn-CUR achieves superior trans-endothelial transport compared to free curcumin by exploiting the endogenous TfR1 receptormediated transcytosis pathway. This translocation occurred without compromising the integrity of the endothelial tight junctions. In conclusion, this research delineates that the fate of engineered nanocarriers at the vascular interface is dictated by their synthetic identity and biological corona. By balancing surface engineering to promote endothelial quiescence with biomimetic design to enhance transport, this work provides a robust framework for developing sophisticated nanomedicines tailored to complex vascular and neurological disorders.

Το αγγειακό ενδοθήλιο αποτελεί τον πρωταρχικό βιολογικό φραγμό για τα ενδοφλεβίως χορηγούμενα νανοθεραπευτικά σκευάσματα, καθορίζοντας τη συστηματική τους κυκλοφορία, την ασφάλεια και την αποτελεσματικότητα της στόχευσης. Η παρούσα διδακτορική διατριβή παρέχει μια ολοκληρωμένη αξιολόγηση των αλληλεπιδράσεων νανοσωματιδίων-ενδοθηλίου, εστιάζοντας σε δύο διακριτά παραδείγματα: τη στρατηγική τροποποίηση της επιφάνειας για "stealth" (αόρατη) μεταφορά και τη βιομιμητική μεταφορά μέσω υποδοχέων. Στο πρώτο μέρος της μελέτης, νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου (IONPs) τροποποιήθηκαν επιφανειακά με υδροξυαιθυλοάμυλο (HES) για να αξιολογηθεί η βιοσυμβατότητά τους με ανθρώπινα μικροαγγειακά ενδοθηλιακά κύτταρα (HMEC-1). Ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός επιβεβαίωσε ότι η επικάλυψη HES παρέχει ανώτερη σταθερότητα και μια "stealth" βιολογική ταυτότητα. Τα αποτελέσματά μας κατέδειξαν ότι τα IONPs@HES εμφανίζουν εξαιρετική βιοσυμβατότητα, διατηρώντας τη βιωσιμότητα και τον πολλαπλασιασμό του ενδοθηλίου ακόμη και υπό συνθήκες οξέος φλεγμονώδους στρες. Η μηχανιστική ανάλυση αποκάλυψε ότι αυτά τα νανοσωματίδια παραμένουν «ανοσολογικά σιωπηλά», καθώς δεν προκαλούν την έκφραση φλεγμονώδων δεικτών όπως η ICAM-1. Σε ενδοκυττάριο επίπεδο, τα IONPs@HES επέδειξαν ομοιοστατική ουδετερότητα, καθώς προσλαμβάνονται αποτελεσματικά χωρίς να διαταράσσουν την αυτοφαγική ροή ή να ενεργοποιούν μονοπάτια φερρόπτωσης. Η φωσφορυλίωση της Καβεολίνης-1 (p-CAV1) αναγνωρίστηκε ως μια βασική προσαρμοστική απόκριση που διέπει την ασφαλή αναδιοργάνωση της μεμβράνης κατά την πρόσληψη των νανοσωματιδίων. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής εξετάστηκε μια βιομιμητική προσέγγιση για τη διέλευση του αιματοεγκεφαλικού φραγμού (ΑΕΦ). Η κουρκουμίνη, μια ισχυρή αλλά χαμηλής διαλυτότητας θεραπευτική ουσία, εγκλείστηκε σε νανοκάψουλες Η φερριτίνης (HFn). Η νανοδιαμόρφωση HFn-CUR βελτίωσε σημαντικά τη διαλυτότητα και τη σταθερότητα της κουρκουμίνης. Χρησιμοποιώντας ένα in vitro μοντέλο ΑΕΦ, αποδείξαμε ότι το σύστημα HFn-CUR επιτυγχάνει ανώτερη διακυτταρική μεταφορά σε σύγκριση με την ελεύθερη κουρκουμίνη, εκμεταλλευόμενο το ενδογενές μονοπάτι διακυττάρωσης μέσω του υποδοφέα TfR1. Αυτή η μεταφορά πραγματοποιήθηκε χωρίς να διακυβεύεται η ακεραιότητα των στενών συνδέσμων (tight junctions) του ενδοθηλίου. Συμπερασματικά, η έρευνα αυτή καταδεικνύει ότι η τύχη των νανοφορέων στη διεπιφάνεια των αγγείων υπαγορεύεται από τη συνθετική τους ταυτότητα και τη βιολογική τους κορώνα. Εξισορροπώντας τον επιφανειακό σχεδιασμό για τη διατήρηση της ενδοθηλιακής ηρεμίας με τη βιομιμητική στόχευση για ενισχυμένη μεταφορά, η εργασία αυτή παρέχει ένα ισχυρό πλαίσιο για την ανάπτυξη προηγμένων νανοφαρμάκων προσαρμοσμένων στις ανάγκες σύνθετων αγγειακών και νευρολογικών διαταραχών.